淺談電能管理系統(tǒng)在智能軌道交通中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

安躍強(qiáng)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：城市軌道交通可以填補(bǔ)市民出行方式的空缺，它的運(yùn)行需要有持續(xù)的電能提供支持。為了給軌道交通營(yíng)造穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，迫切需要建立相應(yīng)的電能管理系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電能供給。在本文中，將對(duì)應(yīng)的電能管理系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，對(duì)其運(yùn)行機(jī)制做以解析，并提出針對(duì)性方案，以此增強(qiáng)電能管理系統(tǒng)的運(yùn)作效率。

關(guān)鍵詞：軌道交通；電能建設(shè)；質(zhì)量管理系統(tǒng)；評(píng)估機(jī)制

盡管各類交通方式穿梭于城市的各個(gè)街道，但當(dāng)屬軌道交通*為理想。在低碳環(huán)保的時(shí)代，它的地位尤為突出，不僅能夠顯著降低能耗，還擁有更強(qiáng)大的運(yùn)輸能力。這也警醒我們應(yīng)當(dāng)注重對(duì)軌道交通的建設(shè)，作為基礎(chǔ)動(dòng)力，電能是的一大因素，相關(guān)人員需要對(duì)電能進(jìn)行高質(zhì)管理，這是軌道交通得以運(yùn)作的前提。

1 研究現(xiàn)狀

整車的運(yùn)行需要從牽引機(jī)上獲得動(dòng)力，因此這也是用電比例*大的一個(gè)環(huán)節(jié)。此外，不同的氣候要求列車需要對(duì)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?qǐng)D1。

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(shí)長(zhǎng)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(dòng)，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(jì)算機(jī)，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)后，普通質(zhì)量的電能將難以適用。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

電能監(jiān)管系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)實(shí)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(chǎng)的FEP進(jìn)行采集，電能監(jiān)管系統(tǒng)服務(wù)端程序定時(shí)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?cái)?shù)據(jù)庫。各個(gè)車站和停車場(chǎng)的電能數(shù)據(jù)采集后，存儲(chǔ)在本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)同步到中央歷史數(shù)據(jù)庫。全線級(jí)別的統(tǒng)計(jì)、報(bào)表生成通過對(duì)中央歷史數(shù)據(jù)庫中的全線電能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)來實(shí)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(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)業(yè)規(guī)則生成報(bào)警和事件，并且把報(bào)警發(fā)送到MicsAlarmAgent模塊，事件發(fā)送到MicsDataAgent模塊。MicsAlarmAgent模塊負(fù)責(zé)把報(bào)警推送到工作站，把報(bào)警數(shù)據(jù)記錄到車站數(shù)據(jù)庫中。MicsDataAgent負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)點(diǎn)狀態(tài)事件推送到工作站，把事件和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)記錄到車站數(shù)據(jù)庫中。車站ISCS負(fù)責(zé)采集PSCADA的電能數(shù)據(jù)，記錄到車站數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)同步到中央歷史數(shù)據(jù)庫。

3 具體應(yīng)用

在以往的檢測(cè)模式中，檢測(cè)部門獲取到的信息需要經(jīng)過一定的時(shí)長(zhǎng)后，軌道管理部門才能接收到對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，這就意味著信息的傳輸存在明顯的滯后性。當(dāng)引入信息技術(shù)后，全新的管理系統(tǒng)可以將當(dāng)下獲取的數(shù)據(jù)第一時(shí)間傳送給軌道部門。此后相關(guān)人員能夠針對(duì)實(shí)時(shí)性的信息對(duì)整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，可以創(chuàng)造更穩(wěn)定的軌道交通運(yùn)行環(huán)境。

3.1電能質(zhì)量統(tǒng)計(jì)與分析

從功能層面探討，可將管理系統(tǒng)劃分為兩個(gè)層面：①監(jiān)測(cè)。此環(huán)節(jié)需要依賴于遠(yuǎn)程終端而進(jìn)行，對(duì)電能的評(píng)估可從兩方面考慮，一個(gè)是電壓，另一個(gè)則是電流，因此終端便要獲取以上兩方面的實(shí)時(shí)信號(hào)，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(yīng)的波形圖。顯然這是一個(gè)多環(huán)節(jié)相協(xié)調(diào)的過程，因此設(shè)計(jì)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(dāng)然，從細(xì)節(jié)上分析，遠(yuǎn)程監(jiān)控并非只是電壓與電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)這么簡(jiǎn)單，它具體涉及到諧波、頻率等各個(gè)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(zhǔn)，展開具體的分析。綜合衡量各項(xiàng)指標(biāo)，*終判斷出電能的具體情況，而后將所得結(jié)果在第一時(shí)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(yùn)作流程圖

