城市轨道交通能源管理系统标准初探

袁若岑 李金龙 彭秀梅 汪群军 皮雁南

(1. 北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心 北京 102208；2. 北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037；3. 北京市地铁运营有限公司 北京 100044；4. 江苏联宏自动化系统工程有限公司 南京 210046)



城市轨道交通能源管理系统标准初探

袁若岑1李金龙2彭秀梅3汪群军4皮雁南1

(1. 北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心 北京 102208；2. 北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037；3. 北京市地铁运营有限公司 北京 100044；4. 江苏联宏自动化系统工程有限公司 南京 210046)

通过对国内外能源管理系统的研究分析与对比，结合城市轨道交通能源管理工作的实际情况，从能源管理系统的软硬件设计原则、能源计量监测点的选择依据、能源计量器具配置要求以及主要功能模块设计4个方面提出城市轨道交通行业能源管理系统标准框架。最后提出，相关企业应着重从加强能源计量器具配备以及企业自身能源管理考核工作的角度完善标准编制工作。

城市轨道交通；能源管理系统；标准；框架设计

近些年来随着城市轨道交通的跨越式发展，能源消耗一直保持迅速增长的态势。但由于缺乏总体的规划设计、统一的技术标准和开发平台，造成已建的能源管理系统之间、能源管理系统与其他在线系统之间难以实现网络的互联互通和信息的大规模集成，给信息共享造成了很大障碍，制约了能源管理系统应用水平的整体提高。因此，迫切需要开展能源管理系统标准的编制工作，为政府级及企业级的能源管理系统在建工程提供技术指导，以逐步达到“信息采集自动化、传输网络化、管理数字化、决策科学化”的目标；同时也为正在规划中的新线能源管理系统设计与建设工程打下标准化基础。

1 能源管理系统研究及应用现状

1.1 国外现状

半个多世纪以来，走过工业化发展之路的发达国家提前意识到能源紧缺的严重性，其采用政策导向和信息化技术手段双管齐下的方式逐步提高自身的能源管理水平。

在政策、法律法规制定方面，发达国家和地区推行了一系列节约能源的标准、法规以及合格评定程序，涉及重点领域包括节能、节水、节材、可再生能源、环境管理、废旧产品利用和清洁生产等[1]。从欧盟、日本、澳大利亚等国家的先进经验可以看出，要在节能减排标准化工作方面取得成绩，就需要以法律法规来确立其重要地位，并从系统工程角度联合各部门综合采取多种手段来推进工作。

在信息化技术应用和研究方面，发达国家很早就开始关注能源管理系统的应用及研究。在通过信息化手段对各类能耗数据进行有效整理和统计计算的同时，逐步实现了能源管理工作的规范化和程序化，提高了信息处理的速度和准确性[2]。随着信息化技术的迅猛发展，专家们已不再满足于系统的传统开发模式，正在逐步致力于面向高层管理，解决多层次大范围的决策问题以及非结构化信息的处理工作，系统也逐渐开始强调综合管理功能、多维服务模式，人机协调、智能化、集成化的计算机辅助等管理功能[3]。

与此同时，能源数据库的研究和开发也取得了阶段性成果。20世纪80年代末，英国开展的NDBS(non-domestic building stock)项目，对已建和在建的工业建筑、商业建筑和公共建筑等进行了全面统计，建立了包括建筑类型、结构类型、建造年代、墙体材料、空调形式、能耗情况等的详细数据库。日本和美国也对本国的商业建筑能耗有详细的统计数据。

1.2 国内现状

目前，国内能源管理系统的研究及应用工作正处于起步阶段，城市轨道交通行业的能源管理平台建设同样处于摸索阶段，在缺乏针对城市轨道交通行业能源计量标准的情形下，普遍存在能源计量器具配备率偏低、信息自动化采集程度不高等问题。

