基于云平臺的智能配電系統設計

賀麗

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010）

1 引言

在計算機、物聯網技術的支持下，低壓在線監測系統、電氣火災監控系統、線網級能源管理系統、物聯網智能照明系統均可開通與云平臺間的數據通道，而使云平臺對相關數據進行有效采集、存儲與處理。論文主要從基于云平臺的智能配電系統設計及以上4 個系統中的應用情況展開論述。

2 基于云平臺的智能配電系統設計

基于云平臺的智能配電系統設計，為滿足系統的自診斷、自恢復功能，維持系統的有效運行、提高運維效率和避免電氣火災的發生，可進行低壓在線監測系統設計和電氣火災監控系統設計，以保障用電安全。為監測能耗、監測電能質量、降低能源消耗，且能有效支持、滿足軌道交通正常運作的基本用電需求，可進行線網級能源管理系統設計和物聯網智能照明系統設計。本文主要就低壓在線監測系統、電氣火災監控系統、線網級能源管理系統、物聯網智能照明系統的設計情況展開論述[1]。

2.1 低壓在線監測系統

軌道交通供電系統由外部電源、主變電所、中壓供電網絡、牽引供電系統、低壓配電系統、電力監控系統、雜散電流防護系統、防雷和接地系統等部分組成。其中，牽引供電系統是通過牽引變電所對主變電所引來的35 kV 交流電進行降壓整流，使之變成1 500 V 直流電，再將1 500 V 直流電通過沿線架設的牽引網不間斷地供給運行中的電動列車，以保證電動列車的安全、可靠、快速運行，低壓配電系統是通過降壓變電所將35 kV 交流電降壓成380 V/220 V 交流電，向車站和區間隧道的各種動力、照明設備供電，保證各種車站設備的正常運行，給乘客提供一個安全舒適的乘車環境。牽引供電和低壓供電的可靠供應與維持，均會對地鐵的安全、可靠運營造成直接影響。因此，在智能配電系統設計過程中，采用低壓在線監測系統是大勢所趨。低壓在線監測系統如圖1 所示，本系統采用模塊化結構，智能元器件，集合多種功能，不僅實現了0.4 kV開關柜和環控柜內斷路器的主要元器件全生命周期的在線監測與故障報警，而且實現了整個供電系統其他主要設備的數據上傳與收集。通過帶電檢測、在線檢測、停電檢測軌道交通用電及相關低壓設備的運作情況，檢測、統計變電情況及設備的出廠數據、維修數據，以便于云平臺對軌道交通用電的變電、配電情況及用電狀態進行有效檢測、預測，從而進一步降低運維成本，提升用電安全。

圖1 低壓在線監測系統

2.2 電氣火災監控系統

電氣火災監控系統能對地鐵車站低壓柜饋線回路的剩余電流、饋線接頭過熱及母線過熱等所引起的火災進行實時、全面檢測，確保電氣設備正常有序地運行，避免或降低災害情況下造成的人員和財產損失。電氣火災監控系統由安裝在每個車站消防控制室的電氣火災監控主機、電氣火災監測設備、安裝在檢測對象上的組合式電氣火災探測器及現場總線、專用軟件等部分組成。組合式電氣火災探測器將測量的所有數據通過總線上傳到電氣火災監測設備，由電氣火災監測設備匯總后統一通過總線上傳到監控主機。并最終經總線上傳到云平臺。系統可按用戶要求劃分顯示分區。各個控制分區可以設定不同的響應靈敏度及報警值。設備具備自檢功能，能夠對電氣火災監測主機故障、探測器故障進行報警，提供監測范圍內剩余電流值的圖文資料，提供完整的歷史檔案記錄，隨時查詢系統的工作狀態。一旦探測器檢測到有剩余電流或泄漏電流，經科學計算、分析，若火災發生風險高于預設值，探測器的報警信號會進行聲、光報警。運營人員根據報警提示可快速、準確定位報警區域，核實并處理故障，這樣可以起到火災監測及防范的作用。電氣火災監控系統架構主要如圖2 所示。

