地铁电能量管理系统

周铁军

地铁的供电系统是为地铁运营提供电能的，地铁列车是电力牵引的电动列车，其动力是电能；此外，地铁中的辅助设施包括照明、通风、空调、排水、通信、信号、防灾报警、售检票、自动扶梯等，也都依赖电能。地铁供电电源一般取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和地铁供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级向地铁各类设备供电。

1 地铁电能量管理系统

为深入贯彻科学发展观，落实节约资源基本国策，建设便捷、高效、节能、环保的轨道交通网络体系，完成“十一五”规划纲要提出的节能目标，实现轨道交通的可持续发展，促进轨道交通集团节能降耗，同时为了能使集团更好的完成资源调配、组织运营、降低能耗、节约成本，需要建立一套有效的地铁电能量管理系统。

目的：用于建立能源综合管理、运营成本考核管理体系、用于建立电能质量考核管理体系，用于监督用电设备污染源、用于加强用电安全管理、事前预防和事后分析、用于用电信息综合管理、报表统计、线损分析。

地铁电能量管理系统是一套具有安全、高效、经济、可扩展性的变配电计算机监控管理系统。系统基于分层分布式结构，采用现场总线技术实现变配电系统信息的交换和管理。系统集保护、控制、测量、信号采集、故障录波、谐波分析、电能质量管理、负荷控制和运行管理为一体，实现了变配电系统高、低压电气设备分散监控、集中管理功能，全面提高变配电运行现代化管理水平。

系统借助现代的网络技术和计算机技术实时监视电力系统的运行参数（包括：开关状态，故障状态和位置，电压、电流、电度等实时变化的电气参数，报警信号等）、事件记录、波形记录等数据，不断地传送至电力监控计算机（以后简称监控中心），并可以实施遥控命令，使运行管理人员可以通过监控中心全面了解电力系统的运行工况，准确、快速地判断故障位置和故障原因，简便地实现各种数据分析（包括负荷分析，电能消耗分析，电能质量）。对于一些难于判断的故障，可以通过波形记录来帮助管理者分析故障原因。

地铁电能量管理系统主要功能包括：系统运行实时监视、电能质量监视、高精度电能计量、电能消耗统计和分析、远程控制和操作记录、事件报警和记录、数据采集和历史数据管理、各种报表打印、电能管理等:

（1）能源消耗管理：

轨道交通能源消耗管理包括能源监视、分析以及控制能源使用，从而降低每个车站和线路能源的整体使用成本，同时将能源数据升华为有价值的信息，用于掌握和分析各个部分的能源使用情况。

（2）关键能耗负载分布和能耗负荷特性分析：

用于测定和记录来自分布式电能监视仪表和其它能源仪表在每个电力需用时限的能源使用数据，并将这些数据保存在一个集中的数据库中。因此，用户可以立即确定负载系数、最高要求负荷周期，以及与之相关的设备的能耗，包括：线路、变压器、空调机组及通风机组、照明、电梯/自动扶梯、弱电系统等。

（3）成本分摊：

将能源成本分摊到每个设备、车站或线路。也可为多种应用生成分析和校验能源清单以及资费所需的报表。

（4）电能质量控制和报警

通过测定系统和站点的电能质量，致力于发现一些潜在电能质量危害，例如谐波、电压偏移以及配电系统的事件、此外，它还用于捕捉系统的越限情况和能源消耗异常，发出报警信息，并以包括：Email、手机短信、PDA、工作站等多种形式通知相关工作人员，有助于减少设备误动作、降低能源成本、帮助配电系统规划、提高生产效率以及提供系统性的能源整体视图。

（5）节能措施和设备的优化

通过能源数据的收集和设备状态的分析，发现节能空间比较大的领域和评估各项节能措施和设备的实际效果，包括：再生制动能量利用、谐波治理 、照明控制、通风、空调&制冷等。

通过地铁电能量管理系统的实时参数显示功能，可实现关键配电回路电气运行状况的远方监视，同时生成基本电气参数、电能消耗、分时计量、THD总谐波畸变率等各种运行分析报表。

通过地铁电能量管理系统软件采集的数据可以分析历史负荷曲线、电能消耗和系统裕量，提高系统或设备的使用效率。对全年的电能消耗进行分时段、分季节、分部门的统计分析；生成的报表可以Microsoft Excel文件格式存储，且自动形成曲线或柱状图，方便用户导出或形成报告。

通过地铁电能量管理系统采集的数据还可以进行能耗数据的相关性分析：

（1）结合轨道交通的其他运营和基础数据包括客运量、车站建筑面积、天气变化等相关数据，对能耗数据进行横向和纵向对比，把能源数据进一步深度处理，把能源数据转化为公司的财务和经济指标和信息。