在能源计量器具配备率方面，城市轨道交通运营企业通常会在运营线路加装计量牵引供电和动力照明的总用电计量器具，以掌握总体用能情况，但是考虑到管理成本较高等问题，不再继续关注动力照明分项的计量工作，造成表征主要机电设备(如空调、电梯等)用电情况的分项计量数据严重缺乏。企业的用水、天然气和热力计量工作也存在类似的问题。如果不增加能源计量配备率，势必会导致企业节能潜力分析工作无法开展，节能量化考核难以实现等问题。

在系统自动化采集程度方面，由于部分城市既有地铁线路建设时期较早，且缺乏能源管理系统的总体规划，造成既有线路的部分能源计量器具不具备信息采集的自动化和数据信息远传的功能，再加上缺乏统一的数据标准，造成信息采集的时空间隔、数据类型、数据精度、交换格式与表达方式呈现多样化特征，这样会削减能源计量数据的集成和利用价值，加大能源信息资源开发利用的难度。

2 标准框架研究

基于能源管理系统设计及建设阶段的实际情况，结合国内外能源管理系统的研究现状，根据轨道交通行业的主要特点，笔者提出轨道交通系统标准框架设计应重点关注以下方面的问题。

2.1 明确现场能源计量监测点

现场能源计量监测点的选取原则应综合考虑能源消耗的种类、主要用途、不同消耗主体等因素，按照分类、分项及分户的形式进行选择。一般而言，城市轨道交通能源资源消耗种类主要包括电力、天然气、热力和水等。其中，电力是轨道交通运营过程中的主要消耗能源，消耗能量通常占比80%左右，主要分为牵引用电和动力照明用电。

牵引供电系统由牵引变电所和牵引网系统组成，牵引变电所将三相高压交流电变成适合电力机车应用的750 V(1 500 V)直流电；馈电线再将牵引变电所的直流电送到牵引网上，电力机车通过受流器与牵引网的直接接触而获得电能[4]。通过分析牵引供电系统的电能消耗过程，得出牵引用电主要包含车辆牵引用电、车辆辅助用电以及牵引降压变电所损耗等，由于车辆牵引用电计量难度较大，且大多数计量方法尚在摸索阶段。因此，为了逐步研究车辆牵引电量的变化规律，建议针对牵引变压器的前端、后端以及车辆辅助设备加装用电计量装置。

动力照明用电一般是指车站站台机电设备的耗电量。由于耗电设备种类繁多，而且以机电设备为主，从节能潜力分析的角度，摸清设备特性与环境参数关系尤为重要。因此，应重点考虑动力照明用电的分项与分户计量监测的问题，出于研究主要耗电设备特性与环境参数关系的角度，将耗电量较大的设备以及与运营安全相关的设备定为现场能源计量监测点，比如通风空调、电梯以及照明用电等。此外还需关注400 V回路细分项的异常用电情况，逐步达到通过能源监测工作，优化主要耗能设备运行参数，辅助安全运营服务的目的。

正线水耗计量一般分为3大类：生产用水、生活用水以及消防用水。其中，生产用水和生活用水的细分回路不易分开，通常统称为生产、生活用水。设置水计量监测点时，应重点考虑与运营过程紧密相连的主要耗水设施设备，一般包括空调补水、商业用水和卫生间用水等。另外，当考虑进行水平衡分析时，还应对所有进出水管路加装计量装置，保证进水量计量数值与出水量计量数值一致。

热力能源通常用于为厂房和办公楼供暖，在北方城市中应用较多。由于管道老化且年久失修等原因，可能造成无法实时监控热力管网的安全运行情况，一旦管线发生跑、冒、滴、漏等问题，无法第一时间找到原因并妥善处理事故，容易贻误事故处理的最佳时间，从而扩大事故的损失程度及范围。因此，建议加装针对单体建筑的分户热力计量装置，并形成这个热力管网的管控体系。

天然气通常用于员工食堂、浴室等区域，虽然消耗量较小，但是仍然建议根据应用区域进行分户计量；有的北方城市还将天然气用于供暖，天然气就会转换为热力能源，造成天然气的消耗量骤然提高，这时需要考虑同时进行天然气与热力的分户计量工作，以便逐步开展热力锅炉运行效率、气-热转换率和热量利用率等形式的节能管理及控制工作。

