城市轨道交通智能供电系统框架及功能设计

何 斌，张华志，温建民，王开康

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 引言

目前，城市轨道交通凭借其大运量、快速度、高可靠性、节能环保等优点，成为我国城市交通运输体系的重要组成部分。城市轨道交通供电系统作为保证城市轨道交通正常运行的重要系统，不仅为电动列车提供牵引用电，还为其他运营服务设施（如照明、通风、空调、给排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等系统）提供电能，应具备安全可靠、技术先进、绿色低碳等特点。

城市轨道交通供电系统是一个多输入、多输出、非线性时变的复杂结构，涉及的设备众多，其运营维护目前面临着诸多问题：现有故障检测和分析手段不够智能，难以对设备健康状况进行评估，无法预判故障；故障发生后，故障诊断和原因分析耗时较长，易引发较长时间的停电、停运；日常维修通常采用计划修模式，难以避免对大量健康状态良好的设备进行维修、更换，导致大量人力、物力、财力的浪费，增加运营成本；能源管理以监测为主，缺少有效的调节控制手段，导致设备长期处于高能耗、低效率的运行状态[1]。

为解决上述问题、落实国家双碳战略、顺应《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》要求、实现城市轨道交通的绿色低碳运行，将先进的测量、传感、控制、通信、信息、人工智能等技术应用到供电系统中，打造城市轨道交通智能供电系统，十分必要[2-3]。

2 城市轨道交通供电系统概述

城市轨道交通供电系统由主变电所（分散供电时为开闭所）、中压网络、牵引降压混合变电所、降压变电所、牵引网、电力监控及其辅助监控系统（如能源管理系统、杂散电流监测系统、可视化接地监控系统等）组成[4]。

其中，主变电所负责将高压110 kV电源降压为35/10 kV电源，再通过中压网络将降压后的中压电源输送到沿线各站的变电所，由变电所将中压电源降压（或降压整流）为车辆、机电设备适用的低压电源，并通过牵引网输送给沿线运行的车辆。电力监控及其辅助监控系统负责对各供电设备进行监控、调度和管理，以保证供电系统的正常运行。

3 智能供电系统定义及功能需求

3.1 定义

目前，城市轨道交通供电系统的智能化处于探索阶段，尚无成熟的定义、标准体系和架构要求。本文根据城市轨道交通智能供电系统的服务对象、功能需求等，参考相关领域对智能电网（供电）的定义，结合现代技术的发展，将其定义为：运用先进的传感、测试、信息、通信、计算机、控制、大数据、物联网、人工智能等技术，具有全息感知、信息交互、自愈重构、快速响应、节能控制、智慧运维等功能，提供更加可靠、安全、经济电力供应的城市轨道交通电力系统[5-6]。

3.2 功能需求

城市轨道交通智能供电系统的功能需求涵盖全息感知、信息交互、自愈重构、快速响应、节能控制、智慧运维6个方面，如图1所示。

图1 智能供电系统功能要求

（1）全息感知。通过先进的传感器、视频采集器等对供电设备进行实时、全方位的的信息反映，是智能供电系统的信息来源和数据基础，包括对变压器、开关柜、电缆、整流器、接触网等设备的温度、位移、振动、局部放电、噪声等信息的全方位感知[7]。

（2）信息交互。通过先进的信息、通信技术实现设备、系统、线路之间的信息交换和相互驱动；采用统一的通信协议，构建实时的传输网络，实现信息的数字化、通信平台的网络化、信息共享的标准化。

（3）自愈重构。通过全息感知、信息交互、人工智能等技术，对故障进行识别和定位，并采取相应的故障自愈重组策略，通过一系列作业实现故障点隔离、自愈重组、自动恢复供电运行等[8]。

（4）快速响应。通过全息感知、信息交互、自愈重构等技术，实现供电系统对紧急情况的快速反应，以缩短停电时间，提高服务水平。

（5）节能控制。通过全息感知、信息交互、人工智能等技术，对电、水、气等能源消耗进行管理和数据分析；基于客流、环境关联分析，通过智能化的控制策略，实现对机电设备的智能化节能控制。

（6）智慧运维。通过全息感知、信息交互、人工智能、视频巡检等技术，实现供电系统设备运行状态的可视化，以及运营维护、故障处理、应急管理的智能化，有效控制风险，显著降低运维成本。

4 智能供电系统设计

4.1 系统框架

通过上述对城市轨道交通智能供电系统定义和功能需求的分析，本文根据城市轨道交通供电专业的特点、管理体制和分工，将城市轨道交通智能供电系统按功能分为智能供电设备、智能供电调度、智能能源管理和智能供电运维4大模块[9]，如图2所示。

图2 城市轨道交通智能供电系统框架

（1）智能供电设备模块。该模块由城市轨道交通变电所的智能开关设备（AC110kV气体绝缘组合电气设备（GIS）、AC35kV开关柜、DC1500V开关柜、AC0.4kV开关柜等）、变压器（110/35 kV主变压器、干式配电变压器、接地变压器、整流变压器、双向变流升压变压器等）、蓄电池、变流及其他直流设备（整流器、双向变流器、负极柜、钢轨电位限制装置等）、牵引网（接触网/轨、钢轨等）、电缆及附属材料（电缆、电缆头）等组成。各智能供电设备分别由设备本体、集成于本体设备的传感器和必要的智能组件构成。

