軌道交通行業(yè)作為重要的社會公共事業(yè)，對項目進度和設備安全性的要求都非常高。隨著近年來軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類定制設備對項目進度的制約矛盾日益突出。隨著《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》的發(fā)布，對裝備的智能化要求也越來越高。因此，針對終端配電設備開展標準化和智能化的研究十分重要。

1 終端配電設備的現(xiàn)狀

目前，在軌道交通行業(yè)廣泛使用低壓配電箱作為終端配電設備分散布置在配電間墻體上。受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點的限制，以配電箱作為終端配電設備存在后期拓展困難、維護不便等諸多問題。配電箱方案分析見表1。

用電負荷的性質(zhì)不同，用電量也各不相同，各種類型用電場所的差異決定了低壓配電設備以定制產(chǎn)品為主的現(xiàn)狀。

由于各類負荷的實際運行情況和實際用電量難以準確把握，隨著項目推進，負荷調(diào)整和設計變更普遍存在，尤其是針對終端配電設備的設計變更更為普遍。而定制產(chǎn)品生產(chǎn)周期長，拓展空間小，難以適應這種邊做邊改的生產(chǎn)模式，對工程項目的推進造成了很多負面影響。

表1 配電箱方案分析

另外，各個設計院的設計習慣不盡相同，不同終端配電設備生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品也存在各種各樣的差異，這使同一運營單位下轄的各軌交項目之間無法統(tǒng)一維護標準，無法統(tǒng)一備品備件，增加了項目運營維護的難度和工作量。

綜上所述，研發(fā)一款標準化程度高，滿足軌交行業(yè)的供電連續(xù)性，能夠進行整體或部分零部件預制的模塊化產(chǎn)品，并在智能化方面提供成熟解決方案以應對市場發(fā)展，是本文研究的主要方向。

2 智能模塊化終端配電系統(tǒng)總體設計思路

2.1 結(jié)構(gòu)設計

通過分析目前市場上的低壓配電設備，發(fā)現(xiàn)抽出式結(jié)構(gòu)的低壓開關(guān)柜可以在不斷電的情況下對抽屜單元進行更換和維護，在供電連續(xù)性方面能很好地滿足軌道交通行業(yè)的要求，并且能解決設備后續(xù)拓展問題。

由于抽出式低壓開關(guān)柜主要應用于一、二級配電，饋線回路電流較大，饋線回路的安裝密度不高。考慮從降低抽出式單元層高、增加單層抽出式單元饋線回路數(shù)兩方面入手，結(jié)合抽出式開關(guān)柜結(jié)構(gòu)特點和軌交項目實際需求，研發(fā)一種高度集成的智能模塊化終端配電設備，為區(qū)別于常規(guī)終端配電設備，本文將該設備定義為智能模塊化終端配電系統(tǒng)（以下簡稱配電系統(tǒng)）。

2.2 功能設計

在功能設計上，配電系統(tǒng)分為智能監(jiān)控單元、進線單元、饋線單元。軌道交通終端配電網(wǎng)中，許多電子設備采用非線性電力電子元器件，帶來了較大的諧波污染，為濾除電網(wǎng)諧波，提高電能質(zhì)量，配電系統(tǒng)設計了有源濾波器單元。

2.3 智能模塊化終端配電系統(tǒng)總體方案

配電系統(tǒng)由一臺或多臺終端配電柜和一臺電纜通道側(cè)柜（以下簡稱側(cè)柜）組成，每臺終端配電柜從上至下分別為電纜進線通道、智能監(jiān)控單元、進線單元、有源濾波器單元、饋線單元和出線電纜通道，其背面布置垂直母線通道，各功能單元采用可移式設計。配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表2。由于側(cè)柜是用于進出線電纜敷設的空柜，配電系統(tǒng)的詳細描述將主要圍繞終端配電柜展開。

圖1 配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表2 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

3 終端配電柜的結(jié)構(gòu)和功能設計

3.1 終端配電柜結(jié)構(gòu)設計

終端配電柜外形尺寸為600mm（寬）×500mm（深）×1 800mm（高），高度方向采用模數(shù)化設計，型材安裝孔模數(shù)為44.45mm（即1U），各功能單元的高度為1U的倍數(shù)，各功能單元布置在配電柜前部，可在有效安裝高度內(nèi)自由組合；后部為垂直母線通道，負責各功能單元間的配電接線。為兼顧美觀，柜門采用玻璃門設計。