（2）可以实时显示整体交通网络能耗数据，可以显示和调用历史能耗曲线；通过对长时间数据的分析，可以对各条线路的能耗进行季度或者月份的对比，发现能耗异常情况；

2 地铁建设电能量管理系统的必要性

下面就地铁系统与供电系统相关的问题进行论述。

2.1.地铁安全运行的需要

地铁是城市公共交通重要组成部分之一，作为大容量公共交通工具，其安全性直接关系到广大乘客的生命安全。安全运营是地铁运输的首要目标和基本原则。为此，中华人民共和国住房和城乡建设部于2007年3月20日，下发了《关于加强地铁建设和运营安全管理工作的紧急通知》。

地铁运营安全不仅涉及人，车辆，轨道等系统因素，还受到社会环境和列车运行相关设备（如信号系统、供电系统）等因素的影响。近年来国内外地铁事故统计的分析表明：人、车辆、轨道、供电系统、信号系统及社会灾害等是地铁事故的主要因素。

2.1.1.供电因素

供电系统的主要危险是电气火灾、触电和电能质量问题。

电气火灾的原因主要包括：当电路发生短路时，电流可能超过正常时的数十倍，致使电线、电气温度急剧上升，远远超过允许值，而且常伴有短路电弧发生，易造成火灾；线路、变压器超载运行均将导致其绝缘材料过热起火；导线接头连接不牢或焊接不良均会使接触电阻过高，导致接头过热起火。接触不良的电线接头、开关接点、滑触线等还会迸发火化，引燃周围易燃、易爆物质（此类现象在运营新线及老线尤为明显）；变压器一般都配备有散热设备，如风叶、散热器等，如果风叶断裂、变压器油面下降均会导致散热不良，使电器热量累积起来。电缆沟、电缆井内电缆过密，散热不良易会引起火灾。

应用地铁电能量管理系统可实现较全面的监测功能，如遥测量：电流、电压、功率、电度、功率因数、频率、谐波、最大/最小值等；遥信：断路器的分合闸状态；遥控：远程控制断路器的分闸。监测到电力系统问题可立即报警，方便用户及时处理，减少不必要的损失。

引起触电事故的主要原因，除了设备缺陷、设计不周等技术因素外，大部分都是违章作业、违章操作。

随着国民经济的快速发展，电力系统污染现象也日益严重，电能质量也随之提出了新的问题。一方面，用电负荷日趋复杂化和多样化，如半导体整流和逆变装置以及变频调速装置等电力电子设备的应用，这些具有非线性、谐波丰富、冲击性和不平衡特征的负荷会影响到供电电网，给电能质量提出了新的问题。另一方面，用户对供电可靠性的要求越来越高，众多基于计算机、微处理器控制的精密电子和电力电子装置在电力系统大量使用，对供电质量的敏感程度越来越高，尤其对供电系统的暂态性能也提出了要求。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障，重则造成整个系统的损坏，由此带来的损失是难以估量的。

现有资料表明，在中国的黄山、庐山、湖北、云南、西藏、河北、内蒙古均发现有第四纪冰川遗迹[1]。比上述各地区纬度要高的黑龙江省有无第四纪冰川存在，一直有两种认识：一种认为只有冰缘而无冰川；另一种认为既有冰缘又有冰川[2]。笔者在进行黑龙江省地质公园地质遗迹调查中发现了大量形似冰川地质遗迹的现象，以下暂称为“类冰川地质遗迹”。有的类似冰臼、有的类似冰壁龛、有的类似冰面湖湖蚀柱石……(以下暂称为冰臼、冰壁龛、冰面湖湖蚀柱石……)，这些地质遗迹的发现，为分析黑龙江省古冰川是否真正存在提供了重要线索。

电能质量低下的危害有以下一些表现：

电压的波动和闪变超标,会危害与其连接在公共供电点的其他用户的设备，如使照明灯闪烁、电机转速不均匀和计算机及电子设备工作不正常等。

谐波会损坏系统设备（如电容器、电缆 、电动机、电压互感器等），威胁系统的安全运行（如继电保护及自动装置误动），增加系统的功率损耗（如线损），增大测量仪表的误差（如电能表），干扰通信等。

三相负荷不平衡会增加变压器的损耗造成其局部过热，继电保护及自动装置误动，变流器产生非特征谐波，增加中性线电流产生电噪声干扰，增加输电线损耗，干扰通信等。

暂时过电压和瞬态过电压以及电压跌落和短时供电中断的问题，一般由系统或用户内部的短路故障引起，会直接影响甚至中断用户正常的用电，造成严重的经济损失。

应用地铁电能量管理系统，通过预测、诊断和验证电能质量问题，可避开存在的风险，使与电能质量问题相关设备以更安全的方式运行。

例如，2003年7月15日上海地铁一号线莲花路到莘庄的列车突然停电，被迫停运62分钟。经查明原因是由于地铁牵引变电站直流开关故障跳闸，使列车无法运行。又如，2003年8月28日，英国首都伦敦和英格兰东南部部分地区突然发生重大停电事故，伦敦近2／3地铁停运，大约25万人被困在伦敦地铁中。

