城市轨道交通低压配电系统智能化管控终端设计

孙建新

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,710043,西安∥高级工程师)



城市轨道交通低压配电系统智能化管控终端设计

孙建新

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,710043,西安∥高级工程师)

为有效实现城市轨道交通低压配电系统的智能化,设计一种集保护、控制、状态监测、测量、计量、负荷预估及优化等功能于一体的双CPU(中央处理器)结构柔性综合管控终端,将其嵌入到低压配电设备中“以软代硬”,使系统涵盖“信息化、自动化、集成一体化”的智能模式。设计的管控终端用于某市地铁3号线工程，试用结果表明：其测量误差小、功能完善可靠,满足低压配电系统智能化需求,工程实用价值良好。

城市轨道交通; 低压配电系统; 智能化管控终端

Author′s address China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,710043,Xi′an,China

建立具有“自愈、集成、预测、优化”等智能化特征的城市轨道交通低压配电系统,是提升城市轨道交通正常运营、科学管控水平的重要保障。目前常规的利用多功能数字仪表、智能断路器、以太网网关、PLC(可编程控制器)控制器等元器件堆积组合方法搭建的“准”智能化系统[1-2],虽能实现城市轨道交通降压变电所低压进线断路器、母联断路器、三级负荷总开关、重要馈线回路的遥测、遥控、遥信功能[3-4],但上述方法及系统存在以下缺陷：数字仪表和断路器自带的智能脱扣器测量信息各自独立，对断路器附件性能(如智能脱扣器)要求过高导致成本较高，各元器件通讯规约不一致时组网困难，各元件类别不同时功能差异性大自动化水平不均衡，结构模式不简洁不统一和维护不方便等,在实际工程应用中难以有效发挥作用[5-6]。

本文研究了一种结构简洁、涵盖智能电网“信息化、自动化、集成一体化”特征要求的综合管控终端装置,通过实时采集城市轨道交通低压配电系统全景工况参数,实现对配电回路智能化脱扣保护、控制、状态监测、测量、计量和负荷预估,能使低压配电设备简化成“管控终端加断路器”的两元化结构，低压配电系统成为具有智能电网特征的智能化模式,有力支撑城市轨道交通低压配电系统的安全、优化、可控和可观运行。

1 城市轨道交通低压配电系统特点

城市轨道交通低压配电系统按功能分为降压变电低压系统、环控电控低压系统两类。除牵引负荷外,其为所有运营机电设备提供动力和照明电源,与通用低压配电系统相比,其特点及对智能化需求如下。

(1) 对可靠性、稳定性要求较高,当重要回路发生配电故障时,会直接危害城市轨道交通正常运行,有可能造成不良社会影响。这一特点要求低压配电系统应具有对海量数据挖掘评估、对可能发生故障提前预测、对已发生故障快速诊断、对故障供电网络节点快速自愈和重构等智能“自愈、预测”功能,主动避免发生安全事故。

(2) 车站面积寸土寸金(如地下车站),安装空间有限,配电设备需要高度集成、占地小、维护方便。这一特点要求低压配电设备内置元件量少体小、功能集成不重复、互换与兼容性好,设备自身结构简洁化一,具备“以软代硬”、“智能终端加断路器”两元化模式的智能“集成”特征。

(3) 以放射式配电结构为主,电缆数量大,敷设在封闭式闷顶或桥架中,供电距离经常至数百米,受环境潮湿、散热条件差、位置隐蔽、难以检修等因素影响,电缆绝缘性能下降严重,易产生故障隐患。这一特点要求低压配电系统具备通过潮流计算与分析预知发现电缆绝缘降低安全隐患的智能“预测”功能。

(4) 用电设备密集度高、运行空间相对封闭、潜在电气火灾隐患大,火灾发生时人员疏散、救援难度大。这一特点要求低压配电系统具备通过负荷的工况信息和数据分析,准确预估、预警潜在电气火灾的智能“预测”功能。

(5) 在运营高峰与低谷时用电负荷状态变化大,有较大的节能和优化的空间。这一特点要求低压配电系统能统计用电规律、预测负荷、优化管控低压配电设备和低压配电网运行模式,具备智能“预测、优化”功能。

2 城市轨道交通低压配电系统智能化管控终端设计

2.1 低压配电系统管控终端装置的硬件设计

针对上述城市轨道交通配电系统特点及实现其智能化的必要性,结合智能电网特征要求,设计的管控终端结构原理图如图1所示,包括基于双CPU(中央处理器)结构(DSP(数字信号处理器)加单片机)的主机及其接口 A、向前测控通道B和向后测控通道C三个环节。