国内某地铁运营公司根据自身计量与管理要求搭建了企业级能源管理系统能源分类、分项计量模型框架(见图1)和能源分户计量模型框架(见图2)。其中，该地铁公司按照分户形式开展能源管理工作，实际计量工作却是按照分类、分项形式进行的。虽然模型中关于能源计量细项需根据各地区地铁公司能源管理要求以及消耗能源的种类和分项而定，但是能源消耗计量细分的工作思路值得借鉴。

图1 企业级能源管理系统能源分类、分项计量模型框架

图2 企业级能源管理系统能源分户计量模型框架

2.2 确定能源计量器具配置要求

2.2.1 明确能源计量器具配置率要求

确定企业能源计量器具配置原则应重点关注企业管理模式及其相应的管理分区，并结合能源计量监测点的设置，根据GB/T 17167—2006标准[5]要求，能源管理系统数据采集点的能源计量器具配备率应不低于表1的规定。其中，单台设备能源消耗量大于或等于表2中一种或多种能源消耗量限定值的为主要用能设备。

表1 能源计量器具配备率要求单位 %

表1中：① 进出用能单位的季节性供暖用蒸汽(热水)可采用非直接计量载能工质流量的其他计量结算方式;②进出主要次级用能单位的季节性供暖用蒸汽(热水)可以不配备能源计量器具;③在主要用能设备上作为辅助能源使用的电力和蒸汽、水等载能工质，其耗能量很小(低于表2的要求)可以不配备能源计量器具。

表2 主要用能设备能源消耗量(或功率)限定值

表2中：① 对于可单独进行能源计量考核的用能单元(装置、系统、工作、工序、工段等)，如果用能单元已配备了能源计量器具，用能单元中的主要用能设备可以不再单独配备能源计量器具；② 对于集中管理同类用能设备的用能单元(锅炉房、泵房等)，如果用能单元已配备了能源计量器具，用能单元中的主要用能设备可以不再单独配备能源计量器具。

然而，对于轨道交通运营企业而言，上述标准中部分限值可能要求偏低，比如主要用能设备电力消耗量(功率)限定值为100 kW，而达到这个限值的主要设备只有站台通风空调系统中的个别风机和一部分冷水机组。因此，建议轨道交通企业应在达到GB/T 17167标准的基础上，结合自身实际情况，制定能源分类、分户、分项计量模型，以及相应能源的配备率标准。

2.2.2 合理选用能源计量器具

根据GB/T 17167—2006的标准要求，能源计量器具的性能应满足相应的生产工艺和使用环境(如温度、温度变化率、湿度、照明、振动、噪声、粉尘、腐蚀、电磁干扰等)要求。对于轨道交通行业而言，地下环境较为复杂，各企业应在摸清自身安装环境的基础上选择相应的计量器具。除此之外，能源管理系统所选用的计量器具还须能够提供计量数据的输出接口。

能源管理系统计量器具准确度等级要求不应低于表3的规定。

表3 用能单位能源计量器具准确度等级要求

表3中：1) 当计量器具是由传感器(变送器)、二次仪表组成的测量装置或系统时，表中给出的准确度等级应是装置或系统的准确度等级。装置或系统未明确给出其准确度等级时，可用传感器与二次仪表的准确度按误差合成方法合成;2) 运行中的电能计时装置按其所计量电能的多少，将用户分为Ⅴ类。Ⅰ类用户为月平均用电量500万kWh及以上或变压器容量为10 000 kVA及以上的高压计费用户；Ⅱ类用户为小于Ⅰ类用户量(或变压器容量)但月平均用电量为100万kWh及以上或变压器容量为2 000 kVA及以上的高压计费用户，Ⅲ类用户为小于Ⅱ类用户用电量(或变压器容量)但月平均用电量10万kWh及以上或变压器容量为315 kVA及以上的计费用户；Ⅳ类用户为负荷容量为315 kVA以下的计费用户；Ⅴ类用户为单相供电的计费用户。

