城市轨道交通线网电力监控系统拓扑着色解决方案

陆苏宁

摘要：城市轨道交通的建设，带动了城市的发展。随着城市轨道交通建设的不断发展，车站、线路、车辆、通信等系统也随之发展，以适应现代城市道路交通的需要。其中车站信号系统是地铁实现自动控制、实现地铁安全运行最重要的设备。由于城市轨道交通运行密度大、环境恶劣，且行车速度较快、运营压力大等特点，为保证安全运行，需要有效地保障行车设备及行车安全。基于此，本文针对城市轨道交通线网电力监控系统拓扑着色问题进行深入分析，给出相应的解决方案，旨在促进我国城市轨道交通事业更好地发展。

关键词：城市轨道交通；电力监控系统；拓扑着色

一、城市轨道交通线网电力监控系统总体架构与功能

城市轨道交通线网电力监控系统主要包括数据采集系统和监控中心系统，数据采集系统由主站信息系统和控制中心系统组成。主站信息系统包括站务管理系统，车站主电源管理系统，车站供电系统等。站务管理系统主要负责地铁车站和轨道的站务、运输、消防等管理工作。控制中心系统包括车辆动态控制系统和区间综合控制系统两大系统。车辆动态控制系统主要用于对行车安全进行动态监控和记录；区间综合控制系统是地铁车站及其他车辆内的通信、信号和控制设备等；区间综合控制系统主要用于控制列车在区间内的运行。区间综合控制系统主要用于对行车安全进行动态管理。区间综合控制系统为信号系统与自动控制系统及车辆及通信系统提供统一的信息交换平台。区间综合技术监控系统由综合车站信息系统(CBTC)、区间综合控制系统(FAS)、区间综合监视系统(FDS)三部分组成“控制”、“停车”三大功能单元。

二、城市轨道交通线网电力监控系统中存在的问题

城市轨道交通线路的供电方式主要是城市配电系统和城市配电网组成。其中配电网的供电方式有常规电力和无功电压控制方式（一般用来调节负荷）。而轨道交通电力监控系统通过对配电变压器、高压电缆、变电所及变电站等电力监控系统进行实时监控，对发生故障、及时发现问题并迅速采取措施予以排除故障、保护设施等进行控制。由于目前国内电表主要采用单级计数技术和自动记录方式实现监测电量自动分析，不仅耗时较长；而且存在缺陷漏点较多，故障原因难以准确定位问题。此外，目前国内大多数城市电力部门采取了常规手段对城市轨道交通电网进行巡视和监控，由于常规巡视手段不能及时发现缺陷并迅速采取措施予以排除故障，这样使得电气设备缺陷难以准确定位，容易引起设备失控而发生事故或引发安全隐患。而目前国内电力巡检人员都没有经过专业培训和现场经验传授，且由于缺乏专业技术手段，造成设备故障无法及时发现，易造成电气设备故障酿成事故或引发安全隐患。

（一）常规巡视手段不能及时发现设备缺陷

随着城市轨道交通线路的不断发展，轨道交通线路发生的电气设备故障日益增多。由于线路运行环境复杂，受线路所处地理位置及空间结构限制，线路巡视存在局限性。而在日常巡视中，常规巡视手段难以及时发现电力监控系统中线路存在的隐患。例如，根据不同的停电时间，当发现电力监控系统中电流或电压异常波动时，将会发出信号迅速发出停机通知。但当运行人员赶到现场时设备已经无法恢复到正常电流或电压状态。如采用跳闸方式恢复供电，则很容易造成设备失控而发生事故或引发安全隐患。因此需要建立一套快速有效的电气设备故障判断机制，以便在系统停电时立即排除电气设备故障问题。

（二）缺陷漏点较多故障原因难以准确定位

在电力监控系统中，由于电表受技术条件的限制，造成每个电表数据都会发生不同程度的误差。电表发生偏差是指在计量和传送电能时，由于使用了不当的计量方法和计量时间等原因造成的偏差。其产生原因有很多，如：计量精度不够；计量过程中出现误差；电能质量差；供电线路老化引起漏电等原因。但通过电气设备运行状态分析发现，由于各设备状态不同，引起漏电和接地问题，或由于电气设备本身发生故障。如：由于线路老化等原因致使电路接地短路；由于电气设备过热或过电压引起绝缘损伤；由于使用不当造成电气设备短路烧坏电器等；还有由于故障无法处理而造成停电等。但这些漏点均不能准确确定和定位故障原因在哪一环节，所以往往导致故障排查周期长、排查成本高、故障定位精度低等问题。

