晉月輝 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司申鐵信息工程有限公司

1 背景概述

隨著鐵路高鐵網(wǎng)絡(luò)密集程度的提高，鐵路運(yùn)輸高鐵站旅客客流大幅提升，旅客出行對(duì)信息系統(tǒng)的依賴(lài)日益增強(qiáng)，機(jī)房?jī)?nèi)信息系統(tǒng)設(shè)備的配置也日趨復(fù)雜，對(duì)用電的安全性也在不斷的提高。

配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行一直是客運(yùn)組織工作的重點(diǎn)，由于目前機(jī)房低壓配電系統(tǒng)僅以快速開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)故障的切除等方式，每次系統(tǒng)發(fā)生故障都會(huì)造成旅客運(yùn)輸組織的混亂等。維修人員也都是在故障發(fā)生后，才進(jìn)行相關(guān)的維修，不能夠及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)故障進(jìn)行告警。同時(shí)，對(duì)于直接控制一級(jí)設(shè)備的380 V低壓配電系統(tǒng)缺乏有效監(jiān)測(cè)、控制技術(shù)手段。目前，380 V低壓配電系統(tǒng)是客運(yùn)車(chē)站內(nèi)主要的供電系統(tǒng)，配電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響其它所有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)上述情況，擬設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套配電系統(tǒng)設(shè)備安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)機(jī)房低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)監(jiān)控。將原先被動(dòng)式維護(hù)變?yōu)橹鲃?dòng)式維護(hù)，當(dāng)有低壓配電系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障或存在運(yùn)行隱患時(shí)，能夠第一時(shí)間發(fā)出告警，從而提高站內(nèi)維護(hù)人員的響應(yīng)時(shí)間和故障的處理速度。

2 設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)

2.1 原則

（1）采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)理念和模塊化的設(shè)計(jì)原則。（2）確保采集信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

（3）系統(tǒng)采用的通信協(xié)議、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)等與目前上海局普遍使用的ITSM系統(tǒng)及相關(guān)檢修要求兼容和統(tǒng)一。

2.2 目標(biāo)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

①配電設(shè)備的故障告警；

②配電設(shè)備的性能告警；

③主動(dòng)式推送，數(shù)據(jù)單向傳輸。

通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)房?jī)?nèi)配電系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控的規(guī)范性和科學(xué)性。變?nèi)斯ぱ矙z為自動(dòng)化巡檢和自動(dòng)化告警推送。主要目的在于提高配電系統(tǒng)安全系統(tǒng)管理規(guī)范性、科學(xué)性、和實(shí)用性，最大限度降低過(guò)負(fù)荷等對(duì)設(shè)備的損害及人員傷害，以及事故的擴(kuò)大。同時(shí)減輕管理人員和維護(hù)人員的勞動(dòng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)的工作模式。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為四大方面：

（1）溫控系統(tǒng)（含溫度采集單元、過(guò)流保護(hù)、溫度控制保護(hù)單元、規(guī)約轉(zhuǎn)換器）；

（2）弧光保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（含弧光采集單元、通訊終端、弧光控制單元）；

（3）負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)；

（4）監(jiān)控系統(tǒng)（包含服務(wù)器、監(jiān)控軟件、通訊轉(zhuǎn)發(fā)終端）。

系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)當(dāng)配電系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障或不安全運(yùn)行時(shí)，弧光保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及低壓配電過(guò)流、溫控系統(tǒng)自動(dòng)提前預(yù)警或在故障時(shí)及時(shí)切除故障點(diǎn)防止事故擴(kuò)大，同時(shí)通訊終端和規(guī)約轉(zhuǎn)換器能夠及時(shí)收集預(yù)警和故障信息同時(shí)發(fā)送監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控服務(wù)器收到告警后在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和告警觸發(fā)，通過(guò)短信發(fā)送、大屏展示進(jìn)行告警。維修人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的了解到告警設(shè)備的位置、故障情況、緊急程度，從而減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

