電能質量管理系統在地鐵變電所的應用

沈大偉

（中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，杭州310004）

1 引言

地鐵的供電系統伴隨軌道交通的快速發展變得日趨復雜，雖然引進了先進的技術，但同時也導致大量問題的出現。電能質量引發的問題會對供電系統產生程度不一的危害，甚至導致火災，致使經濟損失嚴重。地鐵變電所采用的電能質量系統，經過對電能質量問題的預測、判定與核驗，有助于及時地規避風險，促進地鐵變電所的運行更加安全。

2 電能質量管理系統概述

以往地鐵變電所對電力的監控范圍是：有功及其功率、無功及其功率、進線及出線電流、母聯電流、零序電流、母線電壓；配電變壓器一次電流、整流機組一次電流、有功及電能表、有功功率；回流電流、饋線電流；負極回流電流；整流器溫度值、變電所交直流電、側母線電壓、進線電流、變壓器溫度；鋼軌對地點位等數據進行測量【1】。傳統觀點認同電力監控系統已符合電能質量的需求。

近年來，人們逐漸認識到電能質量異常對供電系統產生的負面影響。為對電能質量數據準確、高效、實時地獲取，進而通過分析數據提出優化電能質量的舉措，目前國內新修建的地鐵大部分均采用單獨電能質量管理系統，對故障錄波、低壓網絡、地鐵電流系統、網絡等電能質量信息進行收集與分析。統一管理車站內非電量設施，如電量消耗較大的冷水機、空調等，發揮管理系統優勢，提高電能的使用效率。

電能質量管理系統是基于易升級、開放、先進為一體的系統平臺，有著能夠支持多種通信方式、性價比高、靈活等優勢。其以開放的計算機網絡為主，并將即插即用技術有效地應用于集控站系統之中。該系統可以實現對電能質量實時監測，同時，還能讓地鐵運營部門準確、及時地掌握變電所內各個大型負荷設備運行過程中的電能質量信息，并對地鐵用電系統輸變電運行中存在的薄弱環節進行有效的糾正及處理，更好地實現自動化電能質量監測分析管理。

3 地鐵變電所獨立系統分析

電能質量管理系統組成有2種計劃。計劃一：電能質量的管理系統測量到的數據與電力監控系統存在重合部分，因此集成統一的人電監控系統，是電力監控的次級系統；計劃二：獨立的監控系統【2】。2個方案的異同如表1所示。

表1 計劃比較

依照表1內容的對比，在數據的實時性和安全信2個方面，調度系統的標準非常嚴格，因此要求該系統結構緊湊、簡約，然而功能的繁多必將使得系統較為復雜，故功能龐大且內容全面的設計不適用電力監控系統，所以，電能質量的管理系統采用獨立系統，此方案也經歷了實際的考驗。同時，不排除電力監控系統在采用協議通信后，可提升整個網絡的實時性和安全性，從而有望將電力監管系統融入到電能質量管理系統中。

4 地鐵變電所中電能質量管理系統的組成

4.1 電能質量管理系統的線路和系統

此系統往往設置在大樓內，采用以太網絡，采用的通信是TCP/IP，其采用物理星型的網絡類型，并且其具備雙網切換使用形式，可實現網絡的自由更換。經過冗余服務器完成全線信息處理。重要的設備包含網絡設施、UPS、工程師站、打印機、計量機和數據庫的服務器進行檢測。

4.2 電能質量管理系統車站

無論是車站、車場的變電所還是主變電所均使用1套管理系統，實現對監控范圍內數據信息的檢測。其采用集中、分層分布式和分散結合的形式，內部通信采用以太網或者工業總線。變電所綜合系統及系統物理網絡相互隔離，分別配置。間隔層內的智能電能表使用總線方式連接，同時單獨連接到間隔層的服務器，以太網是實現服務器連接電能量采集器的橋梁，并且電能量采集器通常的配置都是單機類型【3】。在采集器出現問題時，發出異常信號，控制中心電能質量系統接收到信號后，及時派專人進行維修。

