基于智能低压配电系统的地铁配电电能管理系统

宋新启

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，300251，天津∥工程师)

1 地铁配电系统

地铁低压配电系统是地铁供电网络中重要的服务系统，承担了除为电动车组供电以外所有低压负荷提供电能的重要任务，保证所有动力照明设备配电的安全、可靠、有效、经济。地铁的设备系统较多，其中环控系统是低压配电中的“用电大户”，一般地下车站环控系统的设备用电容量占整个地铁配电系统中所有设备容量的一半左右。

根据车站规模及设备分布，在一般换乘站、带折返线的车站以及车站长度超过200 m的较大规模车站，由于其负荷容量较大，供电距离较长，采用设置两座降压变电所的方案较为合理;而车站长度低于200 m的一般规模车站，在节约投资的前提下，采用设置一座降压变电所的方案即可满足供电。

车站配电主要根据负荷的分布情况划分不同的供电区域，分为由降压变电所直供和经风机环控电控室供电两种形式。通常在靠近环控机房旁设环控电控室，负责环控设备的供电。环控电控室电源引自车站降压变电所。环控电控室为单母线分段运行，即母线Ⅰ、母线 Ⅱ 两段母线不设分段开关(仅深圳地铁、广州地铁的部分到环控电控室的两段母线设分段开关)。

2 智能配电系统的构成

智能型低压配电系统较常见的结构为三级结构。从结构上看，整个智能型低压配电系统主要由3部分组成:①主计算机，用来实现对配电和控制设备以及智能型元器件进行监控、保护和通信控制。主计算机可以是PC机、已存在的计算机系统、PLC(可编程逻辑控制器)或离散控制系统。②通信网络，主要含主机接口、子网络监控器及网卡。主计算机通过主机接口对整个通信网络实施控制，子网络监控器是二级网的控制器。在比较大的配电系统中，采用子网络监控器可以大大提高主计算机对整个配电系统的访问速度，提高实际监控的能力。③智能型低压配电和控制设备，也就是采用了带有通信接口的智能型控制器或智能型电器元件的低压配电和控制设备。

3 地铁车站智能低压系统

从地铁的实际运营管理经验来看，负责运营维护的供电车间对降压变电所低压部分除进线断路器、母联断路器、三级负荷总开关以外的其他馈线回路无法进行远程监视，无法实时掌握其电气元件的工作状态。因此，传统的低压系统维护工作量很大，增加了运营维护人员的现场巡检工作;同时，因其设备多采用接触器和继电器控制，所以，现场的元器件较多，系统的可靠性也较差。目前由于智能低压元件技术的快速发展，针对电动机综合保护、测量、监控的电动机保护控制器也得到了全面的发展和应用，智能化数字仪表也由单一的测量显示元件发展为带I/O模块及通信模块的综合智能元件。因此，智能低压系统更容易实现对电动机的各种保护，如堵转、过载、定/反时限热保护、缺相/相不平衡、接地、欠载、过电压、欠电压、装置故障报警等，同时，还可实现各种电动机不同的启动控制方式，包括软启动、直接启动、正反转控制、星/三角启动、双速控制等，并可以实现对所有供配电回路的测量、计量、监视、故障分析、故障报警和预报警的功能。由于系统功能的提高和控制接线的简化，提高了系统的可靠性和自动化程度，大大缩短了系统的安装调试时间。地铁车站智能低压系统包括两个部分，即降压变电所低压部分和环控电控低压部分。

3.1 降压变电所低压部分的智能系统

降压变电所智能低压系统在实现进线断路器、母联断路器、三级负荷总开关的遥测、遥控、遥信的基础上，同时实现了对所有馈出回路的遥测、遥信。智能系统由以太网网关、智能开关、PLC、智能化数字仪表等组成，进线断路器、母联断路器、三级负荷总开关的遥控由断路器本体实现，其他馈线回路的遥测、遥信由智能化数字仪表实现，变电所备用电源的自投自复监控通过PLC实现。图1为降压变电所智能低压系统图。杭州地铁1号线、深圳地铁2号线、南京地铁2号线等地铁线路降压变电所低压部分智能系统采用了该方式。

