淺談電能管理系統(tǒng)在智能軌道交通中的設計與應用

摘要：城市軌道交通可以填補市民出行方式的空缺，它的運行需要有持續(xù)的電能提供支持。為了給軌道交通營造穩(wěn)定的運行環(huán)境，迫切需要建立相應的電能管理系統(tǒng)，以此實現(xiàn)高質(zhì)量的電能供給。在本文中，將對應的電能管理系統(tǒng)作為基礎，對其運行機制做以解析，并提出針對性方案，以此增強電能管理系統(tǒng)的運作效率。

 

關(guān)鍵詞：軌道交通；電能建設；質(zhì)量管理系統(tǒng)；評估機制

 

       盡管各類交通方式穿梭于城市的各個街道，但當屬軌道交通*為理想。在低碳環(huán)保的時代，它的地位尤為突出，不僅能夠顯著降低能耗，還擁有更強大的運輸能力。這也警醒我們應當注重對軌道交通的建設，作為基礎動力，電能是重要的一大因素，相關(guān)人員需要對電能進行高質(zhì)管理，這是軌道交通得以運作的前提。

 

       整車的運行需要從牽引機上獲得動力，因此這也是用電比例*大的一個環(huán)節(jié)。此外，不同的氣候要求列車需要對溫度加以調(diào)整，因此空調(diào)系統(tǒng)緊隨其次。而后，諸如照明等環(huán)節(jié)也需要一定電量，但所占比例較少，具體可參照圖1。

圖1 軌道交通各內(nèi)部環(huán)節(jié)的能耗情況

       總的來說，電能的質(zhì)量不可能時長處于高質(zhì)水平，它受多方面的影響，具體如下：①由于列車用電存在特殊性，加之內(nèi)部元器件的影響，使得整體電流與電壓均出現(xiàn)波動，而二者又是電能質(zhì)量的因素，所以必將帶來電能質(zhì)量的下降；②列車內(nèi)部含有豐富的PLC，作為一種工業(yè)計算機，當電力系統(tǒng)出現(xiàn)波動后，普通質(zhì)量的電能將難以適用。

 

電能監(jiān)管系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)功能，EMS電能數(shù)據(jù)和BAS電能數(shù)據(jù)通過車站/停車場的FEP進行采集，電能監(jiān)管系統(tǒng)服務端程序定時輪詢FEP采集電能數(shù)據(jù)；PSCADA子系統(tǒng)的電能數(shù)據(jù)通過ISCS系統(tǒng)采集記錄到本地數(shù)據(jù)庫。各個車站和停車場的電能數(shù)據(jù)采集后，存儲在本地實時數(shù)據(jù)庫，實時同步到中央歷史數(shù)據(jù)庫。全線級別的統(tǒng)計、報表生成通過對中央歷史數(shù)據(jù)庫中的全線電能數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計來實現(xiàn)。電能監(jiān)管系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2

     車站的FEP從EMS和BAS子系統(tǒng)中采集電能數(shù)據(jù)。EmsAgent從FEP獲取到能數(shù)據(jù)后，傳送到MicsRdbAgent。MicsRdbAgent對電能數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)業(yè)規(guī)則生成報警和事件，并且把報警發(fā)送到MicsAlarmAgent模塊，事件發(fā)送到MicsDataAgent模塊。MicsAlarmAgent模塊負責把報警推送到工作站，把報警數(shù)據(jù)記錄到車站數(shù)據(jù)庫中。MicsDataAgent負責把數(shù)據(jù)點狀態(tài)事件推送到工作站，把事件和業(yè)務數(shù)據(jù)記錄到車站數(shù)據(jù)庫中。車站ISCS負責采集PSCADA的電能數(shù)據(jù)，記錄到車站數(shù)據(jù)庫，實時同步到中央歷史數(shù)據(jù)庫。

 

       在以往的檢測模式中，檢測部門獲取到的信息需要經(jīng)過一定的時長后，軌道管理部門才能接收到對應的內(nèi)容，這就意味著信息的傳輸存在明顯的滯后性。當引入信息技術(shù)后，全新的管理系統(tǒng)可以將當下獲取的數(shù)據(jù)第一時間傳送給軌道部門。此后相關(guān)人員能夠針對實時性的信息對整個運輸系統(tǒng)進行調(diào)控，可以創(chuàng)造更穩(wěn)定的軌道交通運行環(huán)境。

3.1電能質(zhì)量統(tǒng)計與分析

       從功能層面探討，可將管理系統(tǒng)劃分為兩個層面：①監(jiān)測。此環(huán)節(jié)需要依賴于遠程終端而進行，對電能的評估可從兩方面考慮，一個是電壓，另一個則是電流，因此終端便要獲取以上兩方面的實時信號，為了將其更直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，還能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化，*終形成相應的波形圖。顯然這是一個多環(huán)節(jié)相協(xié)調(diào)的過程，因此設計到的模塊自然不少，除了基本的采集模塊外，還需配有圖形處理、傳輸?shù)饶K。當然，從細節(jié)上分析，遠程監(jiān)控并非只是電壓與電流進行監(jiān)測這么簡單，它具體涉及到諧波、頻率等各個具體內(nèi)容。②分析。在得到上述信息后，系統(tǒng)能夠以此為基準，展開具體的分析。綜合衡量各項指標，*終判斷出電能的具體情況，而后將所得結(jié)果在第一時間傳送至用戶手中。

