軌道交通能耗管理系統監測方案研究

秦 兵 朱麗娟

(1.中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，天津 300250;2.蘇州市軌道交通集團有限公司，江蘇蘇州 215000)

0 引言

“十二五”期間是我國轉變經濟發展方式、加快經濟結構戰略性調整的關鍵時期，節能減排是減緩全球氣候變化、促進可持續發展的重要舉措。軌道交通是高能耗的用電大戶，更應積極響應國家的號召，在保障安全運營的前提下，做好相關的節能減排工作，并完善相應的監測管理措施，是解決地鐵多年來粗放型電能管理向精細化管理轉變的關鍵。

1 國內已建地鐵能耗管理系統概述

“軌道交通能耗監測系統”是對軌道交通的電能設備和電能參數進行實時監測、管理、分析與評價的綜合應用平臺。它是一個融合計算機技術、信息技術、控制理論、人工智能、管理科學與決策科學等多種學科的集成系統，其主要目的在于:通過集成分散的軌道交通用電設備的電能數據，在實時數據監測及分析的基本監測功能基礎上，進一步實現電能量評估、綜合性能分析等綜合優化評價功能，為電能量監測和應用管理提供統一的平臺。

從目前國內城市軌道交通對能量監測的需求及實施情況看，應以北京市軌道交通建設的電能質量管理系統及上海市軌道交通建設的能耗監測管理系統為典型對象，對其他城市的軌道交通建設與管理也有重要的借鑒意義，因為它們均處于研究及初步規劃實施階段。

1.1 北京市軌道交通(電能質量管理系統)

北京市軌道交通電能質量管理系統主要由現場采集層、子站監控層、通信層和主站監控層組成，見圖1。北京地鐵1號，2號，6號線及大興線工程電能質量管理系統獨立組建，自成系統;其具有單獨的通信網絡傳輸層及主站監控層。北京地鐵5號，8號，9號，7號，14號，15號線電能質量管理系統子站監控層獨立組建，主站監控層與通信層由綜合監控系統深度集成，綜合監控系統提供主站設備及相關的功能軟件。各條線路的主站監控層均設置在控制中心，各線路之間沒有關聯。

圖1 系統構成示意圖（一）

1.2 上海市軌道交通(能耗監測管理系統)

上海軌道交通系統由線路級能耗監測管理系統、車站級能耗監測系統以及連接兩者之間的通信通道組成，見圖2。其在保障安全運營的前提下，要求在各線路組建能耗監測管理系統，并在線路級管理系統的基礎上建設全地鐵線路的線網級能耗監測管理中心。上海市軌道交通1號，2號，3號，4號，5號，6號，8號線一期，8號線二期，9號線一期通過改造建立了能耗監測管理系統，但未單獨建立線路級能耗監測管理系統，各車站的能耗數據通過專用的數據傳輸通道上送至線網級能耗數據中心。近期開通的上海市軌道交通7號線，2號線延伸線，10號線，11號線及正在建設的12號，13號，16號線等能耗監測管理系統均單獨組建，自成系統;站級能耗監測系統與線路級能耗監測管理系統通過獨立組建的數據傳輸通道進行數據通信，線路級能耗監測管理系統設置與線網級能耗監測數據中心的通信接口;線網級能耗數據中心設置Web服務器實現相關數據的網絡瀏覽功能。

圖2 系統構成示意圖（二）

2 軌道交通能耗監測系統方案探討

現階段國內城市軌道交通大多采用綜合監控系統(ISCS)，其集成、互聯了 PSCADA，BAS，FAS，AFC，PSD，ACS，CCTV，PA，PIS，FG，信號系統等;隨著技術的發展獨立系統將越來越少，故綜合監控系統作為軌道交通最綜合的數據管理與軟件分析平臺，也為能耗管理相關數據提供了一個優越的平臺。

2.1 線網級系統

線網級系統即為城市軌道交通網絡化運營而設置，其建立在單獨線路系統之上，對整個城市軌道交通能耗數據進行統一管理，可設置于地鐵公司的維護保障中心或者調度指揮中心等位置;鑒于目前大多城市線網處于起步階段，其對系統的運營需求尚不完善，故建議在前期階段可進行初步的規劃，在后期條件成熟后擇機建設線網級系統，但必須對前期線路系統制定統一接入的要求。

