电力监控系统于地铁运营应用之浅探

安科瑞鲁一扬15821697760

摘要：本文聚焦于电力监控系统在地铁运营中的设计与实施，对其概述、设计原理与要点、具体设计、实施应用、效益与优化策略等展开深入探究。通过剖析地铁运营的电力需求，彰显电力监控系统的关键意义。在设计原理及要点层面，阐述系统基本元素与要求，并对监控硬件和软件选型加以分析。于具体设计方面，分别开展高频部分、自动调度系统以及数据采集的设计工作。在实施与应用环节，提出相应方法步骤，介绍故障诊断及解决策略，剖析测试与运行结果。结论部分总结电力监控系统在地铁运营中的核心作用以及设计实施的关键要素。本研究成果将为地铁运营中电力监控系统的构建与推行给予有力的支撑与指引。

关键词：电力监控系统；地铁运营；设计与实施；概述；设计原理与要点

0 引言

本文对地铁电力监控系统的设计与实施予以归纳总结。借由对地铁运营电力需求的剖析，深切领悟电力监控系统对地铁运营的重要价值。在设计原理与要点方面，探讨监控硬件与软件的选型情形，并详尽阐述地铁电力监控系统的具体设计内容，涵盖高频部分、自动调度系统以及数据采集设计与处理。于实施和应用环节，研讨故障诊断与解决策略。借助对地铁电力监控系统的研究，能够提升地铁电力系统的可靠性、安全性以及运行效率，为民众缔造更为便捷、舒适的出行环境。

1 地铁运营中的电力监控系统概述

1.1 地铁运营电力需求分析

地铁作为一种快捷、高效的城市交通工具，对稳定且可靠的电力供应有着极为严苛的要求。在地铁运营进程中，电力系统为列车的正常运行提供不可或缺的能源支撑。故而，明晰地铁运营中的电力需求，乃是设计与实施电力监控系统的根基所在。

地铁系统的电力需求主要涵盖列车牵引力、照明与通风设备能耗，以及车站设备和信号系统的电能消耗。在高峰时段，地铁线路上或许会有多列列车同时运营，因而电力系统需具备强大的供电能力与高度可靠性。此外，伴随地铁网络的持续拓展，电力需求亦随之递增。

1.2 电力监控系统的重要性

电力监控系统在地铁运营中占据着举足轻重的地位。一方面，它能够实时监测电力系统的运行状态，及时察觉电力设备的异常状况，提前预警并实施相应举措，确保电力系统的稳定运行。另一方面，电力监控系统可对电力设备的能耗展开统计与分析，助力地铁公司开展能源管理与节能减排工作，削减运营成本并推动可持续发展。

1.3 监控系统的基本元素及要求

地铁电力监控系统的基本元素包含传感器、数据采集装置、通信网络以及中央监控站，以此实现数据交互。

地铁电力监控系统的要求主要包含如下几方面：

实时性：监控系统务必能够实时采集、传输并处理电力设备的数据，及时呈现电力系统的运行情形。

可靠性：监控系统应具备卓越的可靠性，达成数据的稳定传输与存储，以及故障的自动恢复与报警功能。

灵活性：监控系统需契合地铁运营的需求，拥有较强的可扩展性与适应性，能够满足不同地铁线路与车站的监控要求。

安全性：监控系统必须保障数据的安全性，采取恰当的安全举措，防止数据泄露与被篡改。

2 电力监控系统的设计

电力监控系统的设计要素涵盖系统结构、实时性要求、数据采集与传输、数据处理与分析、故障诊断以及预警等。

在系统结构方面，电力监控系统可采用分布式或集中式结构。分布式结构将传感器布设于地铁电力供应系统的各个关键节点，达成多点同步监测与数据采集；集中式结构则将所有数据汇聚至一个中心节点进行处理与分析。依据实际状况挑选适宜的系统结构，有助于提升监控系统的效率与可靠性。