（三）电力故障的监控措施不能达到预期效果/效果不佳

供电单位根据自己对电力故障的判断结果，制定相应的应急措施，确保供电故障能够及时得到处理和恢复。由于目前国内轨道交通系统电力故障的定位方法是按照经验和故障严重程度来确定的，因此可以得出正确合理的故障定位方法。但是目前国内大部分城市电力部门在对城市轨道交通线路进行巡视时，只是采取了常规巡视手段，未对其进行实时监控。另外，电力监控系统在实际运行过程中往往会出现不同类型的故障。由于对某一电力监控系统存在故障情况不能及时得到处理和避免可能导致更大范围内发生故障的情况发生。因此，在监控方法设计中应该采用全面监控措施以及完善监控系统功能以达到减少故障发生所需时间及有效解决故障。同时需要注意电网监控系统功能主要应满足：对设备状态监测和故障诊断及控制及电力故障分析与判断等作用。如：智能远传变电站监控系统、网络远传变电所监控系统等。而目前国内大部分城市电力部门只安装了一套配电变压器监控系统，使得配电变压器监控系统难以运行和监测配电变压器运行状况；没有能够实现多用户电力实时在线监测以及故障分析、诊断和控制等作用。

（四）设备保护装置不可靠而失控或引发安全隐患

电力监控系统中电气的运行控制方式主要有三种：一是常规控制方式。常规控制方式主要包括负荷管理、负荷控制、电机保护和智能电表等。主要是对各类电网设备控制起来较为方便快捷，但同时对此类设备容易发生故障或失控。例如，在配电变压器故障中，其高压开关设备对高压开关线路可能产生破坏或者对高压开关设备产生危害。而对于电缆事故来说，由于电缆接头容易发生断路或短路故障所造成的电缆故障，对于电缆线路来说影响较大。目前多数城市轨道交通使用了先进技术进行轨道设备保护的应用，不仅提高了设备可靠性和安全性。而且还能对设备产生影响。例如：对变电所变压器进行保护可以防止变压器在变电所工作过程中出现破坏时电流快速增大并释放出来伤人；而在配电变压器未出现故障时进行保护则容易发生短路事故等。

三、城市轨道交通线网电力监控系统拓扑着色解决方案

系统功能强大，网络拓扑结构清晰，监控和数据传输方便。设备功能强大，通过 SATA接口即可实现数据的采集与传输，在网络传输时可满足现场实时信号传输和自动报警定位控制的要求。同时可以实现无线通信功能（可达1000公里）。对于电力监控系统来说，拓扑结构清晰完整是它运行时一项必不可少的重要任务之一。而拓扑结构的完善对于提高系统稳定性有着至关重要作用。传统控制系统由三大模块构成：电源模块、配电模块以及信号部分。它们在整个控制系统中发挥着不可替代的作用。这其中电源模块是核心，为电力监控系统提供必要的电源支持。因此在实际项目中应注意以下几点：一是为每台接入供电业务的设备（包括照明电器、接触网等）提供独立电源；二是考虑所有接入业务的设备（电气、控制）均需采用统一规格、统一标志及统一安全规范要求；三是根据拓扑结构中各个系统功能不同，应充分考虑接入各用户功能需求，合理设置接触网通信路径；四是按规范要求进行接触网交换设备（如馈线电容器、断路器等）和电缆工作地点布线，以减少通信距离；五是根据接触网通讯规范及通信方式进行供电调度控制。

