浅谈低压智能化电能管理系统在地铁工程车站的设计

摘要：本文针对地铁工程车站进行了低压变电智能化电能管理系统设计。首先，对地铁工程中的车站低压智能系统做了详细介绍，其次，从硬件与软件两方面进行了电能管理系统整体结构设计，再次，基于频率管理、电能质量控制和报警、谐波管理、节能与设备优化管理等角度深入分析了管理系统功能。通过研究表明，此系统实用性与可靠性良好，能够基于网络集中化管理实现设备用电信息优化管理与控制，从而科学有效管理能源消耗，提高能源利用率，节约车站运营成本，因此值得大力推广与应用。
关键词：地铁车站；低压；变电；智能化；电能管理
 
1引言
     地铁工程中车站低压配电变电系统的作用是为地铁除了牵引负荷之外运营所需机电设备提供低压电源电力。就功能可以划分为两大类，即降压变电所与环控电控，其中，降压变电所的任务是针对车站通信与监控提供电源，环控电控的任务是为风机与冷却塔等供电。如果不能确保供电的稳定性与可靠性，那么势必会影响地铁的有序运行。
 
2 地铁工程中车站低压智能系统
2.1 降压变电低压系统
      降压变电低压智能系统的控制对象为母联断路器、进线短路器、三级负荷低压总开关。现阶段，我国地铁车站降压变电低压智能系统的形式是，基于控制对象遥测与遥控，增加全部馈出回路遥测。智能低压系统是由以太网、智能化开关、PLC、数字仪表等所构成的，其中系统控制对象的遥控是以断路器为辅助加以实现的，而遥测与遥信则是以数字化仪表为载体加以实现的。降压变电低压智能系统结构具体如图1所示。
 
图1 降压变电低压智能系统结构
2.2 环控电控低压系统
      环控电控低压智能系统，不仅可以综合保障并监测具备软启动与变频器的电机回路，还能够综合保护与监测全部馈出回路。环控电控低压智能系统结构具体如图2所示。
 
图2 环控电控低压智能系统结构
       从图可以看出，环控电控低压智能系统的任务是全面保护电动机。低压布置配有单独的通信控制器，以此搜集通风空调的相关数据信息，并调整汇总，加以计算分析，然后实时传输到机电设备自动化控制系统的PLC中，就PLC的通风模式为依据加强有效控制。特别是在出现火灾情况的时候，地铁车站机电设备自动化控制系统接收到火灾自动化报警系统的命令，落实各种类型环控设施设备的火灾运行模式，并把命令下达到环控柜低压智能系统。
 
3 变电智能化电能管理系统设计
       系统基于Trans Active软件平台得以开发设计。Trans Active软件平台利用了C++软件技术，通过模块化结构，依据系统功能需要，将系统功能模块化，软件组件化，进而灵活衔接并调取，适应性与可靠性都十分突出。
3.1 硬件结构
       电能管理系统硬件结构具体如3所示。其一，系统服务器的作用是接收并处理数据信息；其二，管理工作站的作用是为系统管理者提供更加便利、完善的环境；其三，网络设施设备实际上等同于网络交换机；其四，存储设备实际上就是磁盘阵列，任务是储存系统历史数据信息。此外，电能管理系统基于网络交换机与局域网，和外部接口系统之间进行交互数据信息管理、分析。
 
