北京地铁亦庄线电能质量管理系统

盛蓉蓉

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063)

1 电能质量管理系统概述

1.1 应用背景

随着城市轨道交通的高速发展，地铁供电系统的结构越来越复杂，引进先进技术的同时出现了大量的非线性负荷和冲击性负荷，如整流设备、变频设备、大功率电力电子设备和电磁开关等，造成供电系统的电能质量(包括谐波、电压波动和闪变、不平衡度、功率因数等)的技术指标不同程度地超标。这些电能质量的问题对供电系统造成了不同程度的危害，严重时可能发生电气火灾，造成严重的经济损失。应用地铁电能质量管理系统，通过预测、诊断和验证电能质量问题，可避开存在的风险，使那些与电能质量问题相关的设备以更安全的方式运行。

1.2 设计原则

基于先进、开放、易于升级的系统平台，要求具有灵活、高性价比且支持多种通信方式的优点。计算机网络选用开放的体系结构，对集控站系统采用“即插即用”技术。在完成电能质量监测的基础上，可以使地铁运营部门迅速而准确地实时获得变电所内各种大型负荷设备运行的电能质量信息，完整地掌握全线低压400 V系统的电能质量状况，同时为低压400 V系统与中压10 kV系统集成提供良好结合的平台，及时发现和纠正整个地铁用电系统输变电运行的薄弱环节，实现电能质量监测分析的综合自动化管理。

2 亦庄线电能质量管理系统

2.1 系统构成

亦庄线地铁电能质量管理系统由间隔层、子站采集层、通信层和主站监控层构成(见图1)，每个变电所对一个子站进行管理。

图1 电能质量管理系统结构

1)间隔层由高压10 kV系统现场仪表及低压400 V现场仪表构成，统一设置在高低压开关柜内，对每座变电所各条负荷线路的电能质量数据进行实时采集。

2)子站采集层包含了前置处理器、以太网交换机、工控机等，这些设备均设置在变电所控制室的电能屏内。由工控机实时轮询、采集现场仪表的各种参数，经过数据处理后存储在子站系统的数据库中，所有数据经过通信层上传给后台监控中心，对变电所内的各个负荷回路进行统一监控、管理。

3)通信层为通信系统提供10 Mb/s带宽的专用通信通道，将数据最终上传到监控中心主站服务器，专用的通信通道保证了系统数据能实时可靠地上传。

4)主站监控层包含了3层交换机、操作员工作站、Web服务器等，均设置于车辆段临时控制中心的电能屏内。该层负责收集每个子站(每个变电所为一个子站)的数据，并且通过系统软件进行统一的处理和统计分析，对全线供电系统实施集中、全面、实时的远程监测，将每个子站的供电质量、事故报警、电能分配等情况及时、准确地反映到系统中并显示出来，对全线子站实行同步管理。

2.2 系统功能

根据北京地铁运营公司对电能质量数据的需求，亦庄线电能质量管理系统构建了分布式电能质量数据服务平台。在电能质量数据服务平台上，完成了电能质量监测、数据分析、电能分类统计等功能;可以实时查询:仪表三相电流、电压，三相功率因数、频率，三相有功、无功、视在功率，电压电流不平衡度，短时闪变，电压偏差越限，电压闪变越限，电压谐波含有率越限，谐波电流越限，不平衡度越限，频率越限等。

1)系统具有电能分类统计功能，可按照地铁运营公司的要求，生成电压电流报表、电压偏差报表、电压电流各序分量报表、谐波电压含有率报表、谐波电流报表、电压总谐波畸变率报表、频率及三相不平衡度报表、各相功率报表、功率因数报表、电压闪变报表，也可以实时动态地生成分时分线电量统计报表;对于电能质量，按照国标要求，统计电能质量参数的95%概率大值、最大值、最小值等，能任意时段进行统计，方便地实现分日统计、周统计、月统计、季度统计、年统计。通过报表数据，可以对各项指标作详细分析，为地铁运行提供技术参考。

