地鐵能源管理系統(tǒng)

龍 潭

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司,610031,成都∥工程師)

1 地鐵能耗分析

地鐵是大運量的城市軌道交通運輸系統(tǒng),也是耗電量的大戶。地鐵運營過程中消耗能源的主要形式是電能。根據(jù)對地鐵的用電負荷統(tǒng)計分析,能耗主要分布在列車牽引用電和各種動力照明設(shè)備用電,如通風空調(diào)、自動扶梯、照明、弱電設(shè)備等方面。圖1是地鐵各系統(tǒng)耗能分布圖。

從圖1中可見,地鐵列車牽引用電和各種動力照明用電量比例約各占50%。牽引供電、通風空調(diào)、電扶梯、照明等的能耗占地鐵總能耗的90%左右,是節(jié)能工作的重點。因此,應(yīng)對地鐵中主要用電設(shè)備以及持續(xù)性運轉(zhuǎn)的大負荷容量設(shè)備加強能源管理和監(jiān)控,并對采用變頻等節(jié)能技術(shù)措施的設(shè)備做好經(jīng)濟技術(shù)考核和對比分析工作。表1列出了在地鐵中應(yīng)加強能源監(jiān)管的各系統(tǒng)和設(shè)備清單。

圖1 地鐵各系統(tǒng)耗能分布圖

表1 地鐵中應(yīng)加強能源監(jiān)管的系統(tǒng)和設(shè)備清單

2 地鐵能源管理系統(tǒng)的可行性分析

目前,綜合監(jiān)控系統(tǒng)已在世界范圍內(nèi)的城市軌道交通工程中成功應(yīng)用,并且?guī)砹肆己玫慕?jīng)濟效益和社會效益。綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個大型的綜合自動化系統(tǒng),它采用通用的軟件平臺、一致的硬件架構(gòu)、統(tǒng)一的人機界面,通過對相關(guān)系統(tǒng)的集成和互聯(lián),建立了一個高度共享的信息平臺,實現(xiàn)地鐵各系統(tǒng)間的信息互通與資源共享,從而提高了日常管理與調(diào)度工作的效率和地鐵運營的整體服務(wù)水平。

另外,國內(nèi)新建地鐵的400 V低壓配電柜和環(huán)控電控柜已采用智能開關(guān)柜設(shè)計方案。400 V低壓配電柜、環(huán)控電控柜內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成是柜內(nèi)智能儀表通過冗余的現(xiàn)場總線,同時通過智能通信管理器(就地終端)將數(shù)據(jù)信息上傳至綜合監(jiān)控系統(tǒng)。采用這種方式不僅能確保采集的設(shè)備電能數(shù)據(jù)能夠及時發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng),而且可靠性高、系統(tǒng)構(gòu)成簡單、經(jīng)濟,也便于集中管理。

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)等硬件和底層現(xiàn)場總線等基礎(chǔ)構(gòu)架,為能源管理系統(tǒng)的實施創(chuàng)造了非常有利的條件。在此基礎(chǔ)上,采用先進可靠的能源管理軟件、硬件,完全可以建立一套完整的、具有先進水平的地鐵能源管理系統(tǒng)。

3 地鐵能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

地鐵能源管理系統(tǒng)是以穩(wěn)定可靠的計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的集中式數(shù)據(jù)采集監(jiān)控分析管理系統(tǒng)。全線設(shè)置一個能源管理中心。能源管理中心可通過地鐵既有綜合監(jiān)控系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)從各車站、車輛段等能源子站中獲取能源數(shù)據(jù),以實現(xiàn)全線的能源數(shù)據(jù)集中監(jiān)控和管理。圖2是地鐵能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 地鐵能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 中央級能源管理系統(tǒng)

中央級能源管理系統(tǒng)作為中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)可以設(shè)置在地鐵控制中心,以完成能源數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和發(fā)布,并配備能源管理分析服務(wù)器和能源管理系統(tǒng)客戶機。能源管理分析服務(wù)器是能源管理專用軟件服務(wù)器端的運行平臺,也是全線能源管理系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)的存儲中心和數(shù)據(jù)庫管理軟件的運行平臺。能源管理分析客戶機是全線能源管理分析服務(wù)器的客戶端。操作人員打開IE瀏覽器,連接到能源管理分析服務(wù)器,即可瀏覽所有歷史能源信息及分析結(jié)果,還可以瀏覽能耗報表。中央級能源管理子系統(tǒng)與其它集成子系統(tǒng)共享中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

3.2 車站級能源管理系統(tǒng)

車站級能源管理系統(tǒng)作為車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng),可以設(shè)置在地鐵車站控制室,以完成車站、車輛段設(shè)備的能源數(shù)據(jù)實時動態(tài)采集監(jiān)控、趨勢圖顯示和故障異常報警等功能,并配備能源實時監(jiān)控服務(wù)器和能源實時監(jiān)控客戶機。能源實時監(jiān)控服務(wù)器是監(jiān)控軟件服務(wù)器端的運行平臺,負責處理、存儲、管理從現(xiàn)場傳送來的實時數(shù)據(jù)。車站能源管理系統(tǒng)以友好直觀的界面顯示被測控設(shè)備和能源網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài),幫助地鐵運營部門及時、準確了解能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

車站級能源管理系統(tǒng)通過地鐵的主干網(wǎng)將處理后的能源數(shù)據(jù)傳送給中央級能源管理系統(tǒng)。

3.3 現(xiàn)場級數(shù)據(jù)采集終端

通過其通信控制模塊、現(xiàn)場總線,與高、低壓開關(guān)柜內(nèi)智能儀表連接,并通過以太網(wǎng)模塊將信息轉(zhuǎn)換到車站級以太網(wǎng)層面,與接掛在以太網(wǎng)上的車站級車站能源管理系統(tǒng)服務(wù)器連接。

