淺談電力監(jiān)控系統(tǒng)在地鐵運營中的應用

安科瑞 陳聰

摘要：本文研究了電力監(jiān)控系統(tǒng)在地鐵運營中的設計與實施，并對系統(tǒng)的概述、設計原理與要點、具體設計、實施和應用、效益與優(yōu)化策略等進行了詳細闡述。通過對地鐵運營中的電力需求進行分析，說明了電力監(jiān)控系統(tǒng)的重要性。在設計原理與要點部分，介紹了系統(tǒng)的基本元素和要求，并進行了監(jiān)控硬件和軟件選型分析。在具體設計部分，分別設計了*高頻部分、自動調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設計。在實施和應用部分，提出了方法和步驟，并介紹了故障診斷與解決策略以及測試與運行結(jié)果分析。在結(jié)論部分，總結(jié)了電力監(jiān)控系統(tǒng)在地鐵運營中的實質(zhì)性作用和設計與實施中的關鍵因素。本研究的結(jié)果將為地鐵運營中的電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計和實施提供有力支持和指導。

關鍵詞：電力監(jiān)控系統(tǒng)；地鐵運營；設計與實施；概述；設計原理與要點

0引言

本文總結(jié)了地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實施。通過對地鐵運營中的電力需求分析，認識到電力監(jiān)控系統(tǒng)對地鐵運營的重要性。在設計原理與要點方面，討論了監(jiān)控硬件與軟件的選型，并詳細介紹了地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的具體設計，包括*高頻部分、自動調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設計及處理。在實施和應用方面，討論了故障診斷與解決策略。通過地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究，可以提高地鐵電力系統(tǒng)的可靠性、安*性和運行效率，為人們提供更加便利與舒適的出行環(huán)境。

1地鐵運營中的電力監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1地鐵運營電力需求分析

地鐵作為一種快速、*效的城市交通工具，對于穩(wěn)定可靠的電力供應有著*高的需求。在地鐵運營過程中，電力系統(tǒng)為保證列車正常運行提供了必要的能源支持。因此，了解地鐵運營中的電力需求是設計和實施電力監(jiān)控系統(tǒng)的前提。

地鐵系統(tǒng)的電力需求主要包括列車牽引力、照明與通風設備能耗，以及車站設備和信號系統(tǒng)的電能消耗。在高峰時段，地鐵線路上可能存在大量列車同時運營，因此電力系統(tǒng)需要具備高供電能力和可靠性。此外，隨著地鐵網(wǎng)絡的擴展，電力需求也隨之增加[1]。1.2電力監(jiān)控系統(tǒng)的重要性

電力監(jiān)控系統(tǒng)在地鐵運營中扮演著至關重要的角色。一方面，它可以實時監(jiān)測電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)電力設備的異常情況，提前預警并采取相應措施，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。另一方面，電力監(jiān)控系統(tǒng)可以對電力設備的能耗進行統(tǒng)計與分析，幫助地鐵公司進行能源管理和節(jié)能減排工作，降低運營成本并推動可持續(xù)發(fā)展。

1.3監(jiān)控系統(tǒng)的基本元素及要求

地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的基本元素包括傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、通信網(wǎng)絡和*央監(jiān)控站進行數(shù)據(jù)交互。

地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的要求主要包括以下幾個方面：

（1）實時性：監(jiān)控系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r采集、傳輸和處理電力設備的數(shù)據(jù)，及時反映電力系統(tǒng)的運行狀況；

（2）可靠性：監(jiān)控系統(tǒng)應具備高可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸和存儲，以及故障的自動恢復和報警功能；

（3）靈活性：監(jiān)控系統(tǒng)應能適應地鐵運營的需要，具備較強的可擴展性和適應性，能夠滿足不同地鐵線路和車站的監(jiān)控要求；

（4）安*性：監(jiān)控系統(tǒng)需要保證數(shù)據(jù)的安*性，采取合適的安*措施，防止數(shù)據(jù)泄露和被篡改。

2電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計

電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計要素包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、實時性要求、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析、故障診斷和預警等。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，電力監(jiān)控系統(tǒng)可以采用分布式或集中式結(jié)構(gòu)。分布式結(jié)構(gòu)將傳感器分布在地鐵電力供應系統(tǒng)的各個關鍵節(jié)點，實現(xiàn)多點同時監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)；集中式結(jié)構(gòu)則將所有的數(shù)據(jù)集中到一個*心節(jié)點進行處理和分析。根據(jù)實際情況選擇合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以提高監(jiān)控系統(tǒng)的效率和可靠性。