（一）选择恰当地拓扑着色色板

根据系统功能要求，可以通过着色色板的颜色来区分不同的监控区域。在满足安全考虑的情况下，可以通过着色色板颜色对各区域进行区分，从而方便设备与运维人员间的沟通及交流。着色色板的颜色应与车站广播颜色相匹配，应使监控区域的显示效果一致，应能准确地显示各区域显示画面。从以上的定义可以看出着色色板的颜色选择主要依据四个标准：安全、易读、易于识别、便于维护。拓扑着色法以色板与车站广播颜色一致为标准要求。目前国内主流的着色方法为：色板与广播同时使用（即红色配绿色）或者两个同时使用（即绿色配黄色）。但由于地铁系统复杂以及车站广播系统不能很好地与广播对接，所以色板和广播分开使用仍为主流。色板和广播分在两个不同的站点上使用需要根据实际情况选择与之匹配的色板与广播。由于我国大部分城市有大量地铁线路未建成通车，所以色板的颜色会因地铁线路不同，所以在选择时要结合实际情况综合分析与对比选择适合当地情况的色板并保证各系统能与车站广播实现对接，这样才能保证乘客及运维人员得到最好保障。

（二）建立局域网

对于无线网络的应用，在建立局域网时需要注意以下几点：(1)设置无线基站：根据实际情况，在基站中心设置一个有无线信号接收装置，主要用于建立基站间的无线网络。(2)设置无线广播：可通过广播方式将数据信息转发给用户；发送位置不能超出基站中心，如果距离过远，则可能会影响与用户通信；发送位置可以设置在基站内，也可以设置在基站外使用无线信号进行传递；发送距离最好不要超过基站中心线。(3)无线网卡：可采用无线网卡作为无线网络应用的交换机；无线网卡具有与网络交换机相似的通信功能特点：可以直接与接触网终端通信；可以根据用户需求灵活设置无线网卡速率和接入速率；可直接与外部网络通信；还可与基站设备进行数据交换；与其他网络设备可进行数据交换等特点。

（三）建立分支网

随着社会经济的快速发展，地铁线路数量不断增加，线路与车站数量越来越多。如地铁线路所处环境复杂、车站数量多、线路结构复杂、轨道交通运营维护管理及各车站间运输半径较大等因素将会影响地铁运营效率和安全性。为了确保地铁运营各单位对线网故障快速准确定位和快速响应，需要建立多层网络结构。在线路网络中建立分支支网对地铁系统起到了至关重要的作用，因为分支网不仅可方便实现线路与车站间信息传播和数据交换，而且还可以根据线路实际情况灵活地对各专业故障停电情况进行相应切换。通常地铁分支网应划分为4层，分别为系统服务层、数据处理层、业务应用层以及资产监控平台。系统服务层通过网络将分散且独立的各系统进行集中控制，实现各系统之间数据交换和控制调度工作；数据处理层通过网络将各系统在各自机房（调度中心）之间相互连接以实现数据实时传输；业务应用层则通过网络将各个系统进行数据处理并实时传输业务数据应用层则根据网络需求分配各个网络节点之间的资源使用权限及访问权限；资产监控平台通过网内各用户之间访问权限自动分配给资产监控平台使用。

（四）建立数据中心

数据中心可以划分为三个区域：1)主备分中心：用于对接触网的监视和管理；3)数据分中心：用于存储、处理、查询和共享等；4)数据分区：用于数据中心的管理和调度控制。通常情况下，数据中心的划分以主备份分中心为基础。采用分区制后，系统的主要功能将按照分区方式得到展现或者进行显示。如果没有分区可以根据具体环境考虑采用分区或分区制技术实现功能分区以及共享。

结语：本文针对我国城市轨道交通的发展现状，通过对我国城市轨道交通信号系统的特点和施工过程中所遇到的困难和问题进行分析总结，提出了采用“着色”的拓扑着色方法。通过着色方法对监控系统拓扑进行着色，能够有效地提高监控系统的可靠性和施工效率。目前我国城市轨道交通监控系统多采用“监控画面+声音+音频”。而在“着色”过程中由于涉及到的方面比较多，并且由于施工工艺所需时间较长，所以这就给视频着色提出了较大的挑战。在“着色”过程中如遇到困难，应该采取有效办法解决问题。本方案是采用先进的“3 DTS+ AI”技术，通过对不同监控画面的分析、解析，达到对视频信息进行全面有效展示的目的。当视频画面发生变化时，可以通过简单的手动、语音、录像、视频监控等方式进行快速反应，及时发现故障部位并快速解决问题，有效提高了轨道交通工程建设的效率和质量。

参考文献：

[1]郑聪,葛鑫.城市轨道交通线网电力监控系统拓扑着色解决方案[J].电气化铁道,2020,31(03):65-67+71.DOI:10.19587/j.cnki.1007-936x.2020.03.016.