地鐵電能量管理系統

周鐵軍

地鐵的供電系統是為地鐵運營提供電能的，地鐵列車是電力牽引的電動列車，其動力是電能；此外，地鐵中的輔助設施包括照明、通風、空調、排水、通信、信號、防災報警、售檢票、自動扶梯等，也都依賴電能。地鐵供電電源一般取自城市電網，通過城市電網一次電力系統和地鐵供電系統實現輸送或變換，然后以適當的電壓等級向地鐵各類設備供電。

1 地鐵電能量管理系統

為深入貫徹科學發展觀，落實節約資源基本國策，建設便捷、高效、節能、環保的軌道交通網絡體系，完成“十一五”規劃綱要提出的節能目標，實現軌道交通的可持續發展，促進軌道交通集團節能降耗，同時為了能使集團更好的完成資源調配、組織運營、降低能耗、節約成本，需要建立一套有效的地鐵電能量管理系統。

目的：用于建立能源綜合管理、運營成本考核管理體系、用于建立電能質量考核管理體系，用于監督用電設備污染源、用于加強用電安全管理、事前預防和事后分析、用于用電信息綜合管理、報表統計、線損分析。

地鐵電能量管理系統是一套具有安全、高效、經濟、可擴展性的變配電計算機監控管理系統。系統基于分層分布式結構，采用現場總線技術實現變配電系統信息的交換和管理。系統集保護、控制、測量、信號采集、故障錄波、諧波分析、電能質量管理、負荷控制和運行管理為一體，實現了變配電系統高、低壓電氣設備分散監控、集中管理功能，全面提高變配電運行現代化管理水平。

系統借助現代的網絡技術和計算機技術實時監視電力系統的運行參數（包括：開關狀態，故障狀態和位置，電壓、電流、電度等實時變化的電氣參數，報警信號等）、事件記錄、波形記錄等數據，不斷地傳送至電力監控計算機（以后簡稱監控中心），并可以實施遙控命令，使運行管理人員可以通過監控中心全面了解電力系統的運行工況，準確、快速地判斷故障位置和故障原因，簡便地實現各種數據分析（包括負荷分析，電能消耗分析，電能質量）。對于一些難于判斷的故障，可以通過波形記錄來幫助管理者分析故障原因。

地鐵電能量管理系統主要功能包括：系統運行實時監視、電能質量監視、高精度電能計量、電能消耗統計和分析、遠程控制和操作記錄、事件報警和記錄、數據采集和歷史數據管理、各種報表打印、電能管理等:

（1）能源消耗管理：

軌道交通能源消耗管理包括能源監視、分析以及控制能源使用，從而降低每個車站和線路能源的整體使用成本，同時將能源數據升華為有價值的信息，用于掌握和分析各個部分的能源使用情況。

（2）關鍵能耗負載分布和能耗負荷特性分析：

用于測定和記錄來自分布式電能監視儀表和其它能源儀表在每個電力需用時限的能源使用數據，并將這些數據保存在一個集中的數據庫中。因此，用戶可以立即確定負載系數、最高要求負荷周期，以及與之相關的設備的能耗，包括：線路、變壓器、空調機組及通風機組、照明、電梯/自動扶梯、弱電系統等。

（3）成本分攤：

將能源成本分攤到每個設備、車站或線路。也可為多種應用生成分析和校驗能源清單以及資費所需的報表。

（4）電能質量控制和報警

通過測定系統和站點的電能質量，致力于發現一些潛在電能質量危害，例如諧波、電壓偏移以及配電系統的事件、此外，它還用于捕捉系統的越限情況和能源消耗異常，發出報警信息，并以包括：Email、手機短信、PDA、工作站等多種形式通知相關工作人員，有助于減少設備誤動作、降低能源成本、幫助配電系統規劃、提高生產效率以及提供系統性的能源整體視圖。