配電系統(tǒng)設(shè)備安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)機(jī)房低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)監(jiān)控。將原先被動(dòng)式維護(hù)變?yōu)橹鲃?dòng)式維護(hù)，當(dāng)有低壓配電系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障或存在運(yùn)行隱患時(shí)，能夠第一時(shí)間發(fā)出告警，從而提高站內(nèi)維護(hù)人員的響應(yīng)時(shí)間和故障的處理速度。

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本方案的核心研究?jī)?nèi)容是建立面向智能配用電一體化的信息支撐平臺(tái)，圍繞核心平臺(tái)構(gòu)建一體化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信息集成交互平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上提供面向智能配用電的各類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

（1）智能配用電輔助決策系統(tǒng)：包括溫度決策控制系統(tǒng)、電弧光決策控制系統(tǒng)、負(fù)載綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及三相不平衡檢測(cè)系統(tǒng)。

（2）故障搶修指揮系統(tǒng)：包括配電網(wǎng)故障就地預(yù)警系統(tǒng)，配電網(wǎng)遠(yuǎn)程（無(wú)線）報(bào)警系統(tǒng)及配電網(wǎng)故障歷史查詢(xún)系統(tǒng)。

（3）報(bào)表管理系統(tǒng)：包括配電網(wǎng)負(fù)荷電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電度及諧波等重要運(yùn)行參數(shù)根據(jù)實(shí)際需要生成日?qǐng)?bào)、月報(bào)及年報(bào)。

3.2 功能設(shè)計(jì)

3.2.1 過(guò)熱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

低壓配電集中測(cè)溫系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，達(dá)到有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目的；同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集、分析等手段，為管理者提供相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)，使管理者能清晰的了解設(shè)備運(yùn)行時(shí)的溫度情況，為設(shè)備的維護(hù)與檢修提供參考。

接觸式測(cè)溫探頭原理見(jiàn)圖2。

圖2 接觸式測(cè)溫探頭原理

低壓配電測(cè)溫系統(tǒng)工作原理圖畫(huà)面示意圖3。

3.2.2 弧光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電弧光保護(hù)裝置為變電站、電廠、工業(yè)企業(yè)等場(chǎng)合的中、低壓母線提供快速保護(hù)。當(dāng)發(fā)生弧光短路時(shí)，被弧光傳感器覆蓋區(qū)域的弧光短路可被快速定位，電弧光保護(hù)系統(tǒng)快速動(dòng)作，切斷故障電流，最大限度降低電弧光對(duì)設(shè)備的損害及人員傷害。電弧光保護(hù)系統(tǒng)采用弧光檢測(cè)和電流檢測(cè)雙判據(jù)原理，具有保護(hù)動(dòng)作速度快、可靠性高等特點(diǎn)。弧光保護(hù)系統(tǒng)包括主單元、子單元（弧光擴(kuò)展單元或弧光電流衛(wèi)星單元）、弧光傳感器、連接光纖等。

智能配電站所解決方案運(yùn)用經(jīng)濟(jì)、可靠、先進(jìn)的傳感、通信和控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)配電房的整體數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化，通過(guò)多種智能終端裝置的組合形成一體化解決方案，監(jiān)控配電站所環(huán)境運(yùn)行數(shù)據(jù)、電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電站所達(dá)到提高供電電壓質(zhì)量，降低線損，提供供電的經(jīng)濟(jì)效益的目的；通過(guò)對(duì)設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境等輔助信息的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警、設(shè)備閉環(huán)控制，減少運(yùn)維工作量。

圖3 低壓配電測(cè)溫系統(tǒng)工作原理

主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：

（1）對(duì)配電站所運(yùn)行環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，包括環(huán)境溫濕度、SF6氣體濃度、電纜溝浸水、主變溫度、電纜橋架內(nèi)的溫度等監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)除濕機(jī)、排風(fēng)機(jī)、抽水機(jī)等設(shè)備的閉環(huán)控制。

（2）配電站所防盜安全信息的采集和報(bào)警，包括紅外移動(dòng)監(jiān)測(cè)、門(mén)禁、煙感等，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電站所防盜監(jiān)控的布防和撤防。