2.2 線路級系統

線路級系統應由設置在控制中心的中央級系統、車站的車站級系統、就地級的終端設備以及傳輸網絡通道組成。

2.2.1 中央級系統構成及功能

中央級系統作為全線路的數據管理中心，應主要由能耗管理及維修工作站、系統服務器、數據服務器、Web服務器、網絡交換等設備組成。其中中央級主要硬件設備(系統服務器、數據庫服務器、Web服務器)由綜合監控系統集成，系統獨立設置能耗管理及維修管理工作站，鑒于目前綜合監控系統服務商對專業能耗監測軟件開發的約束性，建議能耗監測配置專門針對軌道交通專用的管理軟件。

能耗管理及維修工作站能完成相關能耗數據管理及系統維修功能。

1)能耗數據管理功能。

負責系統的報表制作及顯示、能耗指標數據查詢、審核、工況查看;并能提供相應能耗數據的分析、預測、系統數據、圖形的Web發布功能等。

2)系統維修功能。

可以供維護工程師對能耗管理系統進行維護，主要用于維護系統軟件、定義系統運行參數、定義系統數據庫及編輯、修改、增擴人機界面畫面、網管等工作，以保證系統的正常運行。

2.2.2 車站級系統構成及功能

站級能耗監測單元負責采集、處理終端數據，并將相關數據通過網絡傳輸通道傳送至中央級能耗數據中心，并接收控制中心的召喚、對時等命令。

2.2.3 終端設備構成

終端能耗監測設備主要由35 kV，0.4 kV開關柜、環控電控柜內安裝的智能電表以及連接智能電表與站級能耗監測單元的通信網絡構成。

變電所綜合自動化系統及環境與設備監控系統分別完成變電所內及環控電控室內的終端設備接入車站級系統的工作。

1)終端設備的監測規模。

現階段根據各地區城市軌道交通能耗監測系統的建設及發展，能耗監測一般分為大規模、適度規模及小規模監測三種方式。

a.方案一:大規模監測方式。

本方案對各個機電系統用電回路、各個水系統、車輛段的燃氣系統等回路均裝設智能監測裝置，進而組建完整的全線路的能耗監測綜合系統;這是一種理想的大規模監測方案，但根據目前地鐵領域的功能需求，其監測規模大，配合實施難度較大，暫無實際應用案例。

b.方案二:適度規模監測方式。

該方案針對地鐵主要變電所35 kV進出線、400 V進線、機電系統節能措施的用電設備回路、UPS電源回路、三級負荷回路、照明總回路及相關商業開發的用電回路進行統計和分析，同時考慮了系統的可實施性和投資的性價比。上海地鐵、北京地鐵及其他地區大多采用了此種監測方式。

c.方案三:小規模監測方式。

本方案僅對變電所35 kV中壓環網進出線、饋線及變電所0.4 kV的進線等電能量總回路進行集中監測，實施簡單、投資少，監測規模較小。上海市軌道交通前期建設的1號，2號，3號，4號，5號，6號，8號線一期，8號線二期，9號線一期，北京1號，2號線等工程采用了本方案。

