城市軌道交通電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

張振華

摘 要 城市軌道交通系統(tǒng)中環(huán)控和機(jī)電設(shè)備、供電系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展為城市軌道交通的高效運(yùn)營(yíng)提供便捷，但同時(shí)也為供配電系統(tǒng)引入了各類(lèi)電能質(zhì)量問(wèn)題。本文首先闡述了城市軌道交通電能質(zhì)量研究現(xiàn)狀，然后詳細(xì)介紹了城市軌道交通電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)描述了前置采集層、數(shù)據(jù)庫(kù)層和應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)，最后簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)的主要功能。實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠提供合理的能效策略，有效提供能源的利用效率，帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】軌道交通 電能質(zhì)量

當(dāng)前近年來(lái)，國(guó)家發(fā)改委和科技部明確提出了“建設(shè)我國(guó)節(jié)能型綜合交通運(yùn)輸體系”的設(shè)想。城市軌道交通系統(tǒng)中環(huán)控和機(jī)電設(shè)備、供電系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展為城市軌道交通的高效運(yùn)營(yíng)提供便捷，同時(shí)為供配電系統(tǒng)引入了非線(xiàn)性、波動(dòng)性、沖擊性和不平衡特性等電能質(zhì)量問(wèn)題。低效的電能質(zhì)量可能會(huì)造成設(shè)備退出運(yùn)行，使保護(hù)裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)，同時(shí)還會(huì)影響系統(tǒng)工況，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全，從而大幅降低運(yùn)載效率，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成較大損失。電壓波動(dòng)和閃變也會(huì)降低設(shè)備使用壽命，增加設(shè)備運(yùn)維成本。不僅如此，電能質(zhì)量的污染還會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生干擾，影響車(chē)輛及站內(nèi)信號(hào)傳輸。

目前城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)部門(mén)已提高了對(duì)電能質(zhì)量的認(rèn)識(shí)，越來(lái)越多的用戶(hù)參與到前期建設(shè)中，提出了更高質(zhì)量的用電需求。提高電能質(zhì)量、滿(mǎn)足生產(chǎn)發(fā)展需求已經(jīng)成為供用電雙方的共同愿望。深入分析和研究電能質(zhì)量問(wèn)題，是適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和可持續(xù)發(fā)展所必需的。

本論文將從系統(tǒng)理論出發(fā)，建立系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)，通過(guò)采集數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，為軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)、應(yīng)用改造、管理規(guī)范的制定提供理論基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，共分三層系統(tǒng)監(jiān)管中心層、車(chē)站層和網(wǎng)絡(luò)層。

1.1.1 系統(tǒng)監(jiān)管中心層

系統(tǒng)監(jiān)管中心負(fù)責(zé)采集各車(chē)站或車(chē)輛段的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。該中心主要包括前置采集系統(tǒng)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web服務(wù)器、操作工作站等設(shè)備。

1.1.2 車(chē)站層

車(chē)站層主要包括數(shù)據(jù)集中器和各種監(jiān)測(cè)設(shè)備。數(shù)據(jù)集中器對(duì)車(chē)站或車(chē)輛段內(nèi)的監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，及與系統(tǒng)監(jiān)管中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互功能。監(jiān)測(cè)設(shè)備。監(jiān)測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集相應(yīng)線(xiàn)路的各種電能質(zhì)量信息。

1.1.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層完成系統(tǒng)監(jiān)管中心與各車(chē)站或車(chē)輛段的通信。實(shí)現(xiàn)大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高速匯集傳輸，確保系統(tǒng)監(jiān)管中心能夠快速、準(zhǔn)確得到所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)軟件方案

依據(jù)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，并結(jié)合本公司在軌道交通能源監(jiān)測(cè)、控制和運(yùn)營(yíng)管理方面的研究成果，提出一套城市軌道交通電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