4.3 網絡通信層

網絡通信層是實現線路系統和車站相連的橋梁，考慮線路系統和車站組網方式，優選通信系統，采用100M的以太網實現通信的共享，同時可作為車站與控制中心的信息渠道。有效提高網絡通道的傳輸效率，不僅可以傳輸電能數據，同時還可以實現其他維護數據的傳輸，其中包含：UPS監控數據、所有變電所的故障數據、所有變電所的電流數據等。

5 地鐵變電所電能質量管理系統的應用

5.1 能源消耗管理

地鐵的能源消耗管理包含對能源的控制、分析和監視，進而有效減少線路與車站的能源消耗，同時將能源數據變成有價值的數據信息，從而有利于分析能源的利用率。

5.2 主要能耗分布及負荷特性

電能監控儀表用于對電力能源消耗狀況進行測定和記錄，將收集到的信息匯總并存儲于數據庫內。用戶可確定負載的系數及設備的能耗，包括照明、線路、電梯、扶梯、空調組、通風機、冷水機、變壓器、弱電系統等設備。

5.3 成本分配

將能源成本合理地分配到所有的設備、線路和車站，同時還可以形成資費的報表。

5.4 電能質量控制和報警

經過對系統及站點中的電能質量進行測定，發掘存在的電能質量問題，如電壓偏移和諧波等。同時，其還可以對異常能源消耗和系統越線情況發出警報，采用手機信息、工作站、Email、PDA等形式告知工作人員，有利于降低能源成本、提升生產效率、減少設備錯誤動作、合理規劃配電系統，同時還可提供系統的能源視圖。

5.5 節能舉措與優化設施

經過對能源數據收集及分析設備的狀態，得出節能空間較大的部分和設備實際效果并評估所有節能舉措，如空調與制冷、照明控制、再生能源利用、通風、諧波治理等。經過管理系統的實時數據顯示，可完成遠程監控電氣的運行情況，同時形成基礎的電氣數據、THD總諧波變化率、電能消耗等分析表。通過管理系統軟件獲取的信息對電能消耗狀況、負荷曲線走勢及系統裕量等進行分析，從而提升設備的使用效率。分部門、季節和時段統計全年的電能消耗情況，形成報表，采用Excel形式進行存儲并生成相應的柱狀圖或者曲線圖，以便分析數據。

5.6 相關數據分析

考慮地鐵狀況及其他情況信息，如天氣變化、客運量、車站占地面積等數據，分別采用縱向和橫向的方式進行能耗數據對比，深度處理能源數據信息，將能源數據作為運營公司的經濟與財務指標。實現地鐵能耗數據的實時顯示，并將其進行保存，經過長時間的數據統計比對，可將各個線路的能耗做月比對或者季度比對，便于進一步的分析。

5.7 效益分析

電能質量管理系統應用在地鐵變電所可獲得的效益具體如下：

1）經濟效益方面。一條地鐵的線路電能質量管理系統的成本大概是500萬～700萬元，結合過往的運營經驗，去除電能質量因素對設施損耗不計，因功率因數不合格而需繳納的罰款達到幾十萬元甚至是上百萬元不等。然而，電能質量管理系統的使用期限通常是20a以上。因此，從技術和經濟方面出發，電能質量管理系統是必須設置的。

2）社會效益方面。電能質量管理系統能根據計量架構中的分類，實現對地鐵能耗的定量分析，并通過系統中能耗報表統計、電能能耗及質量數據分析、歷史電能趨勢查詢、實時電能趨勢分析、設備狀態報警、實時監管展示界面等功能，實現對地鐵變電所電能質量的有效管理，為地鐵節能工作打下良好的基礎。

6 結語

地鐵變電所使用電能質量管理系統，并將其大量應用于新建線路的設計中，不僅可符合自身供電系統的質量要求，同時也符合電力部門的嚴格標準。進一步完善電能質量的管理系統，有利于更好地管理地鐵變電所系統中的電能。就目前軌道交通行業的發展情況來看，要不斷提高對其供電系統管理力度，并加大用電監察及供電質量重視程度，利用電能質量管理系統，及時發現并解決地鐵內部用電設備所存在的質量問題，讓用戶用電需求得到更好的滿足。