物联网技术助力双源无轨电车供电系统智能化

2017-12-27金晓霖

城市公共交通 2017年10期

■ 金晓霖杨斌

■ 金晓霖杨斌

作为连接供电线网的重要元件，隔离开关承担着电气隔离和电能输送的任务。隔离开关的操作依靠人工现场完成，不仅效率低而且线网停电时间长，会影响双源无轨电车的正常行驶和充电。基于物联网技术的智能隔离开关通过远程后台即可完成分合闸控制，并能实时采集线网电压，显著提高线网的供电质量和管理水平，可实现双源无轨电车供电系统整体智能化。

1 北京公交双源无轨电车及其供电系统

北京公交集团目前运营的双源无轨电车超过1200辆，供电线网200双对公里以上，运营线路30条。双源无轨电车的动力来源主要是道路上方架设的供电线网，供电站将交流10kV电能转换为直流电能，通过馈线电缆传输到馈电隔离开关，由隔离开关将电能输送到供电线网。供电线网可为双源无轨电车提供直接驱动车辆行驶的电能，也能为车载储能设备提供持续稳定的充电电流。供电站、馈线电缆、馈电隔离开关和供电线网构成了双源无轨电车供电系统，如图1所示。

图1 双源无轨电车供电系统示意图

双源无轨电车供电系统不仅要为车辆提供动力和充电能源，还要为车辆上装设的空调(暖气）、气泵等设备提供电能。随着电车数量的增加，供电系统的负荷大幅度上升，易导致电站供电设备、地下电缆接头过热和绝缘老化等问题，在维修供电设备时无法给线网提供电能。另外，城市道路等施工作业也会使供电电缆被截断、损坏接地。当出现上述问题时，需要断开馈电隔离开关，将问题电缆和对应线网进行隔离，并使用相邻线网进行联络应急供电，保证车辆正常运行。

供电线网作为双源无轨电车的动力来源，其电压分布也会影响车辆驱动电机的正常工作。当长距离供电线网下出现车辆密集行驶时，线网末端电压普遍偏低。一般来说，车辆正常行驶的最小驱动电压不应低于系统标称电压的20%，即使在极端情况下也不能低于系统标称电压的30%。同时，线网作为电车的充电网络，其电压的波动情况也会影响车载储能装置的正常充电，以750V供电系统为例，车载锂电池的正常充电电压范围是608V～900V。因此，对线网电压特别是末端电压的测量监视尤为重要，当发现供电电压偏低时，可进行末端均压等操作，以提高线网末端供电电压。

供电线网的管理如隔离、联络以及末端电压测量等操作，一直以来采取现场人工方式。由于馈电隔离开关设置在供电线网附近，联络应急供电和末端电压测量也必须到线网末端完成，当出现故障时，工作人员必须迅速赶到现场进行操作，以尽快对线网进行隔离并恢复供电。由于供电线网分布范围广，人员和架线车辆到达现场的时间较长，当遇到城市早晚高峰时，恢复供电的时间更长。北京公交高峰期人员和车辆到达现场的时间有时会超过2个小时，严重影响了车辆的正常供电和充电。

北京公交双源无轨电车供电系统智能化的箱式电站（图2）、远程后台系统（图3、图4、图5）、全新的故障检测技术和信息交互技术已让供电站实现了无人值守。智能化的箱式和房式电站已经实现了各类电量与非电量的数字化远程监测、故障自动识别、供电自动恢复、设备远程控制等。相比之下，供电线网的管理还停留在上世纪90年代水平，不仅操作效率较低，而且容易导致线网长时间无法正常供电。

图2 北京公交电车供电系统现场运行的箱式供电站

图3 北京公交电车供电系统远程后台

图4 新型隔离开关和远程后台拓扑图

图5 现场运行的智能远程馈电开关箱和联络开关箱

2 物联网技术的智能隔离开关及其应用

为了减小线网停电时间，提高隔离开关的操作效率，利用通信手段实现隔离开关的远程控制和线网电压数值的实时监测是最为便捷可行的方式。由于供电线网广泛分散在城市街道，采用有线通信方式必然会导致通信电缆重新铺设，对各个城市而言很难做到。面对这个难题，可借助当前迅猛发展的基于无线通信的物联网技术。物联网，英文名称IoT（Internet of things），简单地说就是“物物相连的互联网”，物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中。物联网的技术方向很多，如3G/4G，GPRS，NB-IoT，Lora，Sigfox等。考虑到供电线网在城市中分布区域广，开关操作和电压测量的数据交互量不大的特点，可选择覆盖面较广且应用成熟的GPRS技术。

基于物联网技术的智能隔离开关具有如下功能特点：可借助运营商成熟的网络与远程后台进行连接，在几十秒内即可完成开关状态、开关两侧电压、开关箱内温度等数据采集，也可由后台下发指令对开关进行远程分合闸操作；可支持现场WIFI连接，考虑到隔离开关经常安装在人员不易操作的位置，通过WIFI进行数据交互可大大减轻设备现场维护的工作量；隔离开关操作时能自动实现电压互锁，防止开关带电压、带负荷操作；能够对开关、储能设备、控制器等关键部件的运行状态进行实时诊断。

智能隔离开关能够根据双源无轨电车供电系统的工作要求完成多种应用。

（1）供电线网电压分布测量。通过对线网电压的数据采集，特别是在早晚高峰车辆拥堵密集时，可以评估供电线网能否为车辆行驶提供足够的动力电源和充电电压；后台系统可对所采集的电压数据进行存储和分析，为线网的布局和配置提供大数据依据。供电线网电压分布测量如图6所示。

（2）地下电缆绝缘检测。当智能隔离开关和供电站结合起来时，可高效率地完成针对地下电缆的绝缘检测（图7）。通过远程后台系统闭合供电站内某个直流馈线断路器，断开其余直流馈线回路，并将该直流馈线对应的馈电隔离开关断开，此时使用供电站内的绝缘检测设备即可评估该馈线电缆对地的绝缘泄漏情况。考虑到远程后台系统对隔离开关操作的高效性，可以定期对所有直流馈线电缆进行绝缘泄漏评估，记录相关数据并对比，以了解馈线电缆对地泄漏的变化。

双源无轨电车的动力技术、电池技术以及集电杆取电方式近年来发生了日新月异的变化。北京、济南、青岛等多个城市的双源无轨电车供电站已完成了全面自动化和无人值守，在大幅度提高电站工作效率和各类判断准确率的同时，显著降低了人力成本。供电线网作为供电系统服务车辆的“最后一公里”，其供电质量与持续供电时间等已经成为影响车辆正常运营的关键，借助当前高速发展的物联网技术，智能隔离开关能够显著提高供电线网的工作效率，并为整个供电系统智能化打下坚实基础。