該方案共分三層前置采集層、數(shù)據(jù)庫(kù)層和Web服務(wù)器層。前置采集層從各個(gè)車(chē)站或車(chē)輛段的數(shù)據(jù)采集終端采集電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最后把原始電能質(zhì)量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)構(gòu)都存儲(chǔ)到入庫(kù)文件中。數(shù)據(jù)庫(kù)層一方面實(shí)時(shí)搜索入庫(kù)源文件，然后把源文件中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中；另一方面為Web服務(wù)器層提供數(shù)據(jù)源。Web服務(wù)器層主要是提供各種實(shí)際的應(yīng)用功能，以供用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的查看和設(shè)置。

3 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 前置采集層程序?qū)崿F(xiàn)

前置采集層分兩個(gè)功能模塊：采集服務(wù)和計(jì)算模塊。該層采用ACE（Adaptive Communication Environment）框架進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1.1 采集服務(wù)

采集服務(wù)主要建立與數(shù)據(jù)采集器建立傳輸通道和定時(shí)生成采集任務(wù)。

（1）建立傳輸通道：采用ACE異步連接類(lèi)和服務(wù)處理類(lèi)。建立連接的過(guò)程：創(chuàng)建異步主動(dòng)連接，在進(jìn)行異步連接時(shí)，創(chuàng)建新的服務(wù)處理類(lèi)，并將該服務(wù)類(lèi)傳遞給異步連接類(lèi)，這樣數(shù)據(jù)的傳輸就交給服務(wù)類(lèi)去執(zhí)行。實(shí)現(xiàn)服務(wù)處理子類(lèi)中提供的掛鉤方法，并通過(guò)創(chuàng)建ACE_Sock_Stream和異步讀寫(xiě)流類(lèi)來(lái)進(jìn)行異步通信。

（2）定時(shí)生成采集任務(wù)：定時(shí)采集任務(wù)的生成主要使用ACE_Reactor的定時(shí)機(jī)制，該機(jī)制接受事件處理器，以及以ACE_Time_Value對(duì)象形式出現(xiàn)的延遲對(duì)味參數(shù)。此外，可以指定時(shí)間間隔，使定時(shí)器在它超時(shí)后自動(dòng)恢復(fù)。在事件超時(shí)的時(shí)候適當(dāng)?shù)恼{(diào)用事件處理器的handle_timeout（）方法。

3.1.2 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊接收從規(guī)約模塊傳遞過(guò)來(lái)的源電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本系統(tǒng)目前只實(shí)現(xiàn)了如下對(duì)象統(tǒng)計(jì)分析功能：

電量、三相電壓/電流的系數(shù)換算（CT＼PT）；三相電壓/電流的最值、均值、參考值和偏差；基波電壓/電流的的最值、均值和參考值；諧波電壓/電流含有率的最值、均值和參考值。

其中參考值的取法為：95%概率值，即將各次測(cè)量值按從大到小的順序排列，去除總數(shù)的5%的較大值，取其剩余95%中最大的那個(gè)測(cè)量值作為代表值。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)層可分為兩部分：數(shù)據(jù)庫(kù)和入庫(kù)模塊。數(shù)據(jù)軟件采用Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)存儲(chǔ)和管理電能質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各站點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析程序處理后的數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)的配置信息，并為系統(tǒng)中的Web 服務(wù)器模塊提供數(shù)據(jù)檢索等服務(wù)。入庫(kù)模塊是前置采集層和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的通道，前置采集模塊產(chǎn)生入庫(kù)文件，入庫(kù)模塊則把入庫(kù)文件中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。下面將對(duì)這兩部分做詳細(xì)介紹。

3.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)用戶(hù)需求的調(diào)研分析，本系統(tǒng)涉及到的數(shù)據(jù)分為四類(lèi)：設(shè)備信息、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)信息、事件信息、其它信息。從這四類(lèi)中信息中共抽象出車(chē)站資料表表、監(jiān)測(cè)設(shè)備資料表、用戶(hù)表、設(shè)備小時(shí)電量原始數(shù)據(jù)表、設(shè)備日統(tǒng)計(jì)電量表等實(shí)體。

數(shù)據(jù)檢索是城市軌道交通電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能，而且電能質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)及分析也要以大量數(shù)據(jù)檢索為基礎(chǔ)。所以數(shù)據(jù)檢索速度的快慢直接影響系統(tǒng)的性能，并結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用索引和分表存儲(chǔ)來(lái)改善系統(tǒng)性能。

