电气自动化在城市轨道交通供电系统中的应用与优化

摘 要：本研究旨在探索电气自动化技术在城市轨道交通供电系统中的具体应用路径并提出一系列切实可行的优化措施，力求为构建更加高效、可靠的城市轨道交通体系提供技术支持。期望本文的研究能够为相关领域的专业人士提供有价值的参考，促进电气自动化技术在城市轨道交通领域的广泛应用与发展。

关键词：电气自动化 轨道交通 供电系统

1 绪论

随着城市化进程的不断加速，城市轨道交通作为现代都市公共交通的重要组成部分面临着前所未有的发展机遇与挑战：日益增长的客流量对轨道交通系统的承载能力和运营效率提出了更高要求，传统供电系统存在的诸如能耗高、故障率高以及维护成本高等问题逐渐凸显，成为制约轨道交通可持续发展的瓶颈。电气自动化技术凭借高效的数据处理能力、精准的控制功能以及强大的故障诊断优势在优化城市轨道交通供电系统方面展现出巨大潜力，由此观之，将电气自动化技术引入城市轨道交通供电系统，既能够显著提升系统的整体性能又能有效应对上述挑战并推动交通行业的智能化转型。

2 城市轨道交通供电系统概述

2.1 系统架构

城市轨道交通供电系统是保障列车平稳运行的基础，核心在于将外部电源转换为适合列车使用的直流电，这一过程涉及多个环节，从外部电网接入到高压转换再到低压配电，每一个步骤都需要精密的设计与协调。供电系统通常由主变电所、牵引变电所、馈电线、接触网、回流线以及轨道等部分构成[1]，其中主变电所负责从城市电网接收高压交流电并将其转换为适合轨道交通使用的电压等级，牵引变电所则进一步将电压降至适合列车牵引电机使用的直流电，作为电力传输的最后一环，接触网直接为列车提供动力，而回流线与轨道共同构成了电力返回的路径以确保电流的完整循环。

2.2 关键技术

支撑城市轨道交通供电系统高效运行的关键技术主要包括牵引供电技术和变电所管理技术。牵引供电技术涉及高压转换、逆变器控制及电力电子器件的应用，有助于确保电力传输的高效与稳定，逆变器是核心部件之一，负责将直流电转换为交流电以供列车牵引电机使用，先进的逆变器控制系统能够实现精确的速度调节与能量回馈进而提高系统的整体能效。变电所管理技术也是不可或缺的一部分，它涵盖变电所自动化监控、远程控制及故障诊断等多个方面，通过部署SCADA系统（数据采集与监控系统）来实现对变电所设备状态的实时监控与数据分析，从而及时发现并处理潜在问题。

2.3 发展趋势

未来的城市轨道交通供电系统的发展趋势将更加注重智能化与绿色化。随着物联网、大数juD6TEbYeF1HeyKQ4QLzGw==据分析及人工智能技术的进步，供电系统将进一步向智能化方向发展，比如通过部署智能传感器网络来实时获取更多元化的运行数据，为精细化管理和预测性维护提供支持。另一方面，绿色能源的应用将成为供电系统的重要发展方向之一，太阳能、风能等可再生能源的引入在减少对化石燃料依赖的同时还能降低运营成本，实现可持续发展目标。储能技术的进步也将为供电系统的灵活性带来新的机遇，通过合理配置储能装置有效平衡供需矛盾并提高电力使用的经济性与环保性。在全球范围内，诸如德国和日本等国家已经开始积极探索新能源在轨道交通领域的应用，为其他地区提供了宝贵的实践经验。

3 电气自动化技术的应用

3.1 智能监控与故障诊断

电气自动化技术在城市轨道交通供电系统中的应用首先体现在智能监控与故障诊断领域。借助集成先进的传感器网络，系统可以实时监测供电状态，包括电压、电流、温度等关键参数的变化，这些传感器不仅分布在变电站内部的关键设备上，还广泛布设于接触网、回流线等重要位置。传感器采集的数据通过无线通信技术实时传输至中央控制平台，随后利用大数据分析技术对海量数据进行处理与分析，快速识别出潜在故障点并进行故障预测[2]。北京地铁在其供电系统中部署了多种类型的传感器来实时监测变电站内的变压器温度、油位等指标，同时结合历史数据进行分析，最终达到在故障发生前进行预警的目的，有效避免了因突发故障导致的服务中断，故障诊断系统还能够根据故障类型自动启动相应的应急响应程序，进一步提高了系统的安全性和可靠性。