3.2 電纜的進出線通道

配電系統(tǒng)的多臺終端配電柜在現(xiàn)場拼柜后，其頂部和底部會分別形成一條貫通的進線電纜和出線電纜通道，為現(xiàn)場接線施工提供便利，單獨的電纜通道提高了設備運行的安全性。

配電系統(tǒng)接地形式按TN-S系統(tǒng)設計，進出線電纜按三相五線配置。在配電系統(tǒng)端部位置設置獨立的電纜通道側(cè)柜，配電系統(tǒng)的進出線電纜通過側(cè)柜與外部電纜橋架連接，便于后期運營維護。

3.3 進線單元

進線單元高度占12U，可配置250A及以下雙電源進線開關(guān)和雙電源切換裝置，也可配置單電源進線開關(guān)。進線單元結(jié)構(gòu)設計參考抽出式低壓開關(guān)柜的抽屜單元，在單元后部裝有兩組一次進線接插件和一組一次出線接插件。進線接插件用于進線電源的引入，出線接插件與柜后的垂直母線插接。進線單元還配置了二次接插件，用于二次回路轉(zhuǎn)接。

3.4 饋線單元

饋線單元總高度占8U，每個饋線單元占2U，每柜最多可安裝4個饋線單元。饋線單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。饋線單元內(nèi)的插接銅排可提供6組A、B、C、N接口，可以安裝6路三極饋線開關(guān)，或18路單極饋線開關(guān)，也可以實現(xiàn)單極和三極開關(guān)混合安裝。

圖2 饋線單元結(jié)構(gòu)示意圖

饋線單元內(nèi)的接插銅排和電纜按標準化思路設計，載流量統(tǒng)一按63A饋線開關(guān)配置，電纜選用低煙無鹵阻燃電纜。饋線單元可進行預制，僅通過配置不同額定參數(shù)、不同極數(shù)的饋線斷路器，即可完成饋線單元一次回路部分的生產(chǎn)制造工作。

終端配電柜或單個饋線單元均可預留空回路備用空間，當配電系統(tǒng)需要增加饋線回路時，只要在預留空間內(nèi)增加饋線單元或安裝饋線開關(guān)即可完成。

饋線單元的可移式結(jié)構(gòu)設計，配合插拔式饋線斷路器，使配電系統(tǒng)在標準化、通用化方面有了很大提升，能夠從根本上解決定制產(chǎn)品生產(chǎn)周期長、對項目進度影響大的問題。同時系統(tǒng)的靈活性也很好地解決了項目邊做邊改帶來的不利影響。

3.5 插拔式饋線開關(guān)

配電系統(tǒng)饋線開關(guān)采用上海良信NDB6A系列微型斷路器。該斷路器適用于AC 220/380V配電系統(tǒng)，不僅具備斷路器的過載、短路保護功能，還兼具隔離功能，且安裝、接線均采用插拔方式。

斷路器后端采用梳狀插接端子接線、前端采用快插端子接線，安裝過程不需要特殊工具，斷路器的安裝或更換，可在幾十秒之內(nèi)完成。與傳統(tǒng)斷路器的螺釘接線相比，安裝更換更加方便簡單。

NDB6A系列插拔式斷路器體積較小，高度方向僅有40mm，配備了安全可靠的插拔式防誤機構(gòu)，如圖3所示。斷路器的合閘輔助卡扣，與機框配合，能夠可靠保證只有在斷路器插入機框后，才可以進行合閘操作，保證操作人員人身安全。斷路器的解鎖件與機框配合，實現(xiàn)防帶電插拔功能，可確保只有在斷路器分閘狀態(tài)下才能拔出，消除帶電操作的安全隱患。

得益于饋線開關(guān)的插拔式結(jié)構(gòu)，饋線開關(guān)的安裝、接線、更換都可在不停電的情況下方便、快速地完成。

圖3 防誤機構(gòu)示意圖

3.6 有源濾波器單元

有源濾波器單元高度為2U，采用可移式設計，可為系統(tǒng)提供最大15A的諧波濾除能力，提高供電質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性。