具體可參見圖3。

圖3 電能質(zhì)量系統(tǒng)運作流程圖

       數(shù)字技術(shù)的深度進步，為電能質(zhì)量分析工作創(chuàng)造了更多的可能。以此技術(shù)為基礎衍生出的方法多種多樣，具體可分為如下三種：

①頻域分析法，所涉及到的參量有頻率掃描以及混合諧波潮流等內(nèi)容；②時域分析方法，這是一種*為普遍的方法，它的環(huán)節(jié)簡單，運作效率高，可直接對波形展開分析，為用戶呈現(xiàn)直觀的結(jié)果；③以傅里葉變換為首的變換法。

3.2電能質(zhì)量評估

       從功能角度看，質(zhì)量管理系統(tǒng)的服務對象是電能，具體涉及到諧波、偏差等各個環(huán)節(jié)，通過對接入點進行監(jiān)測，能夠在第一時間獲得相應信息，并同步傳輸至用戶手中。綜合各類電能質(zhì)量評測案例可知，無外乎兩種方法：①對具有針對性地對單項指標展開分析；②對多項指標進行全面分析。

圖4 電能質(zhì)量評估環(huán)節(jié)

       以圖4為基礎，由上至下對各環(huán)節(jié)展開分析。在數(shù)據(jù)采集方面，需要借助遠程終端而實現(xiàn)，此時可獲取各類所需的指標，諸如諧波、偏差等，這是后續(xù)環(huán)節(jié)的基礎，對監(jiān)測的準確性提出了嚴苛的要求。接著將進行兩方面的分析，若對各項指標逐一分析，便可稱之為單向指標評估環(huán)節(jié)；此外，各項指標*終需要構(gòu)成整體，因此綜合性評估也不必可少，這便是綜合評估環(huán)節(jié)。*終，綜合兩個維度的評估環(huán)節(jié)，可以得出更為完善的評估結(jié)果，這便是評估結(jié)論環(huán)節(jié)。*終，以所得結(jié)論為基礎，綜合軌道交通系統(tǒng)的實際情況，制定出相應的策略，為運輸提供保障。

引入層次分析法，可以高效地對電能質(zhì)量展開評估。其具體流程為：選定所需測定的各項指標，并逐一加以賦權(quán)，在此基礎上再引入模糊數(shù)學法，*終實現(xiàn)全面評估。同時，在權(quán)重的確定上，采用的是區(qū)間數(shù)逼近法，此時需要引入嫡權(quán)理論，它能獲得更理想的權(quán)重數(shù)據(jù)，不受人為因素的干擾。在過去，對各項指標的采集過程中，市場伴有間斷現(xiàn)象的出現(xiàn)，而引入新方法后，可以獲得更理想的連續(xù)性，使得評定結(jié)果能夠更加準確。

3.3智能化數(shù)據(jù)展示及預警

       需要充分肯定的是，電能質(zhì)量管理系統(tǒng)具備優(yōu)良的動態(tài)性，無論是與電能質(zhì)量有關(guān)的各項參數(shù)，還是具體的能耗情況，都可在此系統(tǒng)作用下完好地呈現(xiàn)出來。它的時效性更加理想，同時數(shù)據(jù)展示更加直觀，對于軌道系統(tǒng)工作者而言，無需花費大量的心思，只需根據(jù)所呈現(xiàn)的內(nèi)容便可對具體的電能情況做以深度了解。

系統(tǒng)采集設備狀態(tài)事件信息產(chǎn)生報警事件，報警信息包含通信故障、設備故障、2進線失壓段相、2進線相序錯誤、過負荷報警、電流不平衡等信息。報警信息依據(jù)等級顯示不同顏色，不同等級的報警播放不同的報警聲。報警產(chǎn)生時報警欄顯示設備報警信息，報警關(guān)閉時報警欄刪除相應報警。報警處理流程如圖5。

圖5

 

4.1概述

       用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

       安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

4.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

4.4.1實時監(jiān)測

       系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

4.4.2電能統(tǒng)計報表

       系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

4.4.3詳細電參量查詢

       在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4.4.4運行報表

       系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導出PDF格式文件。

4.4.5變壓器運行監(jiān)視

       系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

4.4.6實時報警

       系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

4.4.7歷史事件查詢

       系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

4.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測

       系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

4.4.9遙控操作

       系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的密碼保護和操作權(quán)限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

4.4.10用戶權(quán)限管理

       系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.4.11通訊狀態(tài)圖

       系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.4.12視頻監(jiān)控

       視頻監(jiān)控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

4.4.13用戶報告

       用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

4.4.14APP支持

       電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

4.5系統(tǒng)硬件配置清單