图1 城市轨道交通低压配电系统智能化管控终端结构原理图

主机及其接口环节A由DSP系统模块、CPLD(可编程逻辑器件)逻辑与组合系统模块、键盘模块、单片机系统模块、磁耦合器、以太网口模块、串行通信口模块和液晶显示模块组成。向前测控通道环节B由回路三相电压检测模块、回路三相电流检测模块、回路剩余电流检测模块、信号调理模块、回路温湿度检测模块、遥信量检测模块组成。向后测控通道环节C由多个功率光电耦合器和开出回路组成。

2.2 低压配电系统管控终端的工作原理及测控算法

实际工作中,该装置信号调理单元4将由三相电压检测模块1、回路三相电流检测模块2、回路剩余电流检测模块3分别送入的三相电流、三相电压、剩余电流、电流电压相位差信号进行放大、限幅、滤波、隔离、变换,再送入含有内置A/D(模数转换)转换器的DSP系统模块9进行采样与如下处理。

(1) 对于实时采集的三路电压、电流信号利用交流电量采样技术和三相瞬时无功理论计算其电压、电流效值,不平衡电压/电流值,有功、无功、视在功率,功率因数,谐波电流含量和累计做功总能量等。其中基于瞬时无功理论的ip-iq谐波电流检测方法如图2所示。

图2 ip-iq谐波电流检测方法原理图

利用计算出来的各种电参数值分别与预先设定在内存中的阈值做比较,按照配电保护理论完成对配电回路的Ⅰ段、Ⅱ段、瞬时过电流保护,不平衡保护,电压过低、过高、错序或缺相保护,合相负荷保护。分析这些获得的实时工况参数并与存储在内存中的回路故障标准特征库比对,完成对配电系统故障诊断;利用记录的历次和本次城市轨道交通运营高峰与低谷时间段内的工况参数,基于灰色预测理论建立回路的负荷动态预估数学模型。

(2) 对于实时采集的一路剩余电流采用自相关理论法分析,给出回路绝缘和潜在电气火灾危险故障的状况判断。

此外,由回路温湿度检测模块5输出的(电缆沟或环境)数字式温湿度信号,直接通过磁耦合器6隔离由DSP系统模块9采集处理,当温湿度超过阈值时给出报警或跳闸命令;回路工作状态信号(如断路器位置、低压柜抽屉位置)由遥信量检测模块7采集、处理,经磁耦合器8隔离送入CPLD逻辑与组合系统模块10中进行逻辑判断运算。

2.3 低压配电系统管控终端的试验

用JCD4046精密测试电源、MFTB-3多功能继电保护测试装置、HR220-1电弧发生装置等对本管控终端进行试验。摘录含有21次谐波时的功率及电能计量测试数据如表1所示,其中cosα=0.500,CT变比=5/5,基波参数Uaf=Ubf=Ucf=220 V、Iaf=Ibf=Icf=5 A,谐波参数Uah=Ubh=Uch=100 V、Iah=Ibh=Ich=2 A。从表1可知,该终端能将21次的谐波电能从总能量中分开计量,误差不超过±0.5%。

表1 配电系统含有21次谐波时的功率及电能计量测试

该终端其余功能、性能的试验数据在此不再赘述。综合测试结果表明其对各项运行参数测量误差均不超过±0.5%,保护、控制、状态监测、测量、计量、负荷预估与优化等功能完善可靠。

3 用管控终端实现城市轨道交通低压配电系统智能化的方法

3.1 用管控终端实现城市轨道交通低压配电设备智能化

因本管控终端的各项功能均来自于智能电网特征要求,故将其直接嵌入到低压配电设备中,替代设备中已有的多功能数字仪表(含普通仪表、作为内部考核用的电度表)、断路器的智能控制器、以太网网关、PLC控制器等二次元件,既使低压配电设备结构简化成“管控终端加开关本体”二元化模式,符合了智能电网对智能设备的“一次加二次”物理形态要求,又使其具备了“信息化、自动化、集成一体化”的智能特征。其中开关本体负责开断配电回路电流,管控终端完成回路的智能脱扣保护(开关本体附带的脱扣器可取消或选用低版本配置)、全景数据测量、故障预测、自愈优化控制等。