實時性要求是電力監(jiān)控系統(tǒng)設計中一個重要的要素。地鐵電力供應的實時性要求較高，需要對數(shù)據(jù)的采集和處理能夠快速響應并及時更新。因此，在監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，需要合理安排數(shù)據(jù)采集設備的數(shù)量和位置，以保證數(shù)據(jù)的實時性。

數(shù)據(jù)采集與傳輸是電力監(jiān)控系統(tǒng)設計中的另一個關鍵要素。地鐵電力供應系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源于各種傳感器和設備，如變壓器、開關設備等。為了實時監(jiān)測和管理這些數(shù)據(jù)，需要采用適當?shù)臄?shù)據(jù)采集設備和傳輸方式，如傳感器、數(shù)據(jù)采集器和通信網(wǎng)絡等。

數(shù)據(jù)處理與分析是電力監(jiān)控系統(tǒng)設計中的核心要素。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄與分析、故障診斷與預警等功能。因此，在監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，需要選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)處理算法和分析工具，以提高數(shù)據(jù)分析的準確性和效率。

故障診斷和預警是電力監(jiān)控系統(tǒng)設計中的重要要素之一。通過實時監(jiān)測和分析數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)電力供應中可能存在的故障和異常情況，并及時進行診斷和預警。因此，在監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，需要合理選擇故障診斷算法和預警策略，以保證系統(tǒng)的安*和穩(wěn)定。.

3地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的具體設計

3.1*高頻部分設計

*高頻部分設計需要考慮地鐵電力系統(tǒng)中的高頻電磁干擾問題。地鐵與電力線路密切相關，特別是在架空線路附近。因此，在設計*高頻部分時，需要采取措施以保護監(jiān)控系統(tǒng)免受電磁干擾的影響。這包括選擇合適的電纜、隔離設備和屏蔽材料，以降低電磁干擾的影響[3]。

*高頻部分設計需要考慮監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸距離和可靠性。地鐵系統(tǒng)通常覆蓋較大的范圍，因此，監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸距離*須能夠滿足地鐵線路的需求。同時，為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，應選擇適當?shù)膫鬏斀橘|(zhì)和傳輸協(xié)議，并采取冗余設計以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

另外，*高頻部分設計還需要考慮監(jiān)控系統(tǒng)對電力設備的實時監(jiān)測能力。地鐵電力設備工作狀態(tài)的實時監(jiān)測對于確保地鐵運營的安*和穩(wěn)定非常重要。因此，在*高頻部分設計中，應采用合適的傳感器和監(jiān)測設備，以實現(xiàn)對電力設備關鍵參數(shù)的實時監(jiān)測，并能夠及時報警和采取相應的措施。

3.2自動調(diào)度系統(tǒng)設計

在設計自動調(diào)度系統(tǒng)時，不得不想到監(jiān)控硬件和軟件的選擇問題。對于監(jiān)控硬件，高性能和穩(wěn)定性是兩大關鍵要點，這些硬件包括了整個系統(tǒng)中的傳感器、控制器及監(jiān)測設備等。監(jiān)控軟件方面，*須處理和分析數(shù)據(jù)的能力*強，有實時監(jiān)測及分析地鐵電力運行狀況的實力，并能根據(jù)需要調(diào)整相應的控制和調(diào)度。

在控制系統(tǒng)中，三個塊頭的關鍵，一是數(shù)據(jù)采集和處理，二是調(diào)度算法和決策，三是遠程監(jiān)控和控制。

*一塊頭，監(jiān)控系統(tǒng)需要對地鐵電力的如電壓、電流、功率、能耗等等各類參數(shù)進行實時的采集和處理。這樣，當?shù)罔F電力運行出毛病時，可以迅速的找出并解決。

*二塊頭，調(diào)度算法和決策。自動調(diào)度系統(tǒng)設計出臺的調(diào)度算法和決策模型，需要使地鐵電能的確實合理分配和調(diào)度。在設計過程中，地鐵運營的實際需要和需求應放在*前面，優(yōu)化的算法和智能決策就可以提高地鐵電力利用和效率[4]。

*后，*三塊頭就是遠程監(jiān)控和控制。憑借網(wǎng)絡，不管身處何地，都可以實時監(jiān)控地鐵電力運行狀態(tài)，并作出相應的控制和調(diào)度。這種遠程監(jiān)控和控制，使地鐵運營的靈活性和可靠性更上一層，人為操作錯誤和風險大大減少。

