城市轨道交通供电线网调度自动化系统设计

蒋永兵 刘广欢 徐建

摘  要：轨道交通供电系统通过共享主变电站和换乘站间环网联络等建立起线与线间网络化关联，搭建了供电网络化的框架结构，为了达到调度指挥自动化体系与供电系统网络化适配的目的，结合国内轨道交通供电系统传统调度自动化系统建设经验、供电系统网络化对供电线网调度自动化系统需求，提出了供电线网调度自动化系统技术路线、监控范围和各线接入方案、总结架构及主要功能，得到供电线网调度自动化系统设计必要且具备可行性的结论。

关键词：城市轨道交通;供电系统;线网;调度自动化系统

中图分类号：TP273                  文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）16-0055-04

Design of Dispatching Automation System for Power Supply Line

Network of Urban Rail Transit

JIANG Yongbing， LIU Guanghuan， XU Jian

（China Railway Electrification Survey Design and Research Institute Co.， Ltd.， Tianjin  300250， China）

Abstract： The rail transit power supply system establishes a networked relationship between lines and lines by sharing the main substation and the ring network connection between the transfer stations， and builds the framework of the power supply network， in order to achieve the networking adaptation purpose of the dispatching command automation system and the power supply system， combined with the construction experience of traditional dispatch automation system of domestic rail transit power supply system and the demand of power supply network dispatching automation system for power supply system networking， The technical route， monitoring scope， access scheme of each line， summary architecture and main functions of power supply line network dispatching automation system are put forward， and the conclusion that the design of power supply line network dispatching automation system is necessary and feasible is obtained.

Keywords： urban rail transit; power supply system; wire network; dispatching automation system

0  引  言

隨着国内城市轨道交通行业的高速发展，截至2020年底，中国大陆地区共有45个城市开通城市轨道交通运营线路244条[1]。线网规模方面，已有22个城市轨道交通运营线网规模达到100公里以上，进入网络化运营阶段，23个城市在建线路长度超过100公里。城市轨道交通网络化发展背景下，通过共享主变电站、换乘站中压环网实现线间联络和支援越来越普遍，传统的按单条线路两级管理三级控制进行供电系统设备调度指挥在线网网络化发展背景下有必要进一步优化[2]，以提高供电系统调度指挥的安全性、可靠性，提高调度指挥特别是应急处置效率[3]。本文结合轨道交通网络化和智能化发展对供电调度自动化系统新需求，对供电线网调度自动化系统相关技术进行研究，提出了合理可行的技术方案，有利于推进轨道交通供电网络化和智能化进程。

1  供电系统网络化构建及系统运行方式

1.1  供电系统网络化构建

供电系统网络化的形成贯穿于规划、建设、运营三个阶段。在规划阶段，电力系统电网规划需体现供电系统网络化需求，为供电系统网络化的布局和落地提供有力支持。在建设阶段，通过共享主变电站、换乘站间中压环网联络建立起线与线间关联，搭建完成供电网络化的框架结构，并通过继电保护和自动化装置，支撑供电系统网络化。在运营阶段，根据单线需求及线间关系，统一调度，协调配合，实现供电系统运营网络化。

1.2  供电系统网络化系统运行方式

供电系统网络化运行主要有两种方式，一种是通过共享主变电站方式实现，另一种是通过换乘站中压环网联络线实现：

（1）共享主变电站。正常情况下，每座主变电站两路110 kV进线和各主变压器分列运行，负担各自对应的I段或II段负荷。在一路110 kV进线退出或一台主变压器退出情况下，由剩余110 kV进线或主变压器承担本主站供电范围内负荷[4]。

（2）换乘站中压环网联络。换乘站中压环网联络一可为相邻线路主站解列时支援供电，二可为相邻线路提供临时或应急电源。正常情况下环网联络开关打开，各线路中压环网各自由本工程主变电站供电，当一工程主变电站退出运行且其相鄰主变电站无法保证向末端供电分区供电时，由另一条线主变电站支援供电。

2  供电网络化对调度自动化系统需求

随着轨道交通供电系统网络化的发展，对供电系统调度自动化支撑能力提出了新要求：

（1）支撑线网供电系统全局监控。从空间上各线调度实时运行监控范围需要实现与本线关联线路和共享主变电站设备的监控或监视。从对象上除供电运行信息外，还需实现相关外部信息监视，如电缆隧道环境。

（2）支撑线网供电系统全局分析。需要供电调度能够对全网运行态势进行统一分析，高度协同合作，提升电力调度对互联互通轨道交通供电系统运行态势的全局感知能力。

（3）支撑线网供电系统全局防控。事故预想、预判、预控三方面，根据系统实时运行方式和设备状态模拟安全自动装置动作行为，提供辅助决策，进行事前管控。

（4）支撑线网供电系统全局计划决策。按需调整线间中压环网互联互通计划，促进资源全局共享，协调各线停电检修计划。

3  供电线网调度自动化系统方案研究

3.1  技术路线

供电线网调度自动化系统需要面向强互联大供电网络，基于物联网思维，综合运用云计算、大数据等先进技术及其理念[5]，以“物理分布、逻辑统一”为指导思想，将物理分布在轨道交通各条线路的电力监控系统，通过通信网络构成一套逻辑上统一的大调度自动化系统，突破传统的独立建设、独立使用模式的局限，统一为轨道交通线网电力监控调度指挥提供服务，构建供电更可靠、运行更安全、调度更便捷、信息更畅通、运维更高效的轨道交通供电系统。