索引的建立：本系統(tǒng)中對(duì)訪(fǎng)問(wèn)比較頻繁的逐時(shí)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)表，在其表計(jì)號(hào)，日期列上建立樹(shù)索引。

分表管理：對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量較大的表采用分表存儲(chǔ)，每個(gè)表都可以單獨(dú)管理。在執(zhí)行針對(duì)小范圍的語(yǔ)句時(shí)，所有和本次操作無(wú)關(guān)的表都不會(huì)參與運(yùn)算，能大大減少語(yǔ)句執(zhí)行所需的時(shí)間。

3.2.2 入庫(kù)模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

入庫(kù)模塊的主要功能是把入庫(kù)文件中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中。數(shù)據(jù)入庫(kù)的方式包括：批量入庫(kù)（插入insert）。批量入庫(kù)會(huì)設(shè)置一個(gè)批量提交的變量，當(dāng)插入的數(shù)據(jù)達(dá)到該變量所設(shè)的值時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行提交事務(wù)，如果提交成功則執(zhí)行下一次批量插入，否則該次插入的所有數(shù)據(jù)均插入失敗，要一條一條的更新數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)更新（更新updata）。只能一條一條的執(zhí)行，所以該時(shí)候入庫(kù)速度較慢，該方式發(fā)生在批量插入失敗的時(shí)候，而且要更新數(shù)據(jù)的表一定要有主鍵存在。流程圖如圖3。

3.3 Web服務(wù)器層

為了更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理，軌道交通電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用層采用B/S架構(gòu)。Web服務(wù)器選用Apache。

該軟件平臺(tái)的主要功能包括電量查詢(xún)、電壓分析、報(bào)表、告警等功能。

3.3.1 電量查詢(xún)

電量查詢(xún)主要功能是查詢(xún)車(chē)站、線(xiàn)路、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電量數(shù)據(jù)，可按統(tǒng)計(jì)類(lèi)別（小時(shí)，日，月，年）等類(lèi)別進(jìn)行查詢(xún)，電量查詢(xún)界面如圖4。

3.3.2 電壓分析

電壓分析模塊可以按日、月、年查詢(xún)?nèi)我庥?jì)量點(diǎn)的三相電壓最大值及發(fā)生時(shí)間、最小值及發(fā)生時(shí)間、平均值和參考值。電壓分析界面展示如圖5所示。

3.3.3 報(bào)表定制

提供靈活的圖形界面報(bào)表工具，可生產(chǎn)任意格式自定義報(bào)表；所有系統(tǒng)報(bào)表均支持手動(dòng)生產(chǎn)和定期自動(dòng)生成功能，支持Excel、PDF等多種格式，用戶(hù)可方便進(jìn)行編輯和打??；提供自定義報(bào)表功能，用戶(hù)可以定制自己喜歡的各類(lèi)報(bào)表的樣式和內(nèi)容。報(bào)表定制功能展示如圖6所示。

3.3.4 報(bào)警管理

系統(tǒng)提供靈活、豐富的告警管理功能，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、儀表故障、數(shù)據(jù)異常等事件進(jìn)行告警；可靈活設(shè)置不同的預(yù)報(bào)警條件、目標(biāo)限值等；支持聲音、閃爍條等多種報(bào)警方式；報(bào)警信息支持通過(guò)消息或短信方式提醒管理人員。報(bào)警管理展示如圖7所示。

4 結(jié)論

本文從系統(tǒng)理論出發(fā)，建立了一套適用于城市軌道交通電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，為軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)、應(yīng)用改造、管理規(guī)范的制定提供理論基礎(chǔ)，協(xié)助運(yùn)營(yíng)單位提高電能的管理效果和管理水平。通過(guò)對(duì)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的綜合評(píng)估，提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并根據(jù)電能的實(shí)際使用情況和電能質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，減少供電設(shè)備實(shí)際損耗、提高供電系統(tǒng)電能質(zhì)量效率、延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行使用壽命。

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作者單位

天津凱發(fā)電氣股份有限公司 天津市 300000