（5）節能措施和設備的優化

通過能源數據的收集和設備狀態的分析，發現節能空間比較大的領域和評估各項節能措施和設備的實際效果，包括：再生制動能量利用、諧波治理 、照明控制、通風、空調&制冷等。

通過地鐵電能量管理系統的實時參數顯示功能，可實現關鍵配電回路電氣運行狀況的遠方監視，同時生成基本電氣參數、電能消耗、分時計量、THD總諧波畸變率等各種運行分析報表。

通過地鐵電能量管理系統軟件采集的數據可以分析歷史負荷曲線、電能消耗和系統裕量，提高系統或設備的使用效率。對全年的電能消耗進行分時段、分季節、分部門的統計分析；生成的報表可以Microsoft Excel文件格式存儲，且自動形成曲線或柱狀圖，方便用戶導出或形成報告。

通過地鐵電能量管理系統采集的數據還可以進行能耗數據的相關性分析：

（1）結合軌道交通的其他運營和基礎數據包括客運量、車站建筑面積、天氣變化等相關數據，對能耗數據進行橫向和縱向對比，把能源數據進一步深度處理，把能源數據轉化為公司的財務和經濟指標和信息。

（2）可以實時顯示整體交通網絡能耗數據，可以顯示和調用歷史能耗曲線；通過對長時間數據的分析，可以對各條線路的能耗進行季度或者月份的對比，發現能耗異常情況；

2 地鐵建設電能量管理系統的必要性

下面就地鐵系統與供電系統相關的問題進行論述。

2.1.地鐵安全運行的需要

地鐵是城市公共交通重要組成部分之一，作為大容量公共交通工具，其安全性直接關系到廣大乘客的生命安全。安全運營是地鐵運輸的首要目標和基本原則。為此，中華人民共和國住房和城鄉建設部于2007年3月20日，下發了《關于加強地鐵建設和運營安全管理工作的緊急通知》。

地鐵運營安全不僅涉及人，車輛，軌道等系統因素，還受到社會環境和列車運行相關設備（如信號系統、供電系統）等因素的影響。近年來國內外地鐵事故統計的分析表明：人、車輛、軌道、供電系統、信號系統及社會災害等是地鐵事故的主要因素。

2.1.1.供電因素

供電系統的主要危險是電氣火災、觸電和電能質量問題。

電氣火災的原因主要包括：當電路發生短路時，電流可能超過正常時的數十倍，致使電線、電氣溫度急劇上升，遠遠超過允許值，而且常伴有短路電弧發生，易造成火災；線路、變壓器超載運行均將導致其絕緣材料過熱起火；導線接頭連接不牢或焊接不良均會使接觸電阻過高，導致接頭過熱起火。接觸不良的電線接頭、開關接點、滑觸線等還會迸發火化，引燃周圍易燃、易爆物質（此類現象在運營新線及老線尤為明顯）；變壓器一般都配備有散熱設備，如風葉、散熱器等，如果風葉斷裂、變壓器油面下降均會導致散熱不良，使電器熱量累積起來。電纜溝、電纜井內電纜過密，散熱不良易會引起火災。

應用地鐵電能量管理系統可實現較全面的監測功能，如遙測量：電流、電壓、功率、電度、功率因數、頻率、諧波、最大/最小值等；遙信：斷路器的分合閘狀態；遙控：遠程控制斷路器的分閘。監測到電力系統問題可立即報警，方便用戶及時處理，減少不必要的損失。

引起觸電事故的主要原因，除了設備缺陷、設計不周等技術因素外，大部分都是違章作業、違章操作。

隨著國民經濟的快速發展，電力系統污染現象也日益嚴重，電能質量也隨之提出了新的問題。一方面，用電負荷日趨復雜化和多樣化，如半導體整流和逆變裝置以及變頻調速裝置等電力電子設備的應用，這些具有非線性、諧波豐富、沖擊性和不平衡特征的負荷會影響到供電電網，給電能質量提出了新的問題。另一方面，用戶對供電可靠性的要求越來越高，眾多基于計算機、微處理器控制的精密電子和電力電子裝置在電力系統大量使用，對供電質量的敏感程度越來越高，尤其對供電系統的暫態性能也提出了要求。一旦出現電能質量問題，輕則造成設備故障，重則造成整個系統的損壞，由此帶來的損失是難以估量的。