3.2 用管控终端实现低压配电系统智能化的工程应用

在某市地铁3号线长乐坡站降压变电所低压配电系统中,将该管控终端配置在进线、母联、三级负荷总馈线、至环控电控室总馈线等重要回路中,实现:①各智能断路器遥控、遥信;②各回路全景数据测量、分析、统计;③各回路电缆绝缘降低、短路、过载等故障诊断,潜在电气火灾事故防控;④低压配电系统供电方式结构的优化与自愈控制;⑤低压配电系统能量管理;⑥低压配电系统负荷预测预估;⑦进线、母联、三级负荷总开关间的逻辑互锁;⑧变电所备用发电机电源的自动启动、投切、互锁。此工程的部分配电一次回路及实物图如图3所示。近半年的在线试运行证明,该管控终端能满足智能化配电的各项需求,有效实现轨道交通低压配电系统的智能化。

图3 用管控终端实现的智能化低压配电系统一次回路及设备实物图

3.3 用管控终端实现低压配电系统智能化的技术经济分析

与现有技术相比,以本管控终端为核心实现智能低压配电系统的有益技术经济效果是:

(1) 将配电回路中二次部分集成为一标准组件,嵌入配电设备仪表视窗中,节省了分散二次元件物理空间、互换性好,且配线简洁,柜中装载回路个数增加,系统所需柜体数量相对减少;

(2) 配电系统在原有常规保护、监控技术条件基础上,增加了“自愈、预测、优化”等智能化功能特征,且仅需通过电力潮流分析和数据挖掘,可将低压配电系统能量管理(EMS)、电气火灾防控系统自融为一体,无需额外增加专有系统;

(3) 系统保护、监视、控制、分析等功能基于不同算法实现,以软代硬、对外接口标准统一、柔性与兼容性强;

(4) 配电设备简化成二元化结构模式,功能区明显,故障节点减少、定位清晰,维护容易,设备可靠性提高;

(5) 在实际工程应用中,实现具有相同功能的智能低压配电系统,投资成本可下降20%左右。

4 结论

(1) 实现城市轨道交通低压配电系统智能化,是城市轨道交通系统特点和智能电网框架对低压配电系统的新要求,是城市轨道交通系统减少事故、提高电能效率和服务水平、保障正常运输秩序、降低运营成本、减少经济损失的重要手段。

(2) 本文设计的管控终端,其涵盖的各项功能来自于智能电网特征要求,将其嵌入到低压配电设备中,能使低压配电系统及其设备直接具有“信息化、自动化、集成一体化”的智能化特征。

(3) 本文设计的管控终端,内含检测、预测、控制等多种算法,以软代硬、柔性好,经试验与在某市地铁3号线长乐坡站试用,证明其功能完善可靠、参数测量精度高、能简洁实现低压配电系统的智能化、显著提升低压配电管控水平和运营品质,具有良好的工程实用价值。

[1] 宋新启.基于智能低压配电系统的地铁配电电能管理系统[J].城市轨道交通研究,2012(12):114.

[2] 袁建红.智能低压配电系统在地铁中的应用[J].低压电器,2010(1):20.

[3] 陈平,王宏.智能低压配电系统的分析及实现[J].低压电器,2010(21):25.

[4] 葛荣亮,张帆.智能化低压配电系统的发展和应用[J].城市建设理论研究(电子版),2015,5(14):1233.

[5] 朱钺.智能低压配电系统在地铁中的应用[J].城市轨道交通研究，2009(9)：56.

[6] 靳忠福.上海轨道交通6号线港城路车辆段低压供配电系统设计[J].现代城市轨道交通,2010(2):26.

Design of Low Voltage Power Distribution System for Urban Mass Transit Intelligent Terminal DeviceSUN Jianxin

An intelligent terminal device with the function of management and control is designed to enhance the flexibility and intelligence of the low voltage power distribution system for urban mass transit. Based on the integration of power parameter measurement, load forecast and optimization, protection and control, a sort of flexible measurement and control software is used in the device which consists of a dual CPU structure, and is embedded in the low voltage power distribution equipment. The device will strengthen urban rail transit system in an intelligent model with flexible characteristics, covering information, automation and integration. While adopted on metro line in a city, the intelligent terminal device exhibits the characteristics of high measurement precision, high reliability and perfect functions. It could meet the demands of intelligent low voltage distribution system and is expected to have practical values.

urban mass transit; low voltage power distribution system; intelligent terminal device

U 231.8; U 224.3

10.16037/j.1007-869x.2016.05.009

2015-08-27)