基于云平台的智能配电系统设计

贺丽

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）

1 引言

在计算机、物联网技术的支持下，低压在线监测系统、电气火灾监控系统、线网级能源管理系统、物联网智能照明系统均可开通与云平台间的数据通道，而使云平台对相关数据进行有效采集、存储与处理。论文主要从基于云平台的智能配电系统设计及以上4 个系统中的应用情况展开论述。

2 基于云平台的智能配电系统设计

基于云平台的智能配电系统设计，为满足系统的自诊断、自恢复功能，维持系统的有效运行、提高运维效率和避免电气火灾的发生，可进行低压在线监测系统设计和电气火灾监控系统设计，以保障用电安全。为监测能耗、监测电能质量、降低能源消耗，且能有效支持、满足轨道交通正常运作的基本用电需求，可进行线网级能源管理系统设计和物联网智能照明系统设计。本文主要就低压在线监测系统、电气火灾监控系统、线网级能源管理系统、物联网智能照明系统的设计情况展开论述[1]。

2.1 低压在线监测系统

轨道交通供电系统由外部电源、主变电所、中压供电网络、牵引供电系统、低压配电系统、电力监控系统、杂散电流防护系统、防雷和接地系统等部分组成。其中，牵引供电系统是通过牵引变电所对主变电所引来的35 kV 交流电进行降压整流，使之变成1 500 V 直流电，再将1 500 V 直流电通过沿线架设的牵引网不间断地供给运行中的电动列车，以保证电动列车的安全、可靠、快速运行，低压配电系统是通过降压变电所将35 kV 交流电降压成380 V/220 V 交流电，向车站和区间隧道的各种动力、照明设备供电，保证各种车站设备的正常运行，给乘客提供一个安全舒适的乘车环境。牵引供电和低压供电的可靠供应与维持，均会对地铁的安全、可靠运营造成直接影响。因此，在智能配电系统设计过程中，采用低压在线监测系统是大势所趋。低压在线监测系统如图1 所示，本系统采用模块化结构，智能元器件，集合多种功能，不仅实现了0.4 kV开关柜和环控柜内断路器的主要元器件全生命周期的在线监测与故障报警，而且实现了整个供电系统其他主要设备的数据上传与收集。通过带电检测、在线检测、停电检测轨道交通用电及相关低压设备的运作情况，检测、统计变电情况及设备的出厂数据、维修数据，以便于云平台对轨道交通用电的变电、配电情况及用电状态进行有效检测、预测，从而进一步降低运维成本，提升用电安全。

图1 低压在线监测系统

2.2 电气火灾监控系统

电气火灾监控系统能对地铁车站低压柜馈线回路的剩余电流、馈线接头过热及母线过热等所引起的火灾进行实时、全面检测，确保电气设备正常有序地运行，避免或降低灾害情况下造成的人员和财产损失。电气火灾监控系统由安装在每个车站消防控制室的电气火灾监控主机、电气火灾监测设备、安装在检测对象上的组合式电气火灾探测器及现场总线、专用软件等部分组成。组合式电气火灾探测器将测量的所有数据通过总线上传到电气火灾监测设备，由电气火灾监测设备汇总后统一通过总线上传到监控主机。并最终经总线上传到云平台。系统可按用户要求划分显示分区。各个控制分区可以设定不同的响应灵敏度及报警值。设备具备自检功能，能够对电气火灾监测主机故障、探测器故障进行报警，提供监测范围内剩余电流值的图文资料，提供完整的历史档案记录，随时查询系统的工作状态。一旦探测器检测到有剩余电流或泄漏电流，经科学计算、分析，若火灾发生风险高于预设值，探测器的报警信号会进行声、光报警。运营人员根据报警提示可快速、准确定位报警区域，核实并处理故障，这样可以起到火灾监测及防范的作用。电气火灾监控系统架构主要如图2 所示。