实时性要求是电力监控系统设计的关键要素之一。地铁电力供应的实时性要求颇高，需对数据的采集与处理实现快速响应并及时更新。因此，在监控系统设计时，需合理规划数据采集设备的数量与位置，以保障数据的实时性。

数据采集与传输是电力监控系统设计的另一核心要素。地铁电力供应系统的数据源自各类传感器与设备，如变压器、开关设备等。为实现对这些数据的实时监测与管理，需采用恰当的数据采集设备与传输方式，如传感器、数据采集器以及通信网络等。

数据处理与分析是电力监控系统设计的核心要点。借助对采集数据的处理与分析，能够实现实时数据展示、历史数据记录与分析、故障诊断与预警等功能。因而，在监控系统设计过程中，需选用适宜的数据处理算法与分析工具，以提升数据分析的精准度与效率。

故障诊断与预警是电力监控系统设计的重要环节之一。通过实时监测与分析数据，系统能够发现电力供应中可能存在的故障与异常状况，并及时予以诊断与预警。所以，在监控系统设计时，需合理遴选故障诊断算法与预警策略，以保障系统的安全与稳定。

3 地铁电力监控系统的具体设计

3.1 高频部分设计

高频部分设计需考量地铁电力系统中的高频电磁干扰问题。鉴于地铁与电力线路联系紧密，尤其在架空线路周边区域。因此，在设计高频部分时，需采取相应举措，以保护监控系统免受电磁干扰的影响。这涵盖选用适配的电缆、隔离设备以及屏蔽材料，以降低电磁干扰的作用。

高频部分设计还需兼顾监控系统的传输距离与可靠性。地铁系统通常覆盖范围较广，故而监控系统的传输距离必须能够契合地铁线路的需求。同时，为确保数据传输的可靠性，应挑选恰当的传输介质与传输协议，并采用冗余设计，以保障系统的稳定性与可靠性。

此外，高频部分设计亦需考量监控系统对电力设备的实时监测能力。地铁电力设备工作状态的实时监测对确保地铁运营的安全与稳定至关重要。因而，在高频部分设计中，应运用适宜的传感器与监测设备，以达成对电力设备关键参数的实时监测，并能够及时报警与采取对应措施。

3.2 自动调度系统设计

在设计自动调度系统时，监控硬件与软件的抉择不容忽视。对于监控硬件而言，高性能与稳定性是两大关键要素，其涵盖系统中的传感器、控制器以及监测设备等。监控软件方面，则必须具备强大的数据处理与分析能力，能够实时监测并剖析地铁电力运行状况，并可依据需求调整相应的控制与调度策略。

在控制系统中，存在三个关键板块，即数据采集与处理、调度算法与决策、远程监控与控制。

在第一个板块中，监控系统需对地铁电力的诸多参数，诸如电压、电流、功率、能耗等展开实时采集与处理。如此一来，当地铁电力运行出现异常时，便可迅速定位并解决问题。

在第二个板块，调度算法与决策方面。自动调度系统所设计的调度算法与决策模型，应确保地铁电能的合理分配与调度。在设计进程中，需将地铁运营的实际需求置于首位，优化的算法与智能决策能够提升地铁电力的利用效率。

最后，第三个板块即远程监控与控制。借助网络，无论身处何方，均可实时监控地铁电力运行状态，并实施相应的控制与调度操作。这种远程监控与控制模式，极大地增强了地铁运营的灵活性与可靠性，显著降低了人为操作失误与风险。

3.3 数据采集设计及处理

数据采集对地铁电力监控系统的重要性不言而喻，其肩负着实时收集、传输、处理各类电力数据的重任，为系统运行与决策提供坚实的支撑。

数据采集过程通常可划分为三个环节，即数据传感器、数据采集设备以及数据传输通道。数据传感器是将实际电力参数转换为电信号的关键工具，地铁电力监控系统通常采用电流传感器与电压传感器等。数据采集设备可对传感器输出的电信号予以放大与滤波处理，使其契合后续数据处理的要求。该设备的主要构成部分包含模拟量采集模块与数字量采集模块。至于数据传输通道，其任务在于将经过处理的数据通过特定方式传送至数据处理系统，通常会依据地铁的环境状况及实际需求，选用有线通信或无线通信方式。