（2）智能供电调度模块。该模块为基于IEC 61850通信协议的智能供电监控系统，包括智能变电站站级监控系统和中央级监控系统2部分。

（3）智能能源管理模块。该模块由智能能源监控系统、分布式能源及并网管理系统组成。

（4）智能供电运维模块。该模块由供电设备状态监测系统、供电设备健康管理系统、供电生产管理系统、供电辅助监控系统、供电设备资产管理系统、供电专家分析系统、培训系统等组成。

4.2 功能设计

本节将根据上述确定的系统框架，对各模块的具体功能进行设计。

4.2.1 智能供电设备模块

智能供电设备模块的设置旨在实现城市轨道交通变电所各设备的测量数字化、控制网络化、状态可视化、信息互动化，因此应在满足常规供电设备技术标准要求的前提下，根据工程实际需求，为其添加数字测量、网络控制、状态评估、信息互动相关的全部或部分智能化功能。各设备的具体功能设置可参考GB/T 30155-2013《智能变电站技术导则》[10]中的规定。

4.2.2 智能供电调度模块

智能供电调度模块的设置旨在实现全站通信协议的标准化以解决互操作性问题，利用GOOSE协议的快速传输特性以解决设备间信息传输的实时性和共享问题，以及实现全系统继电保护模式的智能选择及二次回路的网络化。其功能设计的重点是实现智能供电监控系统的自愈重构和智能调度。

（1）自愈重构。供电系统永久性故障发生后，智能供电监控系统将对故障进行识别和定位，采取对应的故障自愈重组策略，通过一系列倒闸作业实现故障点隔离、自愈重组、自动恢复供电运行等[11]。

（2）智能调度。智能供电监控系统可在设备发生故障的情况下完成故障状态自动响应、应急方案自动生成和触发、线网级负荷预测、线网级能源智能优化调度、多专业协同等操作[12]。

4.2.3 智能能源管理模块

（1）智能能源监控系统通过对全线的电、水、气等能源消耗数据进行监测、统计和分析，实现对各设备基于实时客流、外部环境变化的节能优化控制[13]，具备车站设备节能控制、运控节能控制两大功能：①车站设备节能控制是指基于实时客流、环境参数等，利用大数据、人工智能等先进技术，对车站通风、空调、照明、电梯等系统进行实时监测和智能控制，实现其最优化、节能运行；②运控节能控制是指利用基于列车运行控制的节能技术，提供线-车-图-网融合的一体化节能解决方案和控制方法。

（2）分布式能源及并网管理系统可实现光伏发电、风电、储能装置等分布式能源在城市轨道交通中的应用，并对其进行并网管理、潮流优化、节能及智能化控制。

4.2.4 智能供电运维模块

智能供电运维模块的设置旨在实现对城市轨道交通供电系统运维相关数据的智能感知、智能分析，运维资源的智能配置，以及运维决策的智能执行，以推动运维管理方式从被动维修向主动健康管理转变，从而提高生产效率[14]。其各子系统的功能设计具体如下。

（1）供电设备状态监测系统。对各变电所设备、全线接触网设备的状态信息进行实时监视，对设备运行、绝缘、发热、放电等状态以及环境参数等进行智能感知，对故障、入侵等非正常情况进行报警、联动。

（2）供电设备健康管理系统。对供电系统运行、检修、维护等相关数据进行处理和分析，实现对供电设备的故障诊断、健康评估、寿命预测、维修辅助决策等。

（3）供电生产管理系统。为供电生产管理工作（如设备巡检、试验、维护，编制生产计划、维修工单，开展安全管理等）提供功能支持、流程管控、闭环管理、数据保存等服务。

（4）供电辅助监控系统。该系统是指除智能供电监控系统外的其他辅助性监控系统，包括杂散电流监测、可视化接地监控、隔离开关集中监控等系统。这些辅助监控系统宜进行整合，通过统一平台实现一体化。

（5）供电设备资产管理系统。该系统负责对供电设备及材料相关的生产、安装、维保、备品备件等信息以及技术资料等进行全过程动态管理。

（6）供电专家分析系统。该系统具有故障预测、风险评估等功能，可对故障进行智能预测，给出故障可能发生的时间、位置、影响范围及处置方案等；分析供电系统静态及动态风险点，对可能出现的超负荷进行预警，并评估系统风险。

（7）培训系统。该系统可基于三维模型、虚拟技术、信息化技术进行仿真教学、培训等。

5 结语

城市轨道交通智能供电系统具有全息感知、信息交互、自愈重构、快速响应、节能控制、智慧运维等功能，可为城市轨道交通提供更加可靠、安全、经济的电力供应，保障其安全、顺畅运营。本文针对目前城市轨道交通供电系统运营维护中存在的问题，在系统阐述智能供电系统的定义和功能需求的基础上，构建智能供电系统框架，并针对其各组成模块进行具体功能设计，以期为促进城市轨道交通供电系统的智能化发展提供参考和借鉴。