图3 电能管理系统硬件结构
3.2 软件结构
      电能管理系统的软件结构具体如图4所示。
 
图4 电能管理系统的软件结构
 
4 系统功能模块设计
      电能管理系统功能具体如图5所示。
 
图5 电能管理系统功能
 
4.1 频率管理模块
      对于低压变电智能化电能管理系统而言，频率属于其所采集的主要监控电能，能够对频率实时变化进行全程跟踪监控，并及时把相关数据信息储存到历史数据库。通过系统的越限报警功能，还可以设置上下阈限值，在出现越限状况的时候，系统及时发出声光告警信号，并把报警信息储存到历史数据库，以便于快速查询并解决故障。在故障状况下，系统频率降低的时候，可通过系统遥控操控能力，低频率减负荷，自动摒除次要负荷。而在系统频率上升的时候，为减少发电机处理，依旧可以通过遥控操控能力，高频率切机，促使系统频率快速恢复到额定值阈限内，从而进一步满足频率管理具体需求。
 4.2 电能质量监控与报警模块
      通过对系统与站点电能质量进行检测，发现潜藏威胁，即谐波、电压偏移、变电系统事故等等。同时，还能够挖掘系统越限与能耗异常状况，及时发出告警信号，以邮件、短信、PDA、工作站等多元化方式快速通知操作员工，以此有效降低设备误动作几率，节约能源成本，以助于配电系统科学合理规划，提高生产效率与水平，并进一步提供系统的、完善的能源视图。
4.3 谐波管理模块 
      谐波分量并不是系统采集的基础监控电能电量，但是却能够通过低压变电系统采集谐波。然而，所检测谐波次数大约在2-19 次，就谐波源特性，适度调整谐波次数测量区域。就负荷变化比较快的谐波源来讲，一般都会控制在31次以上，其中一些回路明确指出进行63次谐波分量检测。所以，谐波检测数据量都比较大。系统对于实时性与及时性要求非常高，把各回路谐波畸变率数据信息进行上传处理分析，不仅会严重消耗系统资源，还会对系统数据的实时性与真实性造成直接性影响。因此，系统谐波质量主要通过关键回路实时性采集与一般性回路分批性定时采集、召唤采集相融合的方式加强优化管理。其中，关键回路与变电配电系统电能质量息息相关，因此，选用实时采集与密切关注谐波数据信息的模式，这主要是由于此类型回路数量相对偏少，尽管单项回路数据量非常多，可是在科学合理化分配之后，对系统实时性的影响并不突出。而一般回路对系统电能质量的影响不显著，因此，通过分批性定时采集方式，避免遇到资源利用高峰期，分批性定时获取数据信息。其中定时的 
具体时间以回路性质与系统规模为基础进一步明确，能够有效促进系统资源利用率提升。而且出现故障的回路，还能够召唤采集，在出现故障的时候，进行谐波数据信息实时采集，以助于详细了解并分析故障发生的具体原因。
4.4 节能与设备优化模块 
      通过收集能源数据信息并详细分析设备状态，获取节能空间较大区域具体位置，评估节能措施与设备具体成效，即再生制动能量利用、谐波治理、照明控制等等。基于电能管理系统的参数展示模块，远程监控变电配电回路电气实际运行状态，生成电气参数、能耗、分时计量等等运行状态数据报表。同时就电能管理系统软件所采集数据信息，进一步探索历史负荷、能耗、裕量等，以此提高系统设备利用率。此外，从时段、季度、部门等角度统计分析全年具体能耗，以Microsoft Excel文件格式存储所生成报表，并自动化生成曲线图，以便于用户快速生成详细报告。
 
5 安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案
5.1概述
        用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，全面推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。
        安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。
 5.2应用场所
        （1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；
        （2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；
        （3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；
        （4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；
        （5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；
        （6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。
5.3系统结构
 
5.4系统功能
5.4.1
      实时监测系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功  率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。
 
5.4.2电能统计报表
       系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。
 
5.4.3详细电参量查询
       在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。
 
5.4.4运行报表
系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、指定时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。
 
5.4.5变压器运行监视
        系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。
 
5.4.6实时报警
       系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。
 
5.4.7历史事件查询
        系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
 
5.4.8电能质量监测
        系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。
 
5.4.9遥控操作
         系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。
 
5.4.10用户权限管理
         系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
 
5.4.11通讯状态图
       系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。
 
5.4.12视频监控
       视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。
 
5.4.13用户报告
       用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。
 
5.4.14 APP支持
       电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。
 
5.5系统硬件配置清单
 


6结语
      综上所述，在我国地铁建设与运营管理中，节能降耗开始备受重视。由于地铁供电无法有效保障，则会导致难以正常稳定运行，直接影响人们的顺利出行。因此，提高地铁供电的可靠性与稳定性具有十分重要的现实意义。而智能化低压变电配电系统可以为地铁提供可靠、稳定、安全供电，应用前景非常广阔。所以，本文针对地铁工程车站进行了低压变电智能化电能管理系统设计。通过研究表明，此系统实用性与可靠性良好，能够基于网络集中化管理实现设备用电信息优化管理与控制，从而科学有效管理能源消耗，提高能源利用率，节约车站运营成本，因此值得大力推广与应用。
 
【参考文献】
[1]任晓娜，麦卫华，变电站智能地铁管理系统的应用[J],电子世界，2018,557（23）；181-182
[2]李浩森，地铁工程中车站低压变电智能化电能管理系统设计            
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册 2022.05版
 
 
作者简介：陈芳芳，女，现任安科瑞电气股份有限公司，主要从事于电能管理系统的研发与应用。