現有資料表明，在中國的黃山、廬山、湖北、云南、西藏、河北、內蒙古均發現有第四紀冰川遺跡[1]。比上述各地區緯度要高的黑龍江省有無第四紀冰川存在，一直有兩種認識：一種認為只有冰緣而無冰川；另一種認為既有冰緣又有冰川[2]。筆者在進行黑龍江省地質公園地質遺跡調查中發現了大量形似冰川地質遺跡的現象，以下暫稱為“類冰川地質遺跡”。有的類似冰臼、有的類似冰壁龕、有的類似冰面湖湖蝕柱石……(以下暫稱為冰臼、冰壁龕、冰面湖湖蝕柱石……)，這些地質遺跡的發現，為分析黑龍江省古冰川是否真正存在提供了重要線索。

電能質量低下的危害有以下一些表現：

電壓的波動和閃變超標,會危害與其連接在公共供電點的其他用戶的設備，如使照明燈閃爍、電機轉速不均勻和計算機及電子設備工作不正常等。

諧波會損壞系統設備（如電容器、電纜 、電動機、電壓互感器等），威脅系統的安全運行（如繼電保護及自動裝置誤動），增加系統的功率損耗（如線損），增大測量儀表的誤差（如電能表），干擾通信等。

三相負荷不平衡會增加變壓器的損耗造成其局部過熱，繼電保護及自動裝置誤動，變流器產生非特征諧波，增加中性線電流產生電噪聲干擾，增加輸電線損耗，干擾通信等。

暫時過電壓和瞬態過電壓以及電壓跌落和短時供電中斷的問題，一般由系統或用戶內部的短路故障引起，會直接影響甚至中斷用戶正常的用電，造成嚴重的經濟損失。

應用地鐵電能量管理系統，通過預測、診斷和驗證電能質量問題，可避開存在的風險，使與電能質量問題相關設備以更安全的方式運行。

例如，2003年7月15日上海地鐵一號線蓮花路到莘莊的列車突然停電，被迫停運62分鐘。經查明原因是由于地鐵牽引變電站直流開關故障跳閘，使列車無法運行。又如，2003年8月28日，英國首都倫敦和英格蘭東南部部分地區突然發生重大停電事故，倫敦近2／3地鐵停運，大約25萬人被困在倫敦地鐵中。

2.1.2. 信號系統因素

地鐵專用通信系統是直接為地鐵運營、管理服務的，是保證列車及乘客安全，列車快速、高效運作的必不可缺的信息傳輸系統。當發生緊急情況時，通信系統應能迅速轉為應急通道，為防災、救援和事故處理提供方便。同時若通信系統的電源發生故障或通信設備本身發生故障等問題時，各種行車、票務及控制信息出現間斷性不可靠傳輸，易會引發事故或使事態擴大。

信號系統是整個地鐵運營的大腦，它保證列車和乘客的安全，實現快速、高密度、有序運行的功能。信號系統的不完善或信號系統設備故障，相當于大腦癱瘓，則運營整體處于癱瘓狀態，或者不能保證運營安全。

