城市轨道交通电能质量管理系统的设计和实现

张振华

摘 要 城市轨道交通系统中环控和机电设备、供电系统、牵引系统等技术的飞速发展为城市轨道交通的高效运营提供便捷，但同时也为供配电系统引入了各类电能质量问题。本文首先阐述了城市轨道交通电能质量研究现状，然后详细介绍了城市轨道交通电能质量管理系统的设计和实现，重点描述了前置采集层、数据库层和应用层的实现，最后简单介绍了系统的主要功能。实验室运行结果表明，该系统能够提供合理的能效策略，有效提供能源的利用效率，带来一定的经济效益。

【关键词】轨道交通 电能质量

当前近年来，国家发改委和科技部明确提出了“建设我国节能型综合交通运输体系”的设想。城市轨道交通系统中环控和机电设备、供电系统、牵引系统、管理系统等技术的飞速发展为城市轨道交通的高效运营提供便捷，同时为供配电系统引入了非线性、波动性、冲击性和不平衡特性等电能质量问题。低效的电能质量可能会造成设备退出运行，使保护装置误动、拒动，同时还会影响系统工况，严重威胁系统安全，从而大幅降低运载效率，对社会经济造成较大损失。电压波动和闪变也会降低设备使用寿命，增加设备运维成本。不仅如此，电能质量的污染还会对通信产生干扰，影响车辆及站内信号传输。

目前城市轨道交通的运营部门已提高了对电能质量的认识，越来越多的用户参与到前期建设中，提出了更高质量的用电需求。提高电能质量、满足生产发展需求已经成为供用电双方的共同愿望。深入分析和研究电能质量问题，是适应市场竞争和可持續发展所必需的。

本论文将从系统理论出发，建立系统级平台，通过采集数据，对系统功能进行设计和实现，为轨道交通系统的节能设计、应用改造、管理规范的制定提供理论基础。

1 系统设计思想

1.1 系统架构

如图1所示，本系统采用分层设计，共分三层系统监管中心层、车站层和网络层。

1.1.1 系统监管中心层

系统监管中心负责采集各车站或车辆段的电能质量数据，并对其进行统计分析。该中心主要包括前置采集系统服务器、数据库服务器、Web服务器、操作工作站等设备。

1.1.2 车站层

车站层主要包括数据集中器和各种监测设备。数据集中器对车站或车辆段内的监测设备的数据采集、存储，及与系统监管中心进行数据的交互功能。监测设备。监测设备负责实时监测、采集相应线路的各种电能质量信息。

1.1.3 网络层

网络层完成系统监管中心与各车站或车辆段的通信。实现大容量实时数据的高速汇集传输，确保系统监管中心能够快速、准确得到所有监测数据。

1.2 系统软件方案

依据大数据分析技术，并结合本公司在轨道交通能源监测、控制和运营管理方面的研究成果，提出一套城市轨道交通电能质量管理系统的软件设计方案，如图2所示。

该方案共分三层前置采集层、数据库层和Web服务器层。前置采集层从各个车站或车辆段的数据采集终端采集电能质量数据，并进行相应的统计计算，最后把原始电能质量数据和统计分析结构都存储到入库文件中。数据库层一方面实时搜索入库源文件，然后把源文件中的数据写入到数据库中；另一方面为Web服务器层提供数据源。Web服务器层主要是提供各种实际的应用功能，以供用户对电能质量数据的查看和设置。

3 关键技术及系统实现

3.1 前置采集层程序实现

前置采集层分两个功能模块：采集服务和计算模块。该层采用ACE（Adaptive Communication Environment）框架进行设计。

3.1.1 采集服务

采集服务主要建立与数据采集器建立传输通道和定时生成采集任务。

（1）建立传输通道：采用ACE异步连接类和服务处理类。建立连接的过程：创建异步主动连接，在进行异步连接时，创建新的服务处理类，并将该服务类传递给异步连接类，这样数据的传输就交给服务类去执行。实现服务处理子类中提供的挂钩方法，并通过创建ACE_Sock_Stream和异步读写流类来进行异步通信。

（2）定时生成采集任务：定时采集任务的生成主要使用ACE_Reactor的定时机制，该机制接受事件处理器，以及以ACE_Time_Value对象形式出现的延迟对味参数。此外，可以指定时间间隔，使定时器在它超时后自动恢复。在事件超时的时候适当的调用事件处理器的handle_timeout（）方法。