图2 电气火灾监控系统架构

2.3 线网级能源管理系统

能源管理系统通过分类、分项、分户计量，实现对各用能单位及用能设备进行实时计量，实时采集相关的能耗数据，为统计分析、用能诊断提供精确的数据支撑。当前，我国城市轨道交通能源管理系统基本依托于车站，每个车站设置车站级能源管理系统，车站级能源管理系统硬件构成如图3 所示。对于主要用电负荷：照明、广告照明、自动扶梯、电梯、环控负荷、AFC 设备、商铺、银行、民用通信等设多功能仪表单独计量，并通过通信口、总线上传到车站SCADA 系统。线路级能源管理系统主要设备仪器为数据服务器、Web 服务器、工作站等，此级各设备同云平台有直接连属关系，服务器上的各历史数据均会在云平台内自动记录、存储。线网级能源管理系统主要设备仪器为显示器、工作站，各设备均开通了与云平台间的数据通道。相关管理人员在线网级能源管理系统利用相关软件对数据进行进一步处理分析、诊断，结合云平台的数据处理、预测结果，对当前轨道交通用电情况进行综合、科学分析评估。通过搭建线网级能源管理系统，有利于收集各线路、各站中相关系统的电度参数，实现对现场监测点的实时计量、监测，在线统计分析等功能。也可用来检验采取各种节能措施后量的变化，根据量的变化情况来选择更节能的运行模式，使地铁建设和运营单位充分了解各种节能措施的实际效果，从具体数据中得到客观反映和评价，避免一些名为节能措施而实际效果不明显，却需要大量增加投资的行为。通过对节能数据的分析整理，找到各用能环节的真正问题和有效的节能途径。同时对旧的、不灵敏的计量仪器，及时更换、调整，以实现节能减排目标，提高经济效益。

图3 车站级能源管理系统硬件构成图

2.4 物联网智能照明系统

根据对城市轨道交通的用电负荷统计分析，轨道交通能耗主要分布在机车牵引、通风空调、电扶梯、照明及给排水等方面。其中照明用电占比为8%～12%，为地铁车站的用电“大户”，从照明方面开展节能工作是轨道交通设计工作的重点之一。物联网智能照明系统是基于无线通信、边缘计算、云平台和可视化等技术，针对传统照明系统存在的布置不灵活、操作较难、管理不统一等问题进行系统性改进；在此基础上实现设备的全生命周期管理；简化运维人员的培训，预先维修，降低运营成本，提高运营效果，节约能源，与传统的照明控制方式相比，可节约电能20%～30%。将云平台作为物联网智能照明系统的“大脑”，由云平台对照明用电数据进行存储、处理，科学分析车站各区域的用电情况，发出科学、合理的指令，以实现物联网智能照明系统的大部分功能。系统结构方面，物联网智能照明系统主要由云平台、传输层、物联网感知层这3 部分构成。其中云平台主要是对用电数据进行存储、处理、计算，根据处理、预测结果可适当发出适宜的指令。传输层主要包括交换机、网关、边缘计算器等设备，以满足数据、指令等信息的传输、交换。物联网感知层主要由各类传感器、智能模块、照明灯具等组成，为最末端设备。在系统设计中，可多冗余，加强模块化设计，在保障系统运行速度与稳定性的同时，增加系统功能，提升系统的智能化、自动化。

3 结语

综上所述，随着科学技术的发展，当前我国的云平台技术已较为成熟，已能提供较好的计算、网络和存储数据功能。在云平台基础上进行智能配电系统设计，在低压在线监测系统、电气火灾监控系统、线网级能源管理系统、物联网智能照明系统这4 种主要配电系统中，打通相关设备同云平台间的数据通道，能实现数据自动上传、存储、处理的功能目标。同时，在计算机网络、大数据、物联网、人工智能等技术支持下，将云平台融入低压在线监测系统、电气火灾监控系统设计中，能使系统检测到用电风险时，及时反馈有效指令，如断电、预警，且云平台的数据处理功能，利于系统的自动排故，结合各设备的出厂数据、维修数据和之前的运作数据进行综合评估，能有效维持系统健康运行，利于减少人力、物力方面的消耗。将云平台融入在线网级能源管理系统、物联网智能照明系统设计中，将云平台作为“大脑”，对轨道交通用电数据进行科学分析，及时调整改善用电情况，能有效实现节能减排目标，降低电能消耗，提升能源管理水平，促进我国能源的可持续发展。