3.2 能源管理系统的集成与优化

电气自动化技术还广泛应用于能源管理系统（EMS）中，主要通过优化能量管理方案提高系统的能效比，减少能耗。EMS集成的云计算和人工智能算法能够对电网负荷进行精确预测并据此制定合理的用电计划，举例来讲，系统在早晚高峰时段会自动调整负载分配以确保关键线路的电力供应不受影响，而在非高峰时段则通过智能调度减少不必要的电力消耗。通过整合分布式能源资源（如太阳能光伏板和储能装置），EMS还可以实现能源的多元化供应，进一步降低对传统电网的依赖[3]。广州有轨电车项目安装了光伏发电系统，同时与EMS相结合，既降低了运营成本又促进了可再生能源的利用，该系统通过智能调度将白天多余的太阳能电力储存起来用于夜间或阴天时的供电，实现了能源的高效利用。

3.3 自动化调度与供电优化

除了智能监控和能源管理，自动化技术也在列车调度与设备维护中发挥了重要作用，即建立基于大数据分析的决策支持系统来实现列车运行计划的动态调整，确保列车准时发车并按时到达目的地。该系统能够根据实时客流数据、天气预报等因素动态调整列车时刻表并优化列车调度方案，主要借助各种智能优化算法对车辆的调度方案进行迭代，迭代结束之后从多种方案中选出符合当前情况的最优调度方案。自动化技术还可以实现对供电系统的智能化管理，自动化调度系统可以根据实时客流数据调整列车发车间隔并通过智能算法优化供电策略，确保关键线路的电力供应不受影响，系统还能根据天气预报等因素提前调整供电计划，即便在恶劣天气条件下仍能维持稳定的电力供应。上海地铁在这方面积累了宝贵的经验，在自动化调度系统的支持下，上海地铁能够根据实时客流数据动态调整列车时刻表，保证运力与需求匹配，减少乘客等待时间，同时系统还能根据设备状态自动优化供电策略，在减少电力浪费的同时延长设备使用寿命。由此可见，自动化的调度与供电优化不仅有助于提高系统的运行效率，还为乘客提供了更加优质的服务体验。

3.4 数据驱动的预测性维护

电气自动化技术在城市轨道交通供电系统中的另一重要应用领域是数据驱动的预测性维护，传统的电力维护模式往往依赖于定期检查和事后修复，这种方式效率低下且容易导致设备因突发故障而停运，相比之下，预测性维护持续收集设备运行数据并利用先进的数据分析技术，因而能够提前识别出设备可能出现的问题，实现在故障发生之前采取预防措施的目的。

预测性维护依赖于先进的数据采集与处理技术以及机器学习算法，数据采集系统将设备运行状态的信息汇总并通过高速通信网络传输至数据中心，由专门的数据处理平台进行存储和分析，随后利用机器学习算法（如模式识别、分类算法等）来训练模型识别设备正常运行与故障状态之间的差异进而实现对潜在电力故障的预测。一些城市的地铁在其供电系统中采用了预测性维护方案，后者对变电站中的变压器、断路器等关键设备的状态进行实时监测并收集各种设备的运行数据，包括但不限于电压、电流、功率等参数，然后基于收集的数据，维护团队使用机器学习算法建立了故障预测模型，当模型检测到某一设备存在潜在故障时系统会自动触发警报并提供详细的诊断报告，技术人员因而能够迅速定位问题所在[4]。系统还会根据设备的历史数据和当前状态预测未来的维护需求，从而允许维护人员提前安排检修计划，这一方式大大减少了非计划性的停机时间，同时提高了供电系统的可用性和可靠性。预测性维护既带来了显著的经济效益又产生了积极的社会效益，因为减少了因设备故障导致的服务中断次数，乘客的出行体验得到了明显改善，由于能够更精确地预测维护需求，过度维护带来的资源浪费也大大减少。

4 优化策略与案例研究

4.1 智能监控与故障诊断的优化

针对传感器网络的优化问题，在城市轨道交通供电系统中可以引入多模态感知技术，即结合视觉、声音、振动等多种传感器数据实现对设备状态的全面感知，比如在变电站内部安装高清摄像头来实时监测设备外观变化，并结合声音传感器捕捉异常噪音，最后借助图像识别与音频分析技术综合判断设备健康状况并提前预警潜在故障。数据处理和分析方面，利用边缘计算技术在传感器端或接近传感器的位置进行初步数据处理以减少数据传输延迟，随后通过实时分析技术即时反馈异常情况，减少从数据采集到故障响应的时间间隔进而提高系统的响应速度，比如在接触网沿线部署带有本地计算能力的传感器节点，实时监测电流波动并在本地进行初步分析，将异常数据上传至中央控制平台。还可以应用智能巡检机器人替代部分常规的人工巡检，机器人能够自主导航并在预定路线内完成设备状态检查，它们配备高清摄像机、红外成像仪等设备，能够进行多维度监测并将数据实时传输给控制中心。无人机的应用也有利于优化智能监控与故障诊断，无人机可以进行高空线路巡检，减少人力投入并提高巡检效率，无人机配备的高清摄像头和红外成像仪能够实时传输图像数据，及时发现线路故障，一般来说，在轨道线路的高架桥段比较适合使用无人机进行定期巡检，确保接触网的安全运行。