3.2  监控范围和各线接入方案研究

3.2.1  供电线网调度自动化系统调度范围研究

供电线网调度自动化系统有只监控主变电站供电设备和监控线网所有供电设备两种方案。

供电线网调度自动化系统只监控主变电站供电设备时，供电线网调度自动化系统负责共享110 kV主变电站及线网其他主变电站的统一监控管理，监控范围为主变电站内所有开关及其他供电设备。各线路车站、场段等处设置的线路变电所由各线控制中心电调分别监控。供电线网调度自动化系统故障情况下，将监控权限下放给指定的线路控制中心。

本方案优点是可实现主变电站的统一集中监控，及与供电部门的协调配合;缺点是一个主变电站故障，倒闸作业时，需要供电线网和线路调度配合完成，影响应急处置效率，管理层级多，不利于发挥供电线网调度自动化系统分析决策、应急联动等功能。

供电线网调度自动化系统监控线网所有供电设备时，正常运行方式下，供电线网调度自动化系统负责共享主变电站及线网其他主变电站和各线路变电所所有供电设备的统一监控管理，监控范围为主变电站内所有开关及所内其他供电设备、车站变电所内各级交流及直流开关设备及所内其他供电设备。系统故障情况下，可将各主变电站及各线路车站变电所供电设备监控权限下放给事先指定的线路控制中心设备调度。

本方案优点是可实现线网供电系统设备统一全局调度，实现分析决策、应急联动、外部互联等扩展功能;缺点是集中监控，风险相对集中，需有完备的应急预案，如同时建设线网调度指挥灾备系统[6]，与既有运行管理模式差异较大，需管理制度和人员培训的同步优化。

供电系统不同线路间关联性强、网络化特征明显，从全局性、系统性角度综合考虑，供电线网调度自动化系统监控线网所有供电设备方案更优。

3.2.2  既有线路接入供电线网调度自动化系统方案研究

供电线网调度自动化系统一般都是在既有线网较大规模后才开始建设，既有线路如何接入是关键问题。

供电线网调度自动化系统一是可通过与既有电力监控或综合监控中央级接口实现线网调度。由于既有已开通线路电力监控中央级已经实现对全线供电设备的监控及管理功能，监控信息采集已经比较完整，因此通过既有电力监控中央级与供电线网调度自动化系统直接接口，并修改既有监控系统中央级软件，可实现新建调度自动化系统对既有线供电设备监控功能。

供电线网调度自动化系统二是可通过既有线站级变电所综合自动化系统直接接入线网调度。通过改造既有线路站级变电所综合自动化系统，直接接入供电线网调度自动化系统，正常运行时，线网调度指挥中心直接监控变电所设备。同时，各线路控制中心与线网调度指挥中心设置通信接口，当线网调度指挥中心与站级变电所综合自动化系统通信故障时，通过线路控制中心下发相关调度命令。

通过与既有电力监控中央级接口实现线网调度接口简单，对既有电力监控系统影响小，安全可靠性高，投资低，可实施性更好。

3.3  总体架构研究

3.3.1  运营管理模式

供电线网调度自动化系统作为各条线路供电设备的监控、协调、应急指挥中心，采用三级管理、三级控制的运营管理模式。供电线网调度指挥中心负责监控整个轨道交通供电线网，与各线控制中心保持联系，监视、协调所有线路的运营，具有统一监控、统一协调、指挥的职能。线路控制中心正常时负责监视本线路供电设备状态，在线网调度指挥中心监控权限下放到本控制中心时，可对本线供电设备进行监控[7]。车站、场段控制室管理本车站和场段内供电设备，可实现站级监控功能。供电线网调度自动化系统架构如图1所示。

3.3.2  系统架构

供电线网调度自动化系统由基础资源层、数据服务层、业务应用及展示层组成：

（1）基础资源层由数据接入层、网络层、平台层组成。数据接入层主要由110 kV和35 kV变电所内供电设备组成，网络层和平台层由城轨云平台提供，城轨云平台给供电线网调度自动化系统提供IaaS服务，提供计算、存储、网络等基础资源，供电线网调度自动化系统部署在城轨云安全生产网中。

（2）数据服务层包括数据存储、数据治理、数据分析和相关业务系统的信息采集、存储、转发等，给业务应用层提供数据支撑。

（3）业务应用及展示层为供电线网调度自动化系统提供信息化、智能化和智慧化应用服务。包括线网供电设备监控、调度指挥、应急指挥、运营绩效分析、线网大数据分析、线网运营管理评估、线网运营信息服务等。系统架构如图2所示。