3.2 环控电控低压部分的智能系统

环控电控智能低压系统在实现配有软启动和变频器的电机回路的综合保护、测量、监控的基础上，同时实现对所有馈出回路的综合保护、测量、监控。图2为环控电控智能低压系统图。

由图2可知，环控电控低压部分对电动机进行综合保护。环控电控低压设置有独立的通信控制器，采集通风空调设备的信息，并将采集到的数据进行调整归纳、整理、计算后，实时刷新上传至BAS(机电设备自动控制系统)的主PLC，同时根据BAS的主PLC下达的通风模式，实施控制。尤其是在火灾状况下，车站BAS根据FAS(火灾自动报警系统)命令执行各类环控设备火灾运行模式，并将此命令下发至环控柜智能低压系统。北京地铁6、9、10号线，广州地铁3、4号线，上海轨道交通7、8号线，深圳地铁2号线等地铁线路的环控电控低压部分智能系统采用了该方式。

4 地铁配电系统电能管理

地铁电能管理系统的主要功能包括系统运行实时监视、电能质量监视、高精度电能计量、电能消耗统计和分析、远程控制和操作记录、事件报警和记录、数据采集和历史数据管理、各种报表打印和电能管理等(如图3所示)。

1)能源消耗管理:包括能源监视、分析以及控制能源使用。通过能源消耗管理，降低每个车站和线路能源整体的使用成本，同时将能源数据升华为有价值的信息，用于掌握和分析各个部分的能源使用情况。

2)关键能耗负载分布和能耗负荷特性分析:用于测定和记录来自分布式电能监视仪表和其他能源仪表在每个电力需用时段的能源使用数据，并将这些数据保存在一个集中的数据库中。因此，用户可以立即确定负载系数、最高要求负荷周期，以及与之相关的设备的能耗，包括线路、变压器、空调机组及通风机组、照明、电梯/自动扶梯和弱电系统等。

图3 地铁配电系统能量管理图

3)成本分摊:将能源成本分摊到每个设备、车站或线路，也可使用多种应用生成分析和校验能源清单以及资费所需的报表。

4)电能质量控制和报警:通过测定系统和站点的电能质量，发现一些潜在电能质量危害，例如谐波、电压偏移以及配电系统的事件等。此外，还用于捕捉系统的越限情况和能源消耗异常，发出报警信息，并通过邮件、手机短信、PDA(个人数字助理)和工作站等多种形式通知相关工作人员，有助于减少设备误动作，降低能源成本，帮助配电系统规划，提高生产效率以及提供系统性的能源整体视图。

5)节能措施和设备的优化:通过能源数据的收集和设备状态的分析，发现节能空间比较大的领域，评估各项节能措施和设备的实际效果，包括再生制动能量利用、谐波治理、照明控制、通风及空调制冷等。通过地铁电能管理系统的实时参数显示功能，可实现关键配电回路电气运行状况的远方监视，同时生成基本电气参数、电能消耗、分时计量及THD(总谐波畸变率)等各种运行分析报表。通过地铁电能管理系统软件采集的数据可以分析历史负荷曲线、电能消耗和系统裕量，提高系统或设备的使用效率。对全年的电能消耗进行分时段、分季节和分部门的统计分析，生成的报表可以MicrosoftExcel文件格式存储，且自动生成曲线或柱状图，方便用户导出或形成报告。

5 结语

通过地铁车站智能低压系统以便于测量并统计车站各设备的用电信息，而地铁配电管理系统则通过网络集中管理并控制各设备的用电信息，实现对能源消耗的有效管理。地铁配电管理系统是一个全线性的或者是整个城市轨道交通系统的配电电能管理系统，同时也是构建覆盖电能、燃气、自来水等能源监控系统的组成部分之一。地铁在满足公共交通功能需求的同时，应按照合理用能的原则，加强节能管理和能耗控制，提高能源利用效率，降低运营成本。

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［5］ GB 50157—2003地铁设计规范［S］.