关于数据采集的处理，主要包含数据解析与数据存储两个环节。数据解析旨在对原始数据进行解析转换，以便于后续的数据处理与分析。数据存储则关乎数据的长期存储与管理，确保数据的安全可靠。此外，在数据处理过程中，还需关注数据的时序性与时间同步性，以保障数据的准确性与一致性。

4 电力监控系统的实施和应用

4.1 实施方法及步骤

在城市轨道交通运行中，电力监控系统的布局与运用是极为关键的环节，其对电力供应的稳定性以及地铁的运行安全起着决定性作用。

在实施项目前期，需开展准备与规划工作，明确项目的目标与需求，制定详尽的计划，并清晰界定分工与责任。此外，对所需的硬件设备与软件系统进行评估与筛选是必不可少的步骤，务必确保其性能优良且适用范围契合需求。

项目启动时，应依照规定的程序与方法推进。首先，进行场地的测试与监测，确定所有监控设备和传感器的安装位置，并规划详细的安装方案。随后进行设备的安装与调试，确保设备能够正常运作并连接至中控系统。

接着，构建并配置网络系统，涵盖局域网和广域网架构，设置网络设备与路由器，并落实网络安全设置，确保系统信息传输与数据存储的安全性。

在硬件设备和网络系统构建完毕并配置完成后，可进一步开展监控系统软件的安装与调试工作。依据地铁运行的需求，对监控系统进行特定设置，包括各类测量参数、异常告警规则等。同时，对系统进行测试与调试，保障系统的稳定与可靠性。

在操作人员培训与技术支持方面，需予以高度重视。使相关人员能够熟练运用和维护系统，及时解答使用过程中出现的问题，同时做好系统的维护与更新工作。

4.2 故障诊断与解决策略

地铁电力监控系统运行过程中可能遭遇诸如供电中断、电力负荷异常以及设备故障等多种故障问题。在地铁的稳定运行与安全性方面，如何及时且有效地检测与解决故障显得尤为关键。

针对不同类型的故障，应考量具体的解决策略。对于常见故障，可依据预设的故障处理手册中规定的方法予以修复。然而，对于更为复杂的故障，则可能需要运用专业知识与经验，结合实时监测数据展开分析，探寻最为适宜的解决方案。同时，借助故障模拟试验与数据分析对解决策略的有效性进行验证，以确保故障能够得到及时修复。

为进一步提升故障解决的效率与准确性，可借助现代化技术手段，如人工智能、大数据分析等。通过对大量历史故障数据的分析与挖掘，能够发现潜在的故障模式与趋势，从而提前采取应对的预防措施。另一种可行的方式是建立一种故障信息处理机制。该机制能够对故障事项进行分类、汇总、剖析，为故障排除及其诊断提供全方位支持。

4.3 测试与运行结果分析

完成电力监控系统设计与实施后，测试与运行结果的分析成为评估系统性能与有效性的关键步骤。为确保系统在实际运行中的可靠性与稳定性，需进行全方位测试。测试可划分为功能测试、性能测试、稳定性测试。

功能测试旨在检验各模块与功能是否正常运作，确保系统功能能够正常发挥。例如，针对高频部分，可模拟多种电力故障与状态变化，以验证系统的响应速度及其故障诊断功能。对于自动调度系统和数据采集方式，通过模拟实际运营过程，验证系统调度与数据采集的功能。

系统性能测试的目标在于检测系统的响应速度、资源利用以及负载处理等指标。例如，模拟大规模的地铁运营场景，考察系统处理大量数据的能力，以及获取实时数据并展示的能力。

稳定性测试主要通过不间断运行来检验系统的稳定性与可靠性。由于系统在地铁运营过程中必须持续运行，因此保障稳定性是系统正常运行的基础。通过模拟地铁连续运行的场景，对系统进行长时间的稳定性测试，并及时发现与解决潜在问题。

