轨道交通能耗管理系统监测方案研究

2013-08-23朱丽娟

山西建筑 2013年15期

秦兵朱丽娟

(1.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津 300250;2.苏州市轨道交通集团有限公司，江苏苏州 215000)

0 引言

“十二五”期间是我国转变经济发展方式、加快经济结构战略性调整的关键时期，节能减排是减缓全球气候变化、促进可持续发展的重要举措。轨道交通是高能耗的用电大户，更应积极响应国家的号召，在保障安全运营的前提下，做好相关的节能减排工作，并完善相应的监测管理措施，是解决地铁多年来粗放型电能管理向精细化管理转变的关键。

1 国内已建地铁能耗管理系统概述

“轨道交通能耗监测系统”是对轨道交通的电能设备和电能参数进行实时监测、管理、分析与评价的综合应用平台。它是一个融合计算机技术、信息技术、控制理论、人工智能、管理科学与决策科学等多种学科的集成系统，其主要目的在于:通过集成分散的轨道交通用电设备的电能数据，在实时数据监测及分析的基本监测功能基础上，进一步实现电能量评估、综合性能分析等综合优化评价功能，为电能量监测和应用管理提供统一的平台。

从目前国内城市轨道交通对能量监测的需求及实施情况看，应以北京市轨道交通建设的电能质量管理系统及上海市轨道交通建设的能耗监测管理系统为典型对象，对其他城市的轨道交通建设与管理也有重要的借鉴意义，因为它们均处于研究及初步规划实施阶段。

1.1 北京市轨道交通(电能质量管理系统)

北京市轨道交通电能质量管理系统主要由现场采集层、子站监控层、通信层和主站监控层组成，见图1。北京地铁1号，2号，6号线及大兴线工程电能质量管理系统独立组建，自成系统;其具有单独的通信网络传输层及主站监控层。北京地铁5号，8号，9号，7号，14号，15号线电能质量管理系统子站监控层独立组建，主站监控层与通信层由综合监控系统深度集成，综合监控系统提供主站设备及相关的功能软件。各条线路的主站监控层均设置在控制中心，各线路之间没有关联。

图1 系统构成示意图（一）

1.2 上海市轨道交通(能耗监测管理系统)

上海轨道交通系统由线路级能耗监测管理系统、车站级能耗监测系统以及连接两者之间的通信通道组成，见图2。其在保障安全运营的前提下，要求在各线路组建能耗监测管理系统，并在线路级管理系统的基础上建设全地铁线路的线网级能耗监测管理中心。上海市轨道交通1号，2号，3号，4号，5号，6号，8号线一期，8号线二期，9号线一期通过改造建立了能耗监测管理系统，但未单独建立线路级能耗监测管理系统，各车站的能耗数据通过专用的数据传输通道上送至线网级能耗数据中心。近期开通的上海市轨道交通7号线，2号线延伸线，10号线，11号线及正在建设的12号，13号，16号线等能耗监测管理系统均单独组建，自成系统;站级能耗监测系统与线路级能耗监测管理系统通过独立组建的数据传输通道进行数据通信，线路级能耗监测管理系统设置与线网级能耗监测数据中心的通信接口;线网级能耗数据中心设置Web服务器实现相关数据的网络浏览功能。

图2 系统构成示意图（二）

2 轨道交通能耗监测系统方案探讨

现阶段国内城市轨道交通大多采用综合监控系统(ISCS)，其集成、互联了 PSCADA，BAS，FAS，AFC，PSD，ACS，CCTV，PA，PIS，FG，信号系统等;随着技术的发展独立系统将越来越少，故综合监控系统作为轨道交通最综合的数据管理与软件分析平台，也为能耗管理相关数据提供了一个优越的平台。