2.3 系统的软硬件设计原则

能源管理系统硬件总体设计原则应结合轨道交通行业的特点，充分考虑硬件设备防尘、防腐蚀、防潮、防霉、防振、抗电磁干扰和静电干扰的能力，此外还需考虑企业的经济承受能力，逐步完善。然而，对于运营时间较久远的轨道交通运营企业，由于部分线路设计年代较早，并未统筹考虑过能源管理系统的设计问题，建议遵循“新线新办法，老线老办法”的原则，一方面敦促建设方在新线建设时统一考虑能源管理系统的设计及接入问题，另一方面对既有线路的能源计量情况进行梳理及分析，分批次区别对待不同时期开通的地铁线路，争取最大限度地统一新老线路能源管理系统的硬件设计原则。

系统软件设计应基于成熟的软件平台，充分考虑按照用户需求进行二次开发的问题，并提供必要的完善和升级空间。软件平台应基于开放系统软件结构和实时数据技术开发，能够协调并提供每一个功能模块公用数据的访问。

2.4 主要功能模块设计

结合轨道交通行业特点，能源管理系统的主要业务需求包括以下方面。

1) 感知需求。通过对城市轨道交通的能源消耗进行实时监测得到相关传感器的工作运行数据、能耗监测数据和图像数据等。

2) 传输需求。是指采用无线通信网络、有线通信网络为系统数据传输过程提供远传通信信道。

3) 应用需求。城市轨道交通能源管理系统的设计与建设理念应深度挖掘能源消耗与机电设备特性、环境参数与客流特征的关系，充分利用轨道交通运营企业自身的数据库，结合客流信息系统、设备管理系统等软硬件设施，统筹考虑、资源共享。企业可以根据自身能源管理系统业务需求，逐步完善轨道交通能源管理系统功能模块的设计工作。

2.4.1 能源数据采集系统模块

能源数据采集系统模块应能自动采集各类能源计量监测点的实时瞬时量和累计量，数据类别一般包括能耗数据以及能源质量瞬时数据，采集周期可以根据数据类别的不同在1 min～24 h范围内浮动。采集数据项目应符合地方、行业以及企业自身能源统计和能源计量管理部门的要求。

2.4.2 采集数据传输、存储、查询系统模块

结合轨道交通行业的特点，建议能源管理系统采用分布式数据采集和存储结构，数据从下而上一般包括现场级数据采集设备、数据中转站和企业级能源管理平台。其中，根据数据传输、存储及查询的需求，数据中转站可以由车站级管理子系统和(或)线路级管理子系统组成。

计量装置和数据采集器之间应采用符合各相关行业标准的通信协议。对于电能表，参照行业标准DL/T 645—1997《多功能电表通信规约》执行。对于水表、燃气表和热(冷)量表，参照行业标准CJ/T 188—2004《用户计量仪表数据传输技术条件》执行。支持Modbus开放式协议，参照国家标准GB/T 19582—2008《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》执行[6]。为确保数据在传输过程中的安全，上传数据包可采用加密方式压缩，加密口令可由上下级相关平台约定。

结合企业自身能源管理需求，建议从数据的安全性、完整性和互为备份手段的角度合理考虑数据存储的时效性和存储成本。一般而言，建议数据采集器配置至少能存储15 d能耗数据的专用存储空间，企业级能源管理平台中心服务器实时监控历史数据一般要求保存不少于60 d。系统数据应具备定期备份和灾难恢复机制，有条件者可实行数据异地备份。

2.4.3 企业能源管理辅助决策功能模块

企业能源管理辅助决策功能是指运用数据汇总和计算分析方法按照系统设定的各种能耗定额指标和节能量化指标进行计算分析，并自动形成对比分析图表和相关结果。当超过预定指标值时，系统应立即报警予以提示，以便企业能够在第一时间发现能源消耗异常情况，及时纠正、改进并有效控制能源消耗和能源成本开支。企业能源管理辅助决策功能可以包括能耗监测与用能数据分析功能、节能考核监管功能、对标管理功能、节能潜力分析功能和节能预测预警功能等。