通过测试与运行结果的分析，能够全面评估地铁电力监控系统的性能与效果，并依据分析结果进行必要的调整与优化。优化策略可涵盖提升系统性能、改进故障处理流程、强化数据分析等方面，以提高系统的稳定性与可靠性。

5 安科瑞 Acrel - 2000Z 电力监控系统解决方案

5.1 概述

针对用户变电站（通常为 35kV 及以下电压等级），由微机保护装置、开关柜综合测控装置、电气接点无线测温产品、电能质量在线监测装置、配电室环境监控设备、弧光保护装置等设备构成综合自动化的综合监控系统，实现变电、配电、用电的安全运行与全面管理。监控范围涵盖用户变电站、开闭所、变电所及配电室等。

Acrel - 2000Z 电力监控系统是安科瑞电气股份有限公司依据电力系统自动化及无人值守的要求，针对 35kV 及以下电压等级研发的一套分层分布式变电站监控管理系统。该系统融合电力自动化技术、计算机技术、网络技术与信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等功能于一体，呈开放式、网络化、单元化、组态化，适用于 35kV 及以下电压等级的城网、农网变电站和用户变电站，可达成对变电站全方位的控制与管理，满足变电站无人或少人值守的需求，为变电站的安全、稳定、经济运行提供坚实保障。

5.2 应用场所

适用于轨道交通、工业、建筑、学校、商业综合体等 35kV 及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工与运行维护。

5.3 系统架构

Acrel - 2000Z 电力监控系统采用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层，组网方式可为标准网络结构、光纤星型网络结构、光纤环网网络结构，依据用户用电规模、用电设备分布和占地面积等多方面信息综合考量组网方式。

5.4系统功能

（1）实时监测：直观显示配电网的运行状态，实时监测各回路电参数信息，动态监视各配电回路有关故障、告警等信号。

（2）电参量查询：在配电一次图中，可以直接查看该回路详细电参量。

（3）曲线查询：可以直接查看各电参量曲线。

（4）运行报表：查询各回路或设备*定时间的运行参数。

（5）实时告警：具有实时告警功能，系统能够对配电回路遥信变位，保护动作、事故跳闸等事件发出告警。

（6）历史事件查询：对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。

（7）电能统计报表：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。

（8）用户权限管理：设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

（9）网络拓扑图：支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

（10）电能质量监测：可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。

（11）遥控功能：可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

（12）故障录波：可在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况。

（13）事故追忆：可自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息。

（14）Web访问：展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备通信状态，用电分析和事件记录。

（15）APP访问：设备数据页面显示各设备的电参量数据以及曲线。

6系统硬件配置

应用场合	型号	图 片	保护功能
电力监控系统	Acrel- 2000Z

	电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。
网关	ANet- 2E8S1

	8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA等协议的数据接入，ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持断点续传、XML、JSON进行数据传输、支持标准8GBSD卡（32GB）、支持不同协议向多平台转发数据；每个设备的多个报警设置。输入电源：AC/DC220V，导轨式安装。
35kV/10kV/6kV 微机保护装置	AM6-*AM5SE-*

	适用于6-35kv配电线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等中高压柜微机保护
35kV/10kV/6kV 弧光保护	ARB5-M

	主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口；
ARB5-E	扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号：
ARB5-S

	弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域；
35kV/10kV/6kV 进线柜电能质量 在线监测	APView500

	相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。
35kV/100kV/6kV 高压柜智能操控、 节点测温	ASD500		5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、*电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出；
35kV/10kV/6kV 间隔电参量测量	APM830

三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及需量，本月和上月值，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD显示；

