宁波市轨交集团研究人员发表智能模块化终端配电系统的科研成果

宁波市轨交集团研究人员发表智能模块化终端配电系统的科研成果

为解决当前轨道交通行业中的终端配电设备在设计、制造、维护环节标准化程度不高的问题，宁波市轨道交通集团有限公司、宁波天安（集团）股份有限公司、共立自动化科技（宁波）有限公司、上海良信电器股份有限公司的研究人员琚永刚、徐德勤、侯红磊、彭君、张兴庆，在2022年第5期《电气技术》上撰文，提出一种智能模块化终端配电系统。系统采用标准化、模块化、可移式设计，在产品设计、制造、交付各阶段，都可灵活调整系统一次方案，适应设计方案的各种变化，使系统的灵活性、可维护性大幅度提高。系统的智能化模块提供系统状态监控功能，大大提高了系统运行的可靠性。

城市轨道交通

轨道交通行业作为重要的社会公共事业，对项目进度和设备安全性的要求都非常高。随着近年来轨道交通行业的蓬勃发展，各类定制设备对项目进度的制约矛盾日益突出。随着《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》的发布，对装备的智能化要求也越来越高。因此，针对终端配电设备开展标准化和智能化的研究十分重要。

1 终端配电设备的现状

目前，在轨道交通行业广泛使用低压配电箱作为终端配电设备分散布置在配电间墙体上。受产品结构特点的限制，以配电箱作为终端配电设备存在后期拓展困难、维护不便等诸多问题。配电箱方案分析见表1。

用电负荷的性质不同，用电量也各不相同，各种类型用电场所的差异决定了低压配电设备以定制产品为主的现状。

由于各类负荷的实际运行情况和实际用电量难以准确把握，随着项目推进，负荷调整和设计变更普遍存在，尤其是针对终端配电设备的设计变更更为普遍。而定制产品生产周期长，拓展空间小，难以适应这种边做边改的生产模式，对工程项目的推进造成了很多负面影响。

表1 配电箱方案分析

另外，各个设计院的设计习惯不尽相同，不同终端配电设备生产厂家的产品也存在各种各样的差异，这使同一运营单位下辖的各轨交项目之间无法统一维护标准，无法统一备品备件，增加了项目运营维护的难度和工作量。

综上所述，研发一款标准化程度高，满足轨交行业的供电连续性，能够进行整体或部分零部件预制的模块化产品，并在智能化方面提供成熟解决方案以应对市场发展，是本文研究的主要方向。

2 智能模块化终端配电系统总体设计思路

2.1 结构设计

通过分析目前市场上的低压配电设备，发现抽出式结构的低压开关柜可以在不断电的情况下对抽屉单元进行更换和维护，在供电连续性方面能很好地满足轨道交通行业的要求，并且能解决设备后续拓展问题。

由于抽出式低压开关柜主要应用于一、二级配电，馈线回路电流较大，馈线回路的安装密度不高。考虑从降低抽出式单元层高、增加单层抽出式单元馈线回路数两方面入手，结合抽出式开关柜结构特点和轨交项目实际需求，研发一种高度集成的智能模块化终端配电设备，为区别于常规终端配电设备，本文将该设备定义为智能模块化终端配电系统（以下简称配电系统）。

2.2 功能设计

在功能设计上，配电系统分为智能监控单元、进线单元、馈线单元。轨道交通终端配电网中，许多电子设备采用非线性电力电子元器件，带来了较大的谐波污染，为滤除电网谐波，提高电能质量，配电系统设计了有源滤波器单元。

2.3 智能模块化终端配电系统总体方案

配电系统由一台或多台终端配电柜和一台电缆通道侧柜（以下简称侧柜）组成，每台终端配电柜从上至下分别为电缆进线通道、智能监控单元、进线单元、有源滤波器单元、馈线单元和出线电缆通道，其背面布置垂直母线通道，各功能单元采用可移式设计。配电系统结构示意图如图1所示，系统主要技术参数见表2。由于侧柜是用于进出线电缆敷设的空柜，配电系统的详细描述将主要围绕终端配电柜展开。

图1 配电系统结构示意图

表2 系统主要技术参数

3 终端配电柜的结构和功能设计

3.1 终端配电柜结构设计

终端配电柜外形尺寸为600mm（宽）흐0mm（深）%uD71 800mm（高），高度方向采用模数化设计，型材安装孔模数为44.45mm（即1U），各功能单元的高度为1U的倍数，各功能单元布置在配电柜前部，可在有效安装高度内自由组合；后部为垂直母线通道，负责各功能单元间的配电接线。为兼顾美观，柜门采用玻璃门设计。

3.2 电缆的进出线通道

配电系统的多台终端配电柜在现场拼柜后，其顶部和底部会分别形成一条贯通的进线电缆和出线电缆通道，为现场接线施工提供便利，单独的电缆通道提高了设备运行的安全性。

配电系统接地形式按TN-S系统设计，进出线电缆按三相五线配置。在配电系统端部位置设置独立的电缆通道侧柜，配电系统的进出线电缆通过侧柜与外部电缆桥架连接，便于后期运营维护。

3.3 进线单元

进线单元高度占12U，可配置250A及以下双电源进线开关和双电源切换装置，也可配置单电源进线开关。进线单元结构设计参考抽出式低压开关柜的抽屉单元，在单元后部装有两组一次进线接插件和一组一次出线接插件。进线接插件用于进线电源的引入，出线接插件与柜后的垂直母线插接。进线单元还配置了二次接插件，用于二次回路转接。

3.4 馈线单元

馈线单元总高度占8U，每个馈线单元占2U，每柜最多可安装4个馈线单元。馈线单元结构示意图如图2所示。馈线单元内的插接铜排可提供6组A、B、C、N接口，可以安装6路三极馈线开关，或18路单极馈线开关，也可以实现单极和三极开关混合安装。