轨道交通运营企业应结合行业和企业自身实际情况，根据GB6422、GB16615、GB/T 17167、GB13234和GB15587[7-11]等与能源管理相关的国家标准，制定能耗指标体系，并通过实际测量、仿真以及统计方法为指标建立计算模型，逐步完善企业能源管理辅助决策功能模块的设计过程。当采用统计方法时，统计周期不宜小于3年。

2.4.4 报表统计系统模块

报表统计系统模块功能是根据国家、地方、行业以及企业自身的管理需求，自动生成并导出能源管理工作所需表格，包含企业耗能设备表格、企业能源计量器具表格、能源消耗统计及分析报表、运营信息报表等。

3 标准编制建议

标准化是城市轨道交通能源管理系统在设计及建设中一项关键性的基础工作。为确保系统建设达到预期目标，真正实现能源管理的规范化、信息化和科学化。结合近几年国内能源管理系统设计及建设的实践经验建议：一方面尽快开展针对轨道交通行业的能源计量器具配备标准的编制工作，为轨道交通行业的能源管理系统的设计及建设工作提供有力的技术支撑；另一方面轨道交通运营企业应加强能源管理考核指标的制定工作，将能源管理工作与运营服务、设备管理等重要业务板块关联起来，进一步促进企业内部资源共享，整体提高企业能源管理效率。

[1] 郑丹，石荣珺，许红，等.节能减排标准化现状及标准体系构建研究：以北京市市政市容系统为例[J].标准研究，2014，12(10)：25-28.

[2] 李永超.民用机场能源信息管理系统[D].北京：北京交通大学，2010.

[3] 徐军库.绿色机场建设与智能建筑[J].智能建筑与城市信息，2008，139(6):18-20.

[4] 张开波.长大坡道区间牵引网上下行并联供电的探讨[J].都市快轨交通，2015，28(4):75-79.

[5] 王月仙.关于动车组列车能耗影响因素的研究[J].铁道运输与经济，2016，38(6)：84-89.

[6] 用能单位能源计量器具配备和管理通则：GB/T 17167—2006[S].北京：中国标准出版社，2007.

[7] 基于Modbus协议的工业自动化网络规范：GB/T 19582—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[8] 用能设备能量测试导则：GB/T 6422—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[9] 企业能量平衡表编制方法：GB/T 16615—1996[S].北京： 中国标准出版社，1996.

[10] 企业节能量计算方法：GB/T 13234—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.

[11] 工业企业能源管理导则：GB/T 15587—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

(编辑：郝京红)

Preliminary Study on Standard of Energy Management System for Urban Rail Transit

Yuan Ruocen1Li Jinlong2Peng Xiumei3Wang Qunjun4Pi Yannan1

(1. Beijing Mass Transit Operation Technology Center, Beijing 102208;2. Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037;3. Beijing Mass Transit Railway Operation Co., Ltd., Beijing 100044;4. Jiangsu Lianhong Automation Co., Ltd., Nanjing 210046)

This paper analyzes and compares both domestic and international energy management systems at first. Then, considering the actual situation of urban rail transit energy management, the framework standards of energy management for urban rail transit is proposed from 4 perspectives, which are the hardware and software design principles, the principles for choosing monitoring points for energy measurement, the configuration requirements for energy measurement meters, and the main design for functions and modules. Finally, this paper points out that the enterprises should pay greater attention to the use of energy measurement meters and conducting self-examination of energy management so as to establish better standards.

urban rail transit; energy management system; standard; framework design

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.017

2015-11-14

2015-11-26

袁若岑，女，工程硕士，工程师，主要从事轨道交通安全与环境方向研究工作，490034458@qq.com

U231

A

1672-6073(2016)04-0075-06