d.監測規模比選見表1。

表1 監測規模比選表

通過以上監測規模的比較分析，從目前國內對能耗監測的功能需求及實施的可行性分析，建議采用方案二適度規模的監測方案。

2)終端設備的設置原則。

供電、機電系統各專業應考慮相應的能耗監測措施(智能表計)。

站級能耗監測管理單元與智能監測表計之間采用現場總線或以太網方式連接，通信網絡獨立配置。

由0.4 kV開關柜直接供電的機電設備回路，應在0.4 kV開關柜處集中設置相關的智能監測表計。

由環控電控柜配電的相關機電設備回路，應在環控電控柜處設置相關的智能監測表計。

對于車站、車輛基地等用電負荷性質為經常性用電且變動較為頻繁，并可針對性采取節能措施的用電回路應考慮設置智能監測表計。

對于用于商業開發或非軌道交通運營用電回路應考慮設置智能監測表計。

對于僅在事故或火災狀態下使用的用電負荷回路不考慮設置智能監測表計。

對于不經常使用的負荷回路，可不考慮設置智能監測表計，例如:維修負荷、防淹門、消防專用設備等。

對于用電負荷性較為穩定且無法采取針對性節能措施的用電回路，可根據實際情況靈活設置智能監測表計。

采用變頻技術或其他節能措施的機電設備回路應裝設智能監測表計。

空調系統用電回路。

3)終端設備間的網絡通信。

上海、北京及其他地區開通線路變電所內設置的智能表計均接入了變電所綜合自動化系統，測量數據與調度數據網絡合并;隨著智能表計終端設備的增加，在正常的檢修維護及運行時，勢必將對電力調度造成一定的安全隱患，故建議站級能耗監測管理單元與智能監測表計之間采用獨立配置的網絡與變電所自動化系統的網絡分離，并接入到綜合監控系統車站級通信處理器。

2.2.4 網絡傳輸通道

網絡傳輸通道主要用于站級能耗監測單元與中央級能耗監測中心的數據通信，各條線路應根據自身的實際需求規劃傳輸通道，鑒于目前車站級集成于綜合監控系統，其網絡傳輸通道由綜合監控系統提供更合理;但以上海地鐵能耗監測系統為例，其系統單獨建立，同時為通信系統的UPS數據、供電系統的雜散電流以及1 500 V故障錄波等信息提供數據通道，故能耗監測單獨組建綜合數據傳輸網顯然更適宜。

3 相關專業設計范圍及接口

1)變電所。

變電所專業負責35 kV/10 kV，0.4 kV開關柜內的智能監測表計設計。

2)動照專業。

動照專業負責環控電控柜內智能監測表計的設計，并完成柜內的通信組網。

3)電力監控專業。

電力監控專業在變電所信號屏處設置能耗監測交換機，負責將變電所及環控電控柜處的智能表計接入能耗監測交換機。

4)綜合監控系統。

綜合監控系統集成能耗監測系統的中央級主要硬件設備、軟件功能及網絡傳輸通道，并負責相關的功能調試。

4 系統建設及功能擴展

軌道交通能耗監測系統主要為地鐵相關設備的電能消耗提供一個專用的數據監測平臺，現階段大多軌道交通能耗監測系統的建設對其功能的使用還僅限制在數據顯示、數據統計、報警管理、報表管理方面，并未真正實現其對底層數據的分析調度功能，其中有一部分與軟件并非為專用軌道交通所開發所致，同時也與國內對軌道交通相關能耗需求研究尚不完善有一定關系。

系統的功能至少應該涉及如下拓展功能:

1)節能評估。

現階段軌道交通眾多用電設備采用了變頻節能技術，能耗監測既然能對底層數據進行統計，其更應該能做到相應回路的節能評估作用，評估節能效果，并分析所采用的節能技術是否達到了建設時的期望。

2)維護保障。

通過長時期的數據統計功能，系統應能為軌道交通運營人員提供相應的能耗高峰期預測，使維保人員提前做好能耗高峰期的維護保障及應急準備工作。

3)調度管理。

系統應能對提供的數據進行分析，能為軌道交通通風空調等系統提供不同運行模式下的電能消耗量，從而指導運營部門得到最佳的能耗運行模式，通過BAS系統進行合理調度管理。

4)建設評估。

現階段軌道交通供電系統及機電系統不斷引入各種新技術，其真正起到的作用是否達到了預期的目標，能耗監測系統正好能利用其基礎數據的分析來驗證，并可根據相關數據來決策是否在后期線路的建設中繼續采用相關技術方案。

5)網絡化數據信息。

系統應具有良好的Web數據發布及瀏覽功能，系統的相關數據報表能調閱相關電能質量數據以及報表。

5 結語

能耗監測系統不管采用何種方案，歸根結底系統三級管理、兩級控制的總體構架是不變的，每個城市都有自己的特點及功能需求，做出一個性價比高同時也滿足自身需求的系統才是最終目標。

［1］STB/ZH-000001-2010，上海城市軌道交通工程技術標準［S］.

［2］北京市軌道交通建設管理有限公司.北京地鐵各線電能質量監測系統(PQSS)相關設計文件［Z］.