35kV/10kV/6kV 高压柜除凝露温湿度控制器

WHD72面板式

	支持测量并显示2路温度，2路湿度。
WHD20R导轨式

	支持测量并显示2路温度，2路湿度。
变压器绕组 温度检测	ARTM-8

	8路温度巡检，预埋PT100，RS485接口，2路继电器输出；
0.4KV低压进出线柜接头测温	ARTM-Pn-E

	无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等*电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯；
ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
0.4KV低压柜内环境温湿度	AHE100

	无线温湿度传感器，温度精度：±1℃，湿度精度：±3％RH，发射频率：5min，传输距离：200m，电池寿命：≥3年（可更换）
ATC600

	两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m，ATC600-C可接收AHE传输的数据，1路485,2路报警出口。
0.4KV低压进线柜多功能电力仪表	AEM96

	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级；工作温度：-10℃～+55℃；相对湿度：≤95不结露
0.4KV低压出线柜多功能电力仪表	AEM72

三相电参量U、1、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、低压出线分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）；电流规格3x1.5(6)A,有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级

7结语

该工程电力监控系统验收投运后，实际运行情况达到预期效果，得到了使用方的满意评价。其便利及实用性主要反映在以下几个方面：
其一，工作人员能够方便且实时地监控电力系统的运行状态，为优化电力设备运行提供了有效参考，可对现场的用电设备进行统一管理，免去了到现场记录的繁琐工作，提升了效率，达成了无人值守智能变电站的目标；
其二，形成了一个基础的能源管理系统，能够完成对能源数据的在线采集、计算、分析及处理，从而在能源物料平衡、调度与优化、能源设备运行与管理等方面发挥着重要的作用；
其三，由于工程庞大而分期实施，系统设计时为后期预留了充足的接口，使用方在后期实施的扩容工程中得到了很大的便利。

该项目存在各变电站内部两台变压器互相备用、变电站之间变压器互相备用的情况，0.4kV 进线和母联 MT 断路器间互投关系复杂，在方案设计阶段需要充分理解电力系统的运行方式，明确各断路器间的投切逻辑关系，以指导硬件连接和软件编写。在电力系统正式投运前还进行了联动调试进行验证，这是该电力监控系统实施的难点。

由于电力监控系统属于智能化供配电系统的一部分，其集成度相当高，工程移交前编写了用户操作手册，并组织使用人员进行了 3 天的理论培训和上机培训，对疑点、难点进行了详细的讲解，让使用人员对电力监控系统的操作有了深入了解，也为该系统在以后的运行中功能得到充分利用奠定了基础。

参考文献

【1】王小飞,杨郑曦,夏宇.地铁电力系统网络安*防御关键技术研究[J].网络安*技术与应用,2023(06):117-120.

【2】黄振信.地铁电力系统蓄电池监测系统网关设计[J].机电工程技术,2018,47(08):133-136.

【3】孙牧君.一种地铁用电力系统报警装置[J].*利大*,2023(11):28.

【4】郑小海,郑小华.一种地铁工程的电力系统用的防白蚁电缆[J].*利大*,2019(6):21.

【5】肖云涛,刘书全.一种地铁工程的电力系统用的阻燃电缆[J].*利大*,2017(11):28.

【6】肖云涛,刘书全.一种地铁工程的电力系统用的无卤电缆[J].*利大*,2017(11):28.

【7】肖云涛,刘书全,高江涛,任西明.一种地铁工程的电力系统用的防鼠咬电缆[J].*利大*,2017(11):28.

【8】左燕张浩.地铁电力系统中谐波产生原因及危害探讨[J].城市建设理论研究(电子版),2013(04):15-20.

【9】史小俊.天津地铁1号线电力系统在实际运用中存在的问题[J].天津建设科技,2008,18(05):82-83.

【10】陈铭.地铁车站附属电缆通道方案规划与设计[J].武汉船舶职业技术学院学报,2023,22(04):92-95.

【11】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版

【12】贾维山，王 建.电力监控系统在地铁运营中的设计与实施

审核编辑 黄宇