2)在线路进入动态或暂态过程中，在线式电能质量采集终端将捕捉电压骤升骤降等现象，对被监测参数启动高分辨率波形数据记录，录波数据以文件形式按照事件的起始时间保存，通过通信网络，定时将寄存器中的监测数据下载保存于主站服务器数据库中，后台软件提供丰富的图形化数据分析功能。同时，可依据用户需要开放相关数据接口，便于与其他分析系统实现数据共享。

3)电能质量管理系统通过实时数据的读取，可以使调度等部门迅速而准确地获得变电所内各种大型负荷设备运行的电能质量实时信息，完整地掌握整个系统的电能质量状况，及时发现和纠正输变电运行的薄弱环节，实现电能质量监测分析的综合自动化管理。

2.3 仪表设置

1)10 kV电能管理子系统:在牵引变电所的整流变压器馈线、动力变压器馈线侧及开闭所外电源进线处，安装了SHARK 200电能表。

2)400 V低压电能管理子系统:在低压柜的非线性负荷出线处，如照明母线、环控大负荷、UPS电源等馈线回路的馈出开关处，安装了WEM100数字电能表。

3 电能质量管理系统通信方式

3.1 变电所内通信模式

变电所所内的通信模式如图2所示。所内通信模式取决于现场仪表，10 kV系统的SHARK 200电能表支持以太网通信方式，电能质量数据通过SHARK 200电能表自带的以太网口，接入变电所电能监测屏的以太网交换机，400 V系统的WEM100数字电能表仅支持RS485通信方式，电能质量数据通过WEM100数字电能表自带的RS485通信口，接入变电所电能监测屏的子站前置机内。前置机经过数据处理后，将数据传输至以太网交换机。通过以太网交换机，最终将所有数据打包上传至控制中心。

图2 电能质量管理所内通信方式

3.2 全线通信方式

电能质量管理系统单独组网，由通信系统单独提供带宽为10 Mb/s的通信通道，以变电所为单位直接接入通信网络，如图3所示。通信系统与变电所的接口，位于变电所内电能屏的以太网交换机网口。

图3 电能质量管理系统全线通信方式

所内由一台工控机完成本站所有仪表数据的采集，通过通信网把数据传输到控制中心专设的电能质量系统的交换机。独立组网避免了在传输过程中可能存在的数据丢失，以及对变电所自身网络可能造成的安全隐患，同时可完全实现系统要求的各项电能质量指标数据的实时采集。

4 地铁电能质量管理系统发展趋势

4.1 应用情况

目前，北京地铁部分线路(如亦庄线、大兴线等)已率先采用了地铁电能质量管理系统。该系统作为一个综合信息平台，在完成电能质量管理的基础上，可以使调度等部门迅速而准确地获得变电所内各种大型负荷设备运行的电能质量实时信息，完整地掌握整个系统的电能质量运行状况，及时发现和纠正输变电运行的薄弱环节，实现电能质量监测分析的综合自动化管理。

4.2 发展趋势

随着我国电力市场的建立和逐步完善，供用电双方对电能的质量要求日益提高，有关供电局已开始着手建造电能质量监控网络，以保证电力系统优化运行和安全运行。对于日益发展的轨道交通行业，地铁运营对供电系统的管理应不断提高，对供电质量和用电监察要高度重视;通过设置电能质量管理系统，可以解决地铁内部各用电设备存在的电能质量问题，满足供电部门日趋严格的用户用电要求。

［1］张起殿.地铁电能量管理系统［J］.电气时代，2010(6):90-93.

［2］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［3］宋剑伟.地铁用电设备节能措施探讨［J］.都市快轨交通，2006，19(2):76-80.

［4］李珞新，余建华.用电管理手册［S］.北京:中国电力出版社，2006:16-74.

［5］杜永平，袁桂东.电能质量及其综合管理［J］.安徽电力，2006，23(1):70-74.

［6］GB/T 50062—2008电力装置的继电保护和自动装置设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［7］北京市轨道交通建设管理有限公司.亦庄线电能质量管理系统用户需求书［G］.北京，2010.