4  供电线网调度自动化系统功能研究

4.1  基本功能

供电线网调度自动化系统具备调度自动化系统的基本功能，主要包括：

（1）线网供电调度监控功能。含数据采集及处理功能、控制与调节功能、监视功能、顺序控制功能、保护定值组投退及管理功能、统计功能、语音识别辅助调度功能、系统自愈功能（单线中压环网联络开关根据需要自动合闸、线间中压联络开关根据线间支援和负荷调整需要自动合闸）等。

（2）辅助监测功能。通过设备状态感知、远程巡视、智能分析等，实现对变电所内设备状态参数的测量、处理、存储、展示、分析和转发，实现对变电所内各类设备的自动预警、自动输出报表等功能，减少人员到现场巡视次数，及时发现设备隐患，节省检修时间，提高供电系统安全、稳定运行水平。具有线网能源级能源质量实时采集、处理、计量、存储、监测等功能，具备可视化展示功能，具备建立能耗评价指标体系功能。

（3）维修、仿真培训管理功能。具有线网供电系统设备维修、检修计划管理、运营施工作业管理等功能。线网运营仿真通过获取的线路主变电站、车站变电所土建信息、设备信息、告警信息、操作信息等作为支撑，从而实现线网系统的运营仿真。具体含培训仿真、线网故障模拟仿真等功能。

4.2  高级功能

供电线网调度自动化系统除具备调度自动化系统的基本功能外，在安全管理、数据建模、应急处置、辅助决策等方面还包括如下高级功能：

（1）供电运行安全管理功能。含系统防误功能、操作票管理功能、工作票管理功能等。

（2）线网建模及计算功能。通过全景数据建模、网络拓扑分析、状态估计等实现线网供电系统交直流混合潮流计算、各种故障情况下短路电流计算、电压无功优化分析、在线保护定值计算、在线故障诊断等功能。

（3）应急处置与协同指挥功能。具备供电系统故障应急处置功能，可通过制定线网供电应急处置方案，统筹跨线电力调度指挥。系统支持实时模式、历史模式、模拟模式等各种不同运行模式。系统具备外部事件应急协同指挥功能，包括接报、事件分级、预案调用、指令下达、信息报送、续警、评估等。

（4）辅助决策功能。1）运营评估：通过评估模型、方法和车站、线路、网络仿真环境的构建，实现以轨道交通供电系统运营风险评估和以轨道交通日常运营管理为重点的综合评估。主要包括供电设备能力评估、设备健康状态评估等。2）供电系统设备管理辅助决策：通过监视线网供电系统设施、设备的工作状态及参数，将其状态信息、故障信息、相关参数在系统设备间建立关联关系，从中挖掘设施、设备的隐患和预测其发展趋势。3）地理信息系统功能：地理信息系统应用主要功能包括：电子地图基础功能、应急资源查询和维护、线网主变电站和车站变电所及区间的录况支持、综合地图展示应用等功能。4）基于场景的调度辅助决策支持：供电线网调度自动化系统主要涉及的场景为：切除非主要设备供电、自动停送电、紧急停电作业、紧急支援供电等。5）运行驾驶舱功能。驾驶舱是智能化供电线网调度自动化系统的综合应用，以供电系统关键性能指标为主线，提供面向用户的KPI监视、预警、信息挖掘、决策分析和控制功能，为运行人员管理整个供电系统提供一个综合、直观、闭环的友好环境。

5  结  论

为了适应轨道交通网络化发展需求，轨道交通企业从安全監控、优化管理、提高效率的需求出发，适时建设供电线网调度自动化系统是必要且可行的。供电线网调度自动化系统构建了横向更融合、纵向更专业、管理更精益、技术更智能的设备调度、运维管理模式，提升了供电系统调度管理的安全性、可靠性。

参考文献：

[1] 中国城市轨道交通协会.城市轨道交通2020年度统计和分析报告 [R].北京：中国城市轨道交通协会，2020.

[2] 刘路鹏，钱雪军.地铁电力调度监控系统的仿真及其应用 [J].铁路计算机应用，2020，29（7）：62-66.

[3] 梁强升.城市轨道交通线网运营管理指挥中心建设与管理方案研究 [J].都市快轨交通，2020，33（1）：127-133+146.

[4] 孔清，赵武陇.城市轨道交通线网共享主变电所调度机制研究 [J].电气化铁道，2015（6）：58-60.

[5] 解凯，钱晓超.城市轨道交通线网指挥中心系统关键技术研究 [J].现代城市轨道交通，2018（6）：53-57.

[6] 中国城市轨道交通协会.城市轨道交通线网运营指挥中心系统技术规范：T/CAMET11006-2020 [S].北京：中国铁道出版社，2020.

[7] 北京市规划委员会.地铁设计规范：GB50157-2013 [S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

作者简介：蒋永兵（1982—），男，汉族，重庆大足人，高级工程师，本科，研究方向：轨道交通自动化系统;刘广欢（1990—），男，汉族，天津河东人，工程师，本科，研究方向：轨道交通供电系统;徐建（1976—），男，汉族，天津河东人，高级工程师，本科，研究方向：轨道交通自动化系统。