2.1 线网级系统

线网级系统即为城市轨道交通网络化运营而设置，其建立在单独线路系统之上，对整个城市轨道交通能耗数据进行统一管理，可设置于地铁公司的维护保障中心或者调度指挥中心等位置;鉴于目前大多城市线网处于起步阶段，其对系统的运营需求尚不完善，故建议在前期阶段可进行初步的规划，在后期条件成熟后择机建设线网级系统，但必须对前期线路系统制定统一接入的要求。

2.2 线路级系统

线路级系统应由设置在控制中心的中央级系统、车站的车站级系统、就地级的终端设备以及传输网络通道组成。

2.2.1 中央级系统构成及功能

中央级系统作为全线路的数据管理中心，应主要由能耗管理及维修工作站、系统服务器、数据服务器、Web服务器、网络交换等设备组成。其中中央级主要硬件设备(系统服务器、数据库服务器、Web服务器)由综合监控系统集成，系统独立设置能耗管理及维修管理工作站，鉴于目前综合监控系统服务商对专业能耗监测软件开发的约束性，建议能耗监测配置专门针对轨道交通专用的管理软件。

能耗管理及维修工作站能完成相关能耗数据管理及系统维修功能。

1)能耗数据管理功能。

负责系统的报表制作及显示、能耗指标数据查询、审核、工况查看;并能提供相应能耗数据的分析、预测、系统数据、图形的Web发布功能等。

2)系统维修功能。

可以供维护工程师对能耗管理系统进行维护，主要用于维护系统软件、定义系统运行参数、定义系统数据库及编辑、修改、增扩人机界面画面、网管等工作，以保证系统的正常运行。

2.2.2 车站级系统构成及功能

站级能耗监测单元负责采集、处理终端数据，并将相关数据通过网络传输通道传送至中央级能耗数据中心，并接收控制中心的召唤、对时等命令。

2.2.3 终端设备构成

终端能耗监测设备主要由35 kV，0.4 kV开关柜、环控电控柜内安装的智能电表以及连接智能电表与站级能耗监测单元的通信网络构成。

变电所综合自动化系统及环境与设备监控系统分别完成变电所内及环控电控室内的终端设备接入车站级系统的工作。

1)终端设备的监测规模。

现阶段根据各地区城市轨道交通能耗监测系统的建设及发展，能耗监测一般分为大规模、适度规模及小规模监测三种方式。

a.方案一:大规模监测方式。

本方案对各个机电系统用电回路、各个水系统、车辆段的燃气系统等回路均装设智能监测装置，进而组建完整的全线路的能耗监测综合系统;这是一种理想的大规模监测方案，但根据目前地铁领域的功能需求，其监测规模大，配合实施难度较大，暂无实际应用案例。

b.方案二:适度规模监测方式。

该方案针对地铁主要变电所35 kV进出线、400 V进线、机电系统节能措施的用电设备回路、UPS电源回路、三级负荷回路、照明总回路及相关商业开发的用电回路进行统计和分析，同时考虑了系统的可实施性和投资的性价比。上海地铁、北京地铁及其他地区大多采用了此种监测方式。

c.方案三:小规模监测方式。

本方案仅对变电所35 kV中压环网进出线、馈线及变电所0.4 kV的进线等电能量总回路进行集中监测，实施简单、投资少，监测规模较小。上海市轨道交通前期建设的1号，2号，3号，4号，5号，6号，8号线一期，8号线二期，9号线一期，北京1号，2号线等工程采用了本方案。