（3）配電站所視頻的采集和控制和遠(yuǎn)方瀏覽。

（4）對(duì)配電站所低壓開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電力運(yùn)行參數(shù)的采集。

（5）對(duì)雙主變的配電房，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙主變的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制。

（6）對(duì)低壓開(kāi)關(guān)提供來(lái)電自動(dòng)重合的功能。

（7）提供對(duì)配電房?jī)?nèi)輔助設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，包括UPS電源、燈光控制等。

其原理是：當(dāng)母線發(fā)生短路或接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生破壞性的電弧光，電弧光保護(hù)可以檢測(cè)電弧光強(qiáng)度，保護(hù)設(shè)備免受損壞。為了提高電弧光保護(hù)的可靠性，電弧光保護(hù)可選擇是否經(jīng)電流啟動(dòng)元件，電流啟動(dòng)元件包括突變量啟動(dòng)元件和電流常量啟動(dòng)元件，兩個(gè)元件取或邏輯。

3.2.3 電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電量數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)多功能測(cè)量終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載進(jìn)行監(jiān)控，主要功能如下：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量：電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、頻率、功率因數(shù)、有功電度、無(wú)功電度、2-21次諧波等幾十種測(cè)量值。

（2）過(guò)負(fù)荷報(bào)警：通過(guò)測(cè)量電流，當(dāng)電流過(guò)大，超過(guò)設(shè)定值后，啟動(dòng)報(bào)警信息，向后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)上傳信號(hào)，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警。

（3）測(cè)量負(fù)載不平衡度，設(shè)置不平衡報(bào)警，當(dāng)不平衡指標(biāo)過(guò)大，超過(guò)設(shè)定值后，啟動(dòng)報(bào)警信息，向后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)上傳信號(hào)，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警。

多功能測(cè)量終端測(cè)量三相四線制系統(tǒng)，精度可以到達(dá)0.5%；工作電源采用寬電壓設(shè)計(jì)（100 V-264 VAC/DC），保證現(xiàn)場(chǎng)電壓波動(dòng)時(shí)也能正常工作；提供RS485通訊接口，方便組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)；提供液晶顯示窗口，方便就地觀測(cè)。

3.2.4 可視化綜合展現(xiàn)系統(tǒng)

圖4 可視化主題設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用范圍涵蓋非常繁雜的系統(tǒng)，為了綜合展現(xiàn)智能配網(wǎng)的建設(shè)成果，提供給配網(wǎng)調(diào)度人員更好的系統(tǒng)體驗(yàn)，需要引入可視化主題設(shè)計(jì)和展現(xiàn)方式，系統(tǒng)應(yīng)具有工具化的主題方案管理能力，用戶(hù)可以根據(jù)展示的需要定制展示主題，不斷地?cái)U(kuò)充主題庫(kù)，并且在可視化展示時(shí)調(diào)用主題庫(kù)，快速展開(kāi)可視化內(nèi)（見(jiàn)圖4）。

3.2.5 故障研判與搶修智能手機(jī)聯(lián)動(dòng)

經(jīng)調(diào)度人員甄別確定的配電網(wǎng)故障，可與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)檢人員的智能手機(jī)聯(lián)動(dòng)，將故障的范圍、對(duì)應(yīng)電網(wǎng)接線圖、資料臺(tái)賬發(fā)送到對(duì)應(yīng)手機(jī)上，為現(xiàn)場(chǎng)搶修人員提供幫助。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)站段低壓配電裝置的監(jiān)控預(yù)警，可大大降低系統(tǒng)的成本費(fèi)用，并可以對(duì)采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、正確的處理，對(duì)故障做出及時(shí)的響應(yīng)和預(yù)警。目前，380 V低壓配電系統(tǒng)是鐵路信息機(jī)房及車(chē)站的主要供電系統(tǒng)，配電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響其它所有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)的順利實(shí)施，將會(huì)提供一套針對(duì)380 V低壓配電系統(tǒng)有效監(jiān)測(cè)、預(yù)警、控制手段，確保鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。