圖2 電氣火災監控系統架構

2.3 線網級能源管理系統

能源管理系統通過分類、分項、分戶計量，實現對各用能單位及用能設備進行實時計量，實時采集相關的能耗數據，為統計分析、用能診斷提供精確的數據支撐。當前，我國城市軌道交通能源管理系統基本依托于車站，每個車站設置車站級能源管理系統，車站級能源管理系統硬件構成如圖3 所示。對于主要用電負荷：照明、廣告照明、自動扶梯、電梯、環控負荷、AFC 設備、商鋪、銀行、民用通信等設多功能儀表單獨計量，并通過通信口、總線上傳到車站SCADA 系統。線路級能源管理系統主要設備儀器為數據服務器、Web 服務器、工作站等，此級各設備同云平臺有直接連屬關系，服務器上的各歷史數據均會在云平臺內自動記錄、存儲。線網級能源管理系統主要設備儀器為顯示器、工作站，各設備均開通了與云平臺間的數據通道。相關管理人員在線網級能源管理系統利用相關軟件對數據進行進一步處理分析、診斷，結合云平臺的數據處理、預測結果，對當前軌道交通用電情況進行綜合、科學分析評估。通過搭建線網級能源管理系統，有利于收集各線路、各站中相關系統的電度參數，實現對現場監測點的實時計量、監測，在線統計分析等功能。也可用來檢驗采取各種節能措施后量的變化，根據量的變化情況來選擇更節能的運行模式，使地鐵建設和運營單位充分了解各種節能措施的實際效果，從具體數據中得到客觀反映和評價，避免一些名為節能措施而實際效果不明顯，卻需要大量增加投資的行為。通過對節能數據的分析整理，找到各用能環節的真正問題和有效的節能途徑。同時對舊的、不靈敏的計量儀器，及時更換、調整，以實現節能減排目標，提高經濟效益。

圖3 車站級能源管理系統硬件構成圖

2.4 物聯網智能照明系統

根據對城市軌道交通的用電負荷統計分析，軌道交通能耗主要分布在機車牽引、通風空調、電扶梯、照明及給排水等方面。其中照明用電占比為8%～12%，為地鐵車站的用電“大戶”，從照明方面開展節能工作是軌道交通設計工作的重點之一。物聯網智能照明系統是基于無線通信、邊緣計算、云平臺和可視化等技術，針對傳統照明系統存在的布置不靈活、操作較難、管理不統一等問題進行系統性改進；在此基礎上實現設備的全生命周期管理；簡化運維人員的培訓，預先維修，降低運營成本，提高運營效果，節約能源，與傳統的照明控制方式相比，可節約電能20%～30%。將云平臺作為物聯網智能照明系統的“大腦”，由云平臺對照明用電數據進行存儲、處理，科學分析車站各區域的用電情況，發出科學、合理的指令，以實現物聯網智能照明系統的大部分功能。系統結構方面，物聯網智能照明系統主要由云平臺、傳輸層、物聯網感知層這3 部分構成。其中云平臺主要是對用電數據進行存儲、處理、計算，根據處理、預測結果可適當發出適宜的指令。傳輸層主要包括交換機、網關、邊緣計算器等設備，以滿足數據、指令等信息的傳輸、交換。物聯網感知層主要由各類傳感器、智能模塊、照明燈具等組成，為最末端設備。在系統設計中，可多冗余，加強模塊化設計，在保障系統運行速度與穩定性的同時，增加系統功能，提升系統的智能化、自動化。

3 結語

綜上所述，隨著科學技術的發展，當前我國的云平臺技術已較為成熟，已能提供較好的計算、網絡和存儲數據功能。在云平臺基礎上進行智能配電系統設計，在低壓在線監測系統、電氣火災監控系統、線網級能源管理系統、物聯網智能照明系統這4 種主要配電系統中，打通相關設備同云平臺間的數據通道，能實現數據自動上傳、存儲、處理的功能目標。同時，在計算機網絡、大數據、物聯網、人工智能等技術支持下，將云平臺融入低壓在線監測系統、電氣火災監控系統設計中，能使系統檢測到用電風險時，及時反饋有效指令，如斷電、預警，且云平臺的數據處理功能，利于系統的自動排故，結合各設備的出廠數據、維修數據和之前的運作數據進行綜合評估，能有效維持系統健康運行，利于減少人力、物力方面的消耗。將云平臺融入在線網級能源管理系統、物聯網智能照明系統設計中，將云平臺作為“大腦”，對軌道交通用電數據進行科學分析，及時調整改善用電情況，能有效實現節能減排目標，降低電能消耗，提升能源管理水平，促進我國能源的可持續發展。