4 地鐵能源管理系統(tǒng)的軟件功能

4.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程與接口標準

地鐵能源管理系統(tǒng)是具有數(shù)據(jù)采集和能源信息管理兩個功能層次的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),能實現(xiàn)對全線電能自動監(jiān)測,進而完成電能的優(yōu)化調(diào)度和管理。其中包括三部分內(nèi)容：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,能源數(shù)據(jù)實時監(jiān)控,能源數(shù)據(jù)分析、發(fā)布和管理。圖3是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖。

地鐵能源管理系統(tǒng)采用國際通過的OPC接口標準。OPC是基Windows操作平臺應(yīng)用程序之間的高效信息集成和交互功能的接口標準,采用客戶/服務(wù)器模式。通過OPC標準可以實現(xiàn)全線各子系統(tǒng)和各車站信息的互通互聯(lián)。

圖3 地鐵能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

4.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

車站級能源管理系統(tǒng)通過通信控制模塊實現(xiàn)與現(xiàn)場總線(Modbus RTU,DL/T等RS485規(guī)約)智能儀表的通信。數(shù)據(jù)從現(xiàn)場智能儀表上傳到車站級能源管理系統(tǒng)的軟件平臺,需要經(jīng)過以下三個環(huán)節(jié)：

1)通信控制模塊和智能儀表之間的請求和應(yīng)答;

2)通信控制模塊和計算機CPU之間的數(shù)據(jù)通訊;

3)計算機CPU和能源管理軟件之間的以太網(wǎng)通訊。

4.3 能源實時監(jiān)控

通過車站級能源管理系統(tǒng),采集分布在車站內(nèi)的變電所、環(huán)控電控室及車輛段內(nèi)的變電所和各建筑單體的能源數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在車站級能源管理系統(tǒng)進行處理。實時監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器通過車站級以太網(wǎng)在預(yù)設(shè)周期內(nèi)采集各設(shè)備的電能源數(shù)據(jù),也可以通過本系統(tǒng)對設(shè)備進行控制。通過本系統(tǒng)還可對能源系統(tǒng)拓撲圖、能源數(shù)據(jù)點狀態(tài)、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、報警信息和趨勢等進行動態(tài)顯示。通過實時監(jiān)控系統(tǒng),可以實現(xiàn)：①能源分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖監(jiān)控;②快速了解現(xiàn)場運行參數(shù);③跟蹤記錄個別參數(shù)運行情況。

4.4 能源管理分析

地鐵能源管理系統(tǒng)的功能除了實時監(jiān)控之外,更為重要的是能源信息的管理和分析。在地鐵控制中心設(shè)歷史數(shù)據(jù)庫,定時采集各車站能源系統(tǒng)信息,提供各種能源數(shù)據(jù)分析管理工具,定期存入能源耗用量及各種設(shè)備異常狀態(tài)的實時數(shù)據(jù),以產(chǎn)生調(diào)度報表和事件記錄報表。能源管理分析系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下基本功能：

1)能源檔案建立和報表功能。系統(tǒng)從智能儀表中采集能源介質(zhì)信息和其它相關(guān)能源動力信息;再把這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,建立能源設(shè)備負荷檔案。系統(tǒng)提供標準報表工具和分析工具,方便地顯示和分析計量設(shè)備的能源負荷檔案、趨勢圖和報表。能源檔案和報表有以下形式：①日、周、月、年的能源檔案;②日、周、月、年的表格式報告;③可選的時間/日期檔案;④可選的時間/日期表格式報告。

2)打印功能。系統(tǒng)提供手動打印和自動定時打印兩種方式。打印內(nèi)容為：①各類能源報表(日報、周報、月報、年報);②能源的各類趨勢曲線圖。

3)通信功能。地鐵能源管理系統(tǒng)主要與以下系統(tǒng)互聯(lián)：①與運營控制中心,電力調(diào)度中心進行信息交換;②預(yù)留與上級用電管理部門交換信息的接口。

5 結(jié)語

“只有可被測量的才是可被管理的。”地鐵能源管理系統(tǒng)的總目標是建立一個全線性或者整個城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的能源管理系統(tǒng),構(gòu)建一個覆蓋列車牽引用電、各車站動力照明設(shè)備用電,以及車輛段電能、燃氣、自來水等能源介質(zhì)的自動監(jiān)控系統(tǒng)。地鐵在滿足公共交通功能需求的同時,應(yīng)按照合理用能的原則,推進先進節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用,加強節(jié)能管理和能耗控制,以提高能源利用效率,降低運營成本。

[1] GB 50157—2003 地鐵設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JGJ 16—2008 民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 于松偉,楊興山.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計原理與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學出版社,2008.

[4] 魏嘵東.城市軌道交通自動化系統(tǒng)與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[5] 中國中鐵二院工程集團有限責任公司.深圳地鐵2號線首期工程總體設(shè)計：綜合監(jiān)控系統(tǒng)[G].成都：中國中鐵二院工程集團有限責任公司,2006.

[6] 中國中鐵二院工程集團有限責任公司.深圳地鐵2號線首期工程初步設(shè)計：節(jié)能[G].成都：中國中鐵二院工程集團有限責任公司,2006.

[7] 羅利平.城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成方案[J].城市軌道交通研究,2008(11)：7.