3.3數(shù)據(jù)采集設計及處理

數(shù)據(jù)采集對于地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的重要性無需贅述，它承擔著實時搜羅、傳遞、處理各類電力數(shù)據(jù)的任務，成為系統(tǒng)運行和決策的堅實支撐。

數(shù)據(jù)采集過程通常分為三個環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)傳感器、數(shù)據(jù)采集設備以及數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)據(jù)傳感器是將實在的電力參數(shù)轉(zhuǎn)為電信號的關鍵工具，地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)通常選用電流傳感器和電壓傳感器等。數(shù)據(jù)采集設備可對傳感器輸出的電信號進行放大和濾波處理，使其適配后面的數(shù)據(jù)處理需求。該設備的主要部分包含模擬量采集模塊與數(shù)字量采集模塊。至于數(shù)據(jù)傳輸通道的任務，就是將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過一定的方式傳送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，一般都選擇用有線通信或無線通信，具體的決定因素取決于地鐵的環(huán)境狀況及實際所需。

關于數(shù)據(jù)采集的處理，主要有數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)存儲兩個環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)解析就是對原始數(shù)據(jù)進行解析轉(zhuǎn)換，從而方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。數(shù)據(jù)存儲則是關系到數(shù)據(jù)的長久存放與管理，保證數(shù)據(jù)的安*可靠[6]。此外，在數(shù)據(jù)處理過程中還需要關注數(shù)據(jù)的時序性和時間同步性，以確保數(shù)據(jù)的準確性和一致性。

4電力監(jiān)控系統(tǒng)的實施和應用

4.1實施方法及步驟

在城市軌道交通運行中，電力監(jiān)控系統(tǒng)的布局與運用是至關重要的一環(huán)，它對電力供應的穩(wěn)定程度以及地鐵的運行安*有著決定性的影響。

實施項目的前期，需要準備與規(guī)劃，明確項目的目的以及需求，制訂周詳?shù)挠媱澆Ψ止づc責任有個清晰的概念，此外，對所需的硬體設備與軟體系統(tǒng)的評價與挑選是*不可少的步驟，確保其性能優(yōu)良且應用范圍適合。

當項目揭開序幕時，要根據(jù)規(guī)定的程序和手段進行。首先，場地的測驗和監(jiān)測是*須的，確定所有監(jiān)控設備和傳感器的裝置位置，并計劃詳盡的安置方案。然后對設備進行安裝并調(diào)試，保障設備能正常工作且連接至中控系統(tǒng)[7]。

其次，進行網(wǎng)絡系統(tǒng)的制造和配置，篇幅包含了局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的架構(gòu)，設置網(wǎng)絡設備和路由器，并進行網(wǎng)絡安*的設置，確保系統(tǒng)信息傳輸和數(shù)據(jù)存儲的安*化。

在硬件設備和網(wǎng)絡系統(tǒng)建造完畢并配置后，可進一步實施監(jiān)控系統(tǒng)軟件的安裝和調(diào)試。按照地鐵運行的需要，對監(jiān)控系統(tǒng)進行特定的設定，這其中包括了各種測量參數(shù)、失常警告規(guī)則等。同期，對系統(tǒng)進行測試和調(diào)試，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和信賴度。

在操作人員培訓與技術援助方面，需要非常著重。使人員能嫻熟運用和維護系統(tǒng)，為其解答使用中出現(xiàn)的難題，同時也要進行系統(tǒng)的維護以及更新。

4.2故障診斷與解決策略

地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)運作中可能面臨諸如供電中斷、電力負荷異常以及設備故障和其他多種故障問題。在地鐵的穩(wěn)定運行和安*性上，如何及時有效地檢測和解決故障變得特別重要。

根據(jù)故障類型的不同，應考慮具體的解決策略。對于一般常見的故障，可依賴預設的故障處理手冊提前規(guī)定的方法來修復。然而對于更復雜的故障，可能需要運用專業(yè)的知識和經(jīng)驗，搭配實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，來找出*適合的解決方案。同時，通過故障模擬試驗和數(shù)據(jù)分析以驗證解決策略的實效，以確保故障能獲得及時的修復[8~9]。

為了進一步提升故障解決效率和準確性，要利用現(xiàn)代化技術手段，譬如人工智能、大數(shù)據(jù)分析等。通過分析和挖掘大量的歷史故障數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)潛在的故障模式和趨勢，從而有充足的時間采取應對的預防措施。另一種構(gòu)建之道，便是成立某一種故障信息處理的制度。此制度可將故障事項歸類、匯總、剖析，為排除故障及其診療提供*方位支持。