信號系統的功力源泉仍然是供電系統，供電系統的問題會引起信息系統故障甚至癱瘓。

2.1.3.信號系統問題引起事故案例

2003年3月17日，上海地鐵一號線信號控制系統突然發生故障，停運8分鐘。2003年2月14日，上海二號線中央控制室自動信號系統發生故障，停運20分鐘。

2.2.地鐵經濟運營的需要

國家發展戰略強調高效率、低能耗、低污染，達到節約能源、保護環境的可持續發展目標。

地鐵線路的建設需要高投入，地鐵線路的運營也需要大筆的資金。目前除了香港等少數幾條地鐵線路實現盈利外，其它在運營的地鐵線路基本上都是靠政府財政補貼維持運營。地鐵系統要實現盈利并收回投資，主要靠增加售票收入，在日人流次數一定的情況，只有提高地鐵票價，才能盡快收回投資。在目前中國的現實情況下，提高地鐵票價很難獲得民眾的認可。因此，開源方面的問題可以不用考慮，剩下的就是如何搞好節流工作，降低地鐵系統的運營維護成本。

在當前的國內，對于用戶來說，設備運行消耗是商業運作的主要支出之一。在今天的競爭環境中，合理控制這些費用并不斷設法提高效率、削減支出，是每個用戶的目標。為了有效控制這些費用，首先應該對其進行監測。運用地鐵電能量管理系統可以獲得減少電能花費、降低成本設備投資和設備運行潛在消耗所需的信息；通過電能量管理系統，可識別電能的非有效使用或浪費，優化設備運行，提高效率；可合理分攤用電成本，達到電氣節能的目的。

電氣節能體現在：通過對電力參數歷史數據分析，建立系統和設備的電能消耗模式，在實時監視過程中及時發現電能消耗異常現象，采取有效措施進行設備改造或補償，以避免電能損耗。如設備故障和諧波引起的電能消耗。優化配電系統運行模式，減少不必要的電能花費，如對定時用電設備進行集中控制，如公共照明、空調及通風。對配電系統內部的各用電單位進行電能分配、計量和監控，以避免電能浪費的現象和提高管理效率，降低運營成本。

2.3.提升地鐵系統形象和服務的需要

地鐵機電設備是地鐵運營的一個重要組成部分，主要包括：通風空調系統、給排水系統、動力照明系統、防災報警系統、低壓配電系統、自動扶梯及其監視系統、環控自動化系統、防災報警滅火系統、通信系統、信號系統、自動收費系統（AFC）。供電系統負責給以上其它系統提供能源和動力，因此供電系統的安全和穩定，可以為廣大乘客提供更加安全、快捷、舒適和便利的服務。

通過地鐵電能量管理系統，可實現設備在線監控。在線監視重要電氣設備和系統的運行狀況，及時發現設備故障或安全隱患、制定專門的維修計劃，保證設備安全穩定運行、延長設備使用壽命。

2.4.地鐵系統管理和發展的需要

建設地鐵電能量管理系統可以提高整個地鐵系統的經濟效益，減輕維護人員的勞動強度；減少操作人員；增強電力系統的免維護性；有利于提高設備的安全性和延長使用壽命。

建設地鐵電能量管理系統可以提高地鐵系統的管理水平。主要包括：為電力系統管理自動化，準確、及時地提供更為詳盡、豐富的數據；可以方便、直觀地監控全局內各個車站的用電、供電情況，實現總體控制。

建設地鐵電能量管理系統，可以提高供電質量和可靠性。實現中低壓配電網自動化，可減少故障次數，縮小事故范圍，縮短事故時間，為恢復供電、快速分析、診斷、報告事故原因提供有效的依據。

建設地鐵電能量管理系統，可以實現對配電室內的二次設備（安全自動裝置、傳統測量儀表、操作控制、信號系統等）的功能進行智能化改造，取消了常規的人工電力管理，通過計算機和通訊網絡進行電力系統的測量、控制、信號采集、故障分析、負荷控制和運行管理，極大地提高配電系統的安全性、可靠性和管理水平的智能化。該系統具有良好的開放性，可以方便的與其他相關系統和智能裝置進行通信，如：設備自動化系統、通信網絡系統、辦公自動化系統、火災自動報警系統等，實現自動化系統間相互通訊和信息共享。