图2 馈线单元结构示意图

馈线单元内的接插铜排和电缆按标准化思路设计，载流量统一按63A馈线开关配置，电缆选用低烟无卤阻燃电缆。馈线单元可进行预制，仅通过配置不同额定参数、不同极数的馈线断路器，即可完成馈线单元一次回路部分的生产制造工作。

终端配电柜或单个馈线单元均可预留空回路备用空间，当配电系统需要增加馈线回路时，只要在预留空间内增加馈线单元或安装馈线开关即可完成。

馈线单元的可移式结构设计，配合插拔式馈线断路器，使配电系统在标准化、通用化方面有了很大提升，能够从根本上解决定制产品生产周期长、对项目进度影响大的问题。同时系统的灵活性也很好地解决了项目边做边改带来的不利影响。

3.5 插拔式馈线开关

配电系统馈线开关采用上海良信NDB6A系列微型断路器。该断路器适用于AC 220/380V配电系统，不仅具备断路器的过载、短路保护功能，还兼具隔离功能，且安装、接线均采用插拔方式。

断路器后端采用梳状插接端子接线、前端采用快插端子接线，安装过程不需要特殊工具，断路器的安装或更换，可在几十秒之内完成。与传统断路器的螺钉接线相比，安装更换更加方便简单。

NDB6A系列插拔式断路器体积较小，高度方向仅有40mm，配备了安全可靠的插拔式防误机构，如图3所示。断路器的合闸辅助卡扣，与机框配合，能够可靠保证只有在断路器插入机框后，才可以进行合闸操作，保证操作人员人身安全。断路器的解锁件与机框配合，实现防带电插拔功能，可确保只有在断路器分闸状态下才能拔出，消除带电操作的安全隐患。

得益于馈线开关的插拔式结构，馈线开关的安装、接线、更换都可在不停电的情况下方便、快速地完成。

图3 防误机构示意图

3.6 有源滤波器单元

有源滤波器单元高度为2U，采用可移式设计，可为系统提供最大15A的谐波滤除能力，提高供电质量和系统可靠性。

3.7 配电智能化

近年来，物联网、人工智能、大数据技术得到了蓬勃发展。众多企业都已成功将电气设备接入物联网平台，并依据大数据对电气设备进行故障预警和预测性维护分析，提高了系统的安全性和可靠性。因此，配电系统在进行智能化设计时，不但要实现常规的电量监测功能，而且要在监测数据的基础上进行设备运行分析，为配电系统的运行和维护提供指导。

考虑到终端配电柜中的绝缘材料以环氧树脂为主，环氧树脂在长期运行条件下易出现不可逆的绝缘损伤，配电系统增加了主要部位的导体温度监测功能，该功能对发现绝缘事故隐患、火灾隐患有重要意义。

配电系统智能化网络拓扑如图4所示。其设备层由智能信息分布终端（intelligent information distributed unit, IIDU）、分布式采集器（distributed collector, DIC）、触摸屏（human machine interface, HMI）、网关等设备构成。

智能化系统的运行数据主要通过安装在进线单元、馈线单元中的分布式采集器采集。采集器为通用标准化器件，可采集13路模拟量，典型应用包括3路电压、4路电流、3路铜排温度、1路空气温度、1路空气湿度。采集器配备RS 485通信接口，使用MODBUS RTU协议进行通信。

智能信息分布终端安装在智能监控单元内，负责与终端配电柜进线单元、馈线单元、有源滤波器单元组网，使用MODBUS RTU通信协议，完成通信和数据采集。智能监控单元高为2U。

图4 配电系统智能化网络拓扑

智能信息分布终端利用边缘计算技术构建了能源管理模块、配电健康运营警卫模块，负责对设备进行健康诊断。

因终端配电柜结构紧凑，无法安装大型的显示操作设备。在每套配电系统的电缆通道侧柜上设计安装一台触摸屏，通过RS 485通信接口连接多台终端配电柜的智能信息分布终端，提供人机交互功能，实现本地监控。并根据智能监控单元对设备的健康诊断结果为运维工作提供指导，使运维工作从“人力巡检”转向“智能运维”，提高运维效率。同时HMI还可以提供标准化总线接口，将系统通过光纤接入轨道交通综合监控系统（integrated supervisory control system, ISCS）。

4 设计应用

使用本文技术设计生产的一套智能模块化终端配电系统（共4台终端配电柜和1台电缆通道侧柜）已于2020年9月在宁波地铁4号线东钱湖站挂网运行，至今运行情况良好。

从运行现场的反馈分析，可移式结构、插拔式馈线开关为设备的维护和扩展带来了非常大的便利；柜式结构实现了高安装密度，产品外形美观。智能监控功能帮助运维人员及时、有效地掌握设备运行状态，提高产品的可靠性。配电系统的标准化、模块化设计，为产品快速、批量生产奠定了坚实的基础。该配电系统的设计达到了预期的目标。

5 结论

本文对智能模块化终端配电系统开展创新技术研究，重点解决轨道交通终端配电设备的标准化和智能化问题，为设备标准化生产创造条件，提高产品质量，提高设备运维效率，在轨道交通行业具有较高的应用价值。

本文提出的设计方案改变了终端配电系统的非标准化和非智能型现状，实现配电系统从设计到生产制造到运行维护全过程的标准化，从根本上解决定制设备对项目进度的制约问题，为低压配电设计和制造行业的发展带来了新思路和新方向，可在其他类似项目中推广应用。

本文编自2022年第5期《电气技术》，论文标题为“智能模块化终端配电系统设计”，作者为琚永刚、徐德勤 等。