2.1.2. 信号系统因素

地铁专用通信系统是直接为地铁运营、管理服务的，是保证列车及乘客安全，列车快速、高效运作的必不可缺的信息传输系统。当发生紧急情况时，通信系统应能迅速转为应急通道，为防灾、救援和事故处理提供方便。同时若通信系统的电源发生故障或通信设备本身发生故障等问题时，各种行车、票务及控制信息出现间断性不可靠传输，易会引发事故或使事态扩大。

信号系统是整个地铁运营的大脑，它保证列车和乘客的安全，实现快速、高密度、有序运行的功能。信号系统的不完善或信号系统设备故障，相当于大脑瘫痪，则运营整体处于瘫痪状态，或者不能保证运营安全。

信号系统的功力源泉仍然是供电系统，供电系统的问题会引起信息系统故障甚至瘫痪。

2.1.3.信号系统问题引起事故案例

2003年3月17日，上海地铁一号线信号控制系统突然发生故障，停运8分钟。2003年2月14日，上海二号线中央控制室自动信号系统发生故障，停运20分钟。

2.2.地铁经济运营的需要

国家发展战略强调高效率、低能耗、低污染，达到节约能源、保护环境的可持续发展目标。

地铁线路的建设需要高投入，地铁线路的运营也需要大笔的资金。目前除了香港等少数几条地铁线路实现盈利外，其它在运营的地铁线路基本上都是靠政府财政补贴维持运营。地铁系统要实现盈利并收回投资，主要靠增加售票收入，在日人流次数一定的情况，只有提高地铁票价，才能尽快收回投资。在目前中国的现实情况下，提高地铁票价很难获得民众的认可。因此，开源方面的问题可以不用考虑，剩下的就是如何搞好节流工作，降低地铁系统的运营维护成本。

在当前的国内，对于用户来说，设备运行消耗是商业运作的主要支出之一。在今天的竞争环境中，合理控制这些费用并不断设法提高效率、削减支出，是每个用户的目标。为了有效控制这些费用，首先应该对其进行监测。运用地铁电能量管理系统可以获得减少电能花费、降低成本设备投资和设备运行潜在消耗所需的信息；通过电能量管理系统，可识别电能的非有效使用或浪费，优化设备运行，提高效率；可合理分摊用电成本，达到电气节能的目的。

电气节能体现在：通过对电力参数历史数据分析，建立系统和设备的电能消耗模式，在实时监视过程中及时发现电能消耗异常现象，采取有效措施进行设备改造或补偿，以避免电能损耗。如设备故障和谐波引起的电能消耗。优化配电系统运行模式，减少不必要的电能花费，如对定时用电设备进行集中控制，如公共照明、空调及通风。对配电系统内部的各用电单位进行电能分配、计量和监控，以避免电能浪费的现象和提高管理效率，降低运营成本。

2.3.提升地铁系统形象和服务的需要

地铁机电设备是地铁运营的一个重要组成部分，主要包括：通风空调系统、给排水系统、动力照明系统、防灾报警系统、低压配电系统、自动扶梯及其监视系统、环控自动化系统、防灾报警灭火系统、通信系统、信号系统、自动收费系统（AFC）。供电系统负责给以上其它系统提供能源和动力，因此供电系统的安全和稳定，可以为广大乘客提供更加安全、快捷、舒适和便利的服务。

通过地铁电能量管理系统，可实现设备在线监控。在线监视重要电气设备和系统的运行状况，及时发现设备故障或安全隐患、制定专门的维修计划，保证设备安全稳定运行、延长设备使用寿命。

2.4.地铁系统管理和发展的需要

建设地铁电能量管理系统可以提高整个地铁系统的经济效益，减轻维护人员的劳动强度；减少操作人员；增强电力系统的免维护性；有利于提高设备的安全性和延长使用寿命。

建设地铁电能量管理系统可以提高地铁系统的管理水平。主要包括：为电力系统管理自动化，准确、及时地提供更为详尽、丰富的数据；可以方便、直观地监控全局内各个车站的用电、供电情况，实现总体控制。

建设地铁电能量管理系统，可以提高供电质量和可靠性。实现中低压配电网自动化，可减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间，为恢复供电、快速分析、诊断、报告事故原因提供有效的依据。

建设地铁电能量管理系统，可以实现对配电室内的二次设备（安全自动装置、传统测量仪表、操作控制、信号系统等）的功能进行智能化改造，取消了常规的人工电力管理，通过计算机和通讯网络进行电力系统的测量、控制、信号采集、故障分析、负荷控制和运行管理，极大地提高配电系统的安全性、可靠性和管理水平的智能化。该系统具有良好的开放性，可以方便的与其他相关系统和智能装置进行通信，如：设备自动化系统、通信网络系统、办公自动化系统、火灾自动报警系统等，实现自动化系统间相互通讯和信息共享。