3.1.2 计算模块

计算模块接收从规约模块传递过来的源电能质量数据，然后对其进行统计分析。本系统目前只实现了如下对象统计分析功能：

电量、三相电压/电流的系数换算（CT＼PT）；三相电压/电流的最值、均值、参考值和偏差；基波电压/电流的的最值、均值和参考值；谐波电压/电流含有率的最值、均值和参考值。

其中参考值的取法为：95%概率值，即将各次测量值按从大到小的顺序排列，去除总数的5%的较大值，取其剩余95%中最大的那个测量值作为代表值。

3.2 数据库层设计

数据库层可分为两部分：数据库和入库模块。数据软件采用Oracle 数据库，用来存储和管理电能质量在线监测系统中各站点监测装置上传的监测数据、经统计分析程序处理后的数据，以及系统的配置信息，并为系统中的Web 服务器模块提供数据检索等服务。入库模块是前置采集层和数据库之间的通道，前置采集模块产生入库文件，入库模块则把入库文件中的数据存储到数据库中。下面将对这两部分做详细介绍。

3.2.1 数据库设计

通过对用户需求的调研分析，本系统涉及到的数据分为四类：设备信息、电能质量数据信息、事件信息、其它信息。从这四类中信息中共抽象出车站资料表表、监测设备资料表、用户表、设备小时电量原始数据表、设备日统计电量表等实体。

数据检索是城市轨道交通电能质量监测系统的主要功能，而且电能质量的统计及分析也要以大量数据检索为基础。所以数据检索速度的快慢直接影响系统的性能，并结合本系统的特点，采用索引和分表存储来改善系统性能。

索引的建立：本系统中对访问比较频繁的逐时电能质量数据表，在其表计号，日期列上建立树索引。

分表管理：对系统中数据量较大的表采用分表存储，每个表都可以单独管理。在执行针对小范围的语句时，所有和本次操作无关的表都不会参与运算，能大大减少语句执行所需的时间。

3.2.2 入库模块的设计及实现

入库模块的主要功能是把入库文件中的数据存储到数据中。数据入库的方式包括：批量入库（插入insert）。批量入库会设置一个批量提交的变量，当插入的数据达到该变量所设的值时，自动执行提交事务，如果提交成功则执行下一次批量插入，否则该次插入的所有數据均插入失败，要一条一条的更新数据。数据更新（更新updata）。只能一条一条的执行，所以该时候入库速度较慢，该方式发生在批量插入失败的时候，而且要更新数据的表一定要有主键存在。流程图如图3。

3.3 Web服务器层

为了更好的实现系统的远程监测和管理，轨道交通电能质量监测系统的应用层采用B/S架构。Web服务器选用Apache。

该软件平台的主要功能包括电量查询、电压分析、报表、告警等功能。

3.3.1 电量查询

电量查询主要功能是查询车站、线路、监测点的电量数据，可按统计类别（小时，日，月，年）等类别进行查询，电量查询界面如图4。

3.3.2 电压分析

电压分析模块可以按日、月、年查询任意计量点的三相电压最大值及发生时间、最小值及发生时间、平均值和参考值。电压分析界面展示如图5所示。

3.3.3 报表定制

提供灵活的图形界面报表工具，可生产任意格式自定义报表；所有系统报表均支持手动生产和定期自动生成功能，支持Excel、PDF等多种格式，用户可方便进行编辑和打印；提供自定义报表功能，用户可以定制自己喜欢的各类报表的样式和内容。报表定制功能展示如图6所示。

3.3.4 报警管理

系统提供灵活、丰富的告警管理功能，对设备运行状态、仪表故障、数据异常等事件进行告警；可灵活设置不同的预报警条件、目标限值等；支持声音、闪烁条等多种报警方式；报警信息支持通过消息或短信方式提醒管理人员。报警管理展示如图7所示。

4 结论

本文从系统理论出发，建立了一套适用于城市轨道交通电能质量管理系统的软件平台，为轨道交通系统的节能设计、应用改造、管理规范的制定提供理论基础，协助运营单位提高电能的管理效果和管理水平。通过对电能质量数据的综合评估，提高供电系统的稳定性和可靠性，并根据电能的实际使用情况和电能质量的综合评价，减少供电设备实际损耗、提高供电系统电能质量效率、延长设备的运行使用寿命。

参考文献

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[2]韩治.城市轨道交通能源管理系统设计方案[J].铁道标准设计，2013.

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[4]孙艺敏，何艺.大工业用户能效监测平台的设计及开发[J].广西电力，2012（01）：17-20.

作者单位

天津凯发电气股份有限公司 天津市 300000