4.3測試與運行結(jié)果分析

完成了電力監(jiān)控系統(tǒng)設計和執(zhí)行以后，實驗和運行結(jié)果的探討，就變?yōu)樵u定系統(tǒng)性能和有效性的重要步驟。為了在現(xiàn)實運行中，保證系統(tǒng)的可信賴與穩(wěn)定，需做到*方位實驗。實驗可被劃分為功能實驗、性能實驗、穩(wěn)定性實驗。

功能實驗目的在于試驗各模塊和功能，確保系統(tǒng)功能可以正常工作。例如，對于*高頻方面，能夠模擬多種電力故障和狀態(tài)變化，以驗證系統(tǒng)響應迅速及其故障診斷功能。對于自動調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集方式，模擬實際運營過程，可以驗證系統(tǒng)調(diào)度和數(shù)據(jù)采集的功能。

系統(tǒng)性能試驗，它的目標就是測驗系統(tǒng)的反應速度、資源利用和負擔處理等指數(shù)。例如，模擬出一大規(guī)模的地鐵運營情景，了解系統(tǒng)處理大量數(shù)據(jù)的能力，及獲取實時數(shù)據(jù)并展示的能力[10]。

穩(wěn)定性實驗，主要是通過不間斷運行來檢驗系統(tǒng)穩(wěn)定與可靠性。因系統(tǒng)在地鐵運營過程中，*須連續(xù)不斷地運行，所以，保證穩(wěn)定性為系統(tǒng)正常運行的基礎。通過模擬地鐵連續(xù)運行的場景，對系統(tǒng)進行長時間的穩(wěn)定性測試，并及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題。

通過測試和運行結(jié)果的分析，可以*面評估地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的性能和效果，并根據(jù)分析結(jié)果進行必要的調(diào)整和優(yōu)化。優(yōu)化策略可以包括提升系統(tǒng)性能、改進故障處理流程、加強數(shù)據(jù)分析等方面，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5安科瑞Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

5.1概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電、配電、用電的安*運行和*面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應用電力自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對變電站*方位的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安*、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供了堅實的保障。

5.2應用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。

5.3系統(tǒng)架構(gòu)

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

5.4系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關故障、告警等信號。

（2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

（4）運行報表：查詢各回路或設備*定時間的運行參數(shù)。

（5）實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

（6）歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

（7）電能統(tǒng)計報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況。

（8）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

（9）網(wǎng)絡拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

（10）電能質(zhì)量監(jiān)測：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。

（11）遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設備進行遠程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

（13）事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。

（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪問：設備數(shù)據(jù)頁面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

6系統(tǒng)硬件配置

7結(jié)語

該工程電力監(jiān)控系統(tǒng)驗收投運后，實際運行情況達到預期效果，得到了使用方的滿意評價。其便利及實用性主要反映在以下幾個方面：工作人員可以方便和實時地監(jiān)控電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為優(yōu)化電力設備運行提供了有效參考，對現(xiàn)場的用電設備進行統(tǒng)一管理，免去到現(xiàn)場記錄的繁瑣工作，提*效率，實現(xiàn)了無人值守智能變電站的目標；形成了一個基礎的能源管理系統(tǒng)，可以完成對能源數(shù)據(jù)進行在線的采集、計算、分析及處理從而實現(xiàn)對能源物料平衡、調(diào)度與優(yōu)化、能源設備運行與管理等方面發(fā)揮著重要的作用；由于*廠工程龐大而分期實施，系統(tǒng)設計時為后期預留了充足的接口，使用方在后期實施的擴容工程中得到了很大的便利。

該項目存在各變電站內(nèi)部兩臺變壓器互相備用、變電站之間變壓器互相備用的情況，0.4kV進線和母聯(lián)MT斷路器間互投關系復雜，在方案設計階段需要充分理解電力系統(tǒng)的運行方式，明確各斷路器間的投切邏輯關系，以指導硬件連接和軟件編寫。在電力系統(tǒng)正式投運前還進行了聯(lián)動調(diào)試進行驗證，這是該電力監(jiān)控系統(tǒng)實施的難點。

由于電力監(jiān)控系統(tǒng)屬于智能化供配電系統(tǒng)的一部分，其集成度相當高，工程移交前編寫了用戶操作手冊，并組織使用人員進行了3天的理論培訓和上機培訓，對疑點、難點進行了詳細的講解，讓使用人員對電力監(jiān)控系統(tǒng)的操作有了深入了解的同時，也使該系統(tǒng)在以后的運行中功能得到充分利用奠定了基礎。

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