3.7 配電智能化

近年來，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。眾多企業(yè)都已成功將電氣設備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，并依據(jù)大數(shù)據(jù)對電氣設備進行故障預警和預測性維護分析，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，配電系統(tǒng)在進行智能化設計時，不但要實現(xiàn)常規(guī)的電量監(jiān)測功能，而且要在監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行設備運行分析，為配電系統(tǒng)的運行和維護提供指導。

考慮到終端配電柜中的絕緣材料以環(huán)氧樹脂為主，環(huán)氧樹脂在長期運行條件下易出現(xiàn)不可逆的絕緣損傷，配電系統(tǒng)增加了主要部位的導體溫度監(jiān)測功能，該功能對發(fā)現(xiàn)絕緣事故隱患、火災隱患有重要意義。

配電系統(tǒng)智能化網(wǎng)絡拓撲如圖4所示。其設備層由智能信息分布終端（intelligent information distributed unit, IIDU）、分布式采集器（distributed collector, DIC）、觸摸屏（human machine interface, HMI）、網(wǎng)關(guān)等設備構(gòu)成。

智能化系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)主要通過安裝在進線單元、饋線單元中的分布式采集器采集。采集器為通用標準化器件，可采集13路模擬量，典型應用包括3路電壓、4路電流、3路銅排溫度、1路空氣溫度、1路空氣濕度。采集器配備RS 485通信接口，使用MODBUS RTU協(xié)議進行通信。

智能信息分布終端安裝在智能監(jiān)控單元內(nèi)，負責與終端配電柜進線單元、饋線單元、有源濾波器單元組網(wǎng)，使用MODBUS RTU通信協(xié)議，完成通信和數(shù)據(jù)采集。智能監(jiān)控單元高為2U。

圖4 配電系統(tǒng)智能化網(wǎng)絡拓撲

智能信息分布終端利用邊緣計算技術(shù)構(gòu)建了能源管理模塊、配電健康運營警衛(wèi)模塊，負責對設備進行健康診斷。

因終端配電柜結(jié)構(gòu)緊湊，無法安裝大型的顯示操作設備。在每套配電系統(tǒng)的電纜通道側(cè)柜上設計安裝一臺觸摸屏，通過RS 485通信接口連接多臺終端配電柜的智能信息分布終端，提供人機交互功能，實現(xiàn)本地監(jiān)控。并根據(jù)智能監(jiān)控單元對設備的健康診斷結(jié)果為運維工作提供指導，使運維工作從“人力巡檢”轉(zhuǎn)向“智能運維”，提高運維效率。同時HMI還可以提供標準化總線接口，將系統(tǒng)通過光纖接入軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)（integrated supervisory control system, ISCS）。

4 設計應用

使用本文技術(shù)設計生產(chǎn)的一套智能模塊化終端配電系統(tǒng)（共4臺終端配電柜和1臺電纜通道側(cè)柜）已于2020年9月在寧波地鐵4號線東錢湖站掛網(wǎng)運行，至今運行情況良好。

從運行現(xiàn)場的反饋分析，可移式結(jié)構(gòu)、插拔式饋線開關(guān)為設備的維護和擴展帶來了非常大的便利；柜式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高安裝密度，產(chǎn)品外形美觀。智能監(jiān)控功能幫助運維人員及時、有效地掌握設備運行狀態(tài)，提高產(chǎn)品的可靠性。配電系統(tǒng)的標準化、模塊化設計，為產(chǎn)品快速、批量生產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。該配電系統(tǒng)的設計達到了預期的目標。

5 結(jié)論

本文對智能模塊化終端配電系統(tǒng)開展創(chuàng)新技術(shù)研究，重點解決軌道交通終端配電設備的標準化和智能化問題，為設備標準化生產(chǎn)創(chuàng)造條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高設備運維效率，在軌道交通行業(yè)具有較高的應用價值。

本文提出的設計方案改變了終端配電系統(tǒng)的非標準化和非智能型現(xiàn)狀，實現(xiàn)配電系統(tǒng)從設計到生產(chǎn)制造到運行維護全過程的標準化，從根本上解決定制設備對項目進度的制約問題，為低壓配電設計和制造行業(yè)的發(fā)展帶來了新思路和新方向，可在其他類似項目中推廣應用。

本文編自2022年第5期《電氣技術(shù)》，論文標題為“智能模塊化終端配電系統(tǒng)設計”，作者為琚永剛、徐德勤 等。