數(shù)字技術(shù)的深度進(jìn)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(chǔ)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(shí)域分析方法，這是一種*為普遍的方法，它的環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單，運(yùn)作效率高，可直接對(duì)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(píng)估

從功能角度看，質(zhì)量管理系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象是電能，具體涉及到諧波、偏差等各個(gè)環(huán)節(jié)，通過對(duì)接入點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠在第一時(shí)間獲得相應(yīng)信息，并同步傳輸至用戶手中。綜合各類電能質(zhì)量評(píng)測(cè)案例可知，無外乎兩種方法：①對(duì)具有針對(duì)性地對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)展開分析；②對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行全面分析。

圖4 電能質(zhì)量評(píng)估環(huán)節(jié)

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

引入層次分析法，可以高效地對(duì)電能質(zhì)量展開評(píng)估。其具體流程為：選定所需測(cè)定的各項(xiàng)指標(biāo)，并逐一加以賦權(quán)，在此基礎(chǔ)上再引入模糊數(shù)學(xué)法，*終實(shí)現(xiàn)全面評(píng)估。同時(shí)，在權(quán)重的確定上，采用的是區(qū)間數(shù)逼近法，此時(shí)需要引入嫡權(quán)理論，它能獲得更理想的權(quán)重?cái)?shù)據(jù)，不受人為因素的干擾。在過去，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的采集過程中，市場(chǎng)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(píng)定結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確。

3.3智能化數(shù)據(jù)展示及預(yù)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(dòng)態(tài)性，無論是與電能質(zhì)量有關(guān)的各項(xiàng)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(shí)效性更加理想，同時(shí)數(shù)據(jù)展示更加直觀，對(duì)于軌道系統(tǒng)工作者而言，無需花費(fèi)大量的心思，只需根據(jù)所呈現(xiàn)的內(nèi)容便可對(duì)具體的電能情況做以深度了解。

系統(tǒng)采集設(shè)備狀態(tài)事件信息產(chǎn)生報(bào)警事件，報(bào)警信息包含通信故障、設(shè)備故障、2進(jìn)線失壓段相、2進(jìn)線相序錯(cuò)誤、過負(fù)荷報(bào)警、電流不平衡等信息。報(bào)警信息依據(jù)等級(jí)顯示不同顏色，不同等級(jí)的報(bào)警播放不同的報(bào)警聲。報(bào)警產(chǎn)生時(shí)報(bào)警欄顯示設(shè)備報(bào)警信息，報(bào)警關(guān)閉時(shí)報(bào)警欄刪除相應(yīng)報(bào)警。報(bào)警處理流程如圖5。

圖5

4安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

4.1概述

用戶端消耗著整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對(duì)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(wù)體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動(dòng)。用戶端急需解決的研究?jī)?nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、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(duì)用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，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(xiàng)用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場(chǎng)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(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動(dòng)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(hào)。

4.4.2電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表

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

4.4.3詳細(xì)電參量查詢

在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?，鼠?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)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(shí)相電流趨勢(shì)曲線及24小時(shí)電壓趨勢(shì)曲線。

4.4.4運(yùn)行報(bào)表

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能，所有實(shí)時(shí)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(shí)間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報(bào)表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

4.4.5變壓器運(yùn)行監(jiān)視

系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢(shì)，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

4.4.6實(shí)時(shí)報(bào)警

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)事件等級(jí)發(fā)出告警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報(bào)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(hù)動(dòng)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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

4.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖、報(bào)表掌握進(jìn)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(shí)采取相應(yīng)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(cè)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(duì)斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對(duì)于每次遙控操作，系統(tǒng)自動(dòng)生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測(cè)控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)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(yùn)行，設(shè)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）。可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、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(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.4.12視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫面（視頻直播），選中某一個(gè)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(bào)告

用戶報(bào)告頁面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4.4.14APP支持

電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“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(bào)警查詢，設(shè)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

5小結(jié)

某煤礦采用了電能管理系統(tǒng)的應(yīng)用使電能管理部門通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控電能使用情況及用能單位的能耗數(shù)據(jù)提高了企業(yè)電能管理的及時(shí)性、準(zhǔn)確性及電能利用效率科學(xué)地提高了峰谷比值。目前某礦用電峰谷比由應(yīng)用電能管理系統(tǒng)前的1:1:1提高到1:1:5，平均每月節(jié)約電費(fèi)50多萬元。

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審核編輯黃宇