d.监测规模比选见表1。

表1 监测规模比选表

通过以上监测规模的比较分析，从目前国内对能耗监测的功能需求及实施的可行性分析，建议采用方案二适度规模的监测方案。

2)终端设备的设置原则。

供电、机电系统各专业应考虑相应的能耗监测措施(智能表计)。

站级能耗监测管理单元与智能监测表计之间采用现场总线或以太网方式连接，通信网络独立配置。

由0.4 kV开关柜直接供电的机电设备回路，应在0.4 kV开关柜处集中设置相关的智能监测表计。

由环控电控柜配电的相关机电设备回路，应在环控电控柜处设置相关的智能监测表计。

对于车站、车辆基地等用电负荷性质为经常性用电且变动较为频繁，并可针对性采取节能措施的用电回路应考虑设置智能监测表计。

对于用于商业开发或非轨道交通运营用电回路应考虑设置智能监测表计。

对于仅在事故或火灾状态下使用的用电负荷回路不考虑设置智能监测表计。

对于不经常使用的负荷回路，可不考虑设置智能监测表计，例如:维修负荷、防淹门、消防专用设备等。

对于用电负荷性较为稳定且无法采取针对性节能措施的用电回路，可根据实际情况灵活设置智能监测表计。

采用变频技术或其他节能措施的机电设备回路应装设智能监测表计。

空调系统用电回路。

3)终端设备间的网络通信。

上海、北京及其他地区开通线路变电所内设置的智能表计均接入了变电所综合自动化系统，测量数据与调度数据网络合并;随着智能表计终端设备的增加，在正常的检修维护及运行时，势必将对电力调度造成一定的安全隐患，故建议站级能耗监测管理单元与智能监测表计之间采用独立配置的网络与变电所自动化系统的网络分离，并接入到综合监控系统车站级通信处理器。

2.2.4 网络传输通道

网络传输通道主要用于站级能耗监测单元与中央级能耗监测中心的数据通信，各条线路应根据自身的实际需求规划传输通道，鉴于目前车站级集成于综合监控系统，其网络传输通道由综合监控系统提供更合理;但以上海地铁能耗监测系统为例，其系统单独建立，同时为通信系统的UPS数据、供电系统的杂散电流以及1 500 V故障录波等信息提供数据通道，故能耗监测单独组建综合数据传输网显然更适宜。

3 相关专业设计范围及接口

1)变电所。

变电所专业负责35 kV/10 kV，0.4 kV开关柜内的智能监测表计设计。

2)动照专业。

动照专业负责环控电控柜内智能监测表计的设计，并完成柜内的通信组网。

3)电力监控专业。

电力监控专业在变电所信号屏处设置能耗监测交换机，负责将变电所及环控电控柜处的智能表计接入能耗监测交换机。

4)综合监控系统。

综合监控系统集成能耗监测系统的中央级主要硬件设备、软件功能及网络传输通道，并负责相关的功能调试。

4 系统建设及功能扩展

轨道交通能耗监测系统主要为地铁相关设备的电能消耗提供一个专用的数据监测平台，现阶段大多轨道交通能耗监测系统的建设对其功能的使用还仅限制在数据显示、数据统计、报警管理、报表管理方面，并未真正实现其对底层数据的分析调度功能，其中有一部分与软件并非为专用轨道交通所开发所致，同时也与国内对轨道交通相关能耗需求研究尚不完善有一定关系。

系统的功能至少应该涉及如下拓展功能:

1)节能评估。

现阶段轨道交通众多用电设备采用了变频节能技术，能耗监测既然能对底层数据进行统计，其更应该能做到相应回路的节能评估作用，评估节能效果，并分析所采用的节能技术是否达到了建设时的期望。

2)维护保障。

通过长时期的数据统计功能，系统应能为轨道交通运营人员提供相应的能耗高峰期预测，使维保人员提前做好能耗高峰期的维护保障及应急准备工作。

3)调度管理。

系统应能对提供的数据进行分析，能为轨道交通通风空调等系统提供不同运行模式下的电能消耗量，从而指导运营部门得到最佳的能耗运行模式，通过BAS系统进行合理调度管理。

4)建设评估。

现阶段轨道交通供电系统及机电系统不断引入各种新技术，其真正起到的作用是否达到了预期的目标，能耗监测系统正好能利用其基础数据的分析来验证，并可根据相关数据来决策是否在后期线路的建设中继续采用相关技术方案。

5)网络化数据信息。

系统应具有良好的Web数据发布及浏览功能，系统的相关数据报表能调阅相关电能质量数据以及报表。