4.2 能源管理系统（EMS）的优化

首先是虚拟电厂技术的应用，在城市轨道交通供电系统中可利用虚拟电厂技术整合分布式能源资源，实现能源的统一调度与管理，举例来讲，将地铁站内的太阳能光伏板、储能装置和传统发电单元连接成一个虚拟电厂并通过智能调度算法优化能源利用，在高峰时段优先使用光伏发电，同时将多余的电量储存起来用于非高峰时段的供电。引入区块链技术建立去中心化的能源交易平台，确保能源交易的透明度和安全性，区块链的智能合约可以自动执行能源交易，减少中间环节以降低交易成本，提高能源市场的灵活性，如在轨道上安装多个分布式能源节点并通过区块链技术实现能源的实时交易和结算。微电网技术在城市轨道交通供电系统中的应用能够实现局部区域内的自给自足，通过建立独立的小型电网，城市轨道交通的各个站点可以利用自身拥有的可再生能源和储能设施在一定程度上实现能源自治，微电网技术不仅能够提高能源利用效率，还能增强系统的抗灾能力，在突发停电事件中，微电网仍能独立运行，为地铁站提供必要的电力支持。

4.3 自动化调度与供电的创新优化

自动化技术在列车调度与供电中发挥了重要作用，为了进一步优化这些方面，可以考虑以下创新策略。引入智能预测与动态调度，结合深度学习与自然语言处理技术来自动分析社交媒体上的实时交通状况信息并据此预测未来客流变化，根据预测结果动态调整列车调度计划，让运力与需求始终匹配。利用数字孪生技术创建设备的虚拟模型以模拟设备在不同工况下的运行状态，通过虚拟环境中的测试与优化来指导实际设备的维护与升级，提高设备的可靠性和使用寿命，例如，在虚拟环境中模拟供电系统中各个设备的运行状态，借助仿真测试找出最优维护方案。

4.4 数据驱动的预测性维护创新优化

数据驱动的预测性维护通过持续收集设备运行数据并利用先进的数据分析技术，能够提前识别设备可能出现的问题。为了进一步优化这一领域，可以利用增强现实技术在现场维护过程中提供可视化指导，帮助技术人员快速定位故障点，技术人员佩戴AR眼镜，后者将虚拟信息叠加到实际环境中，能够直观显示设备内部结构和维修步骤。尽管增强现实技术在预测性维护中有巨大的潜力，但目前其成本仍然较高且技术尚未完全成熟，因此在实际应用领域中的普及程度有限，更多被视为未来发展的方向。基于知识图谱的故障诊断系统可以整合设备运行数据、维修记录、专家经验等多源信息，通过知识推理技术自动识别故障模式并推荐解决方案，提高诊断的准确性和效率，故知识图谱的引入也是优化方向之一。物联网（IoT）可用于构建高度互联的设备网络，实现设备间的数据共享与协同工作，在微服务架构下设计的故障诊断系统具备更高的可扩展性和灵活性，有助于后续功能扩展与维护，因此，可以考虑在供电系统各设备内部构建IoT平台并通过微服务架构实现系统的灵活扩展。

5 结语

电气自动化技术在城市轨道交通供电系统中的应用具有深远的意义，它有效地解决了传统供电系统中存在的问题并推动城市轨道交通向更加高效、智能的方向发展，为公众提供了更为便捷、可靠的出行服务，展现了电气自动化在未来城市交通发展中不可替代的作用。

参考文献：

[1]侯峰，王帅，何治新，等.城市轨道交通贯通供电方式牵引网分段供电方案及故障辨识方法[J].城市轨道交通研究，2024，27（09）：47-52.DOI：10.16037/j.1007-869x.2024.09.008.

[2]寇元召.接触网智能监测系统在城市轨道交通供电系统运维中的应用研究[J].工程建设与设计，2024（14）：86-88.DOI：10.13616/j.cnki.gcjsysj.2024.07.228.

[3]戴文通.电气自动化设备在城市轨道交通中的实践探究[J].人民公交，2024（10）：79-81.DOI：10.16857/j.cnki.cn11-5903/u.2024.10.025.

[4]孙金华.城市轨道交通牵引供电自动化系统研究与应用[Z].江苏省，国电南京自动化股份有限公司，2019-03-29.