地鐵車站能源管理系統設計應用

沈文杰

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

在節能減排的大背景下，各種能源監測系統紛紛涌現，實踐證明，能源管理在企業中發揮著重要的基礎保證作用，完善的監測工作是節能減排的最原始依據，對采集到的基礎數據進行分析，進行成本核算，對浪費進行改正，提高企業經濟效益。但目前普遍的能源監測系統只做到了對能源進行二級計量，但二級計量方式基本只是對能源系統總量或局部總量的進行計量，提供的能耗數據只是局部區域、多個設備或者某個時段的用能數據，沒有做到實時同步統計測量，無法做到實時監測與管理能源消耗過程，對于負載設備能源消耗過程數據缺乏細節數據，其主要缺陷主要有以下幾點：

1）無法對末端負載設備用能過程細節進行及時測量和效果評估。

2）用能數據無法與效果進行聯動分析和比較，無法對用能過程能耗進行分解。

3）能源數據精度差，不能據此來分析整體用能設備的能耗過程和效率情況。

綜上所述，目前絕大多數節能措施缺乏細節能耗和相應技術分析比較作為支撐，在節能措施采取后也缺乏相應細節能耗數據進行比對和管理，無法考核所使用的節能措施是否達到預期效果。因此實現從能源二級計量進一步提升到末端全負荷計量以實現對整體設施和系統的能效監測，成為行業關注的焦點。

1 能源管理系統組成

能源管理系統（EMS）是一套整體的管理思想和方法，在滿足設施功能要求的同時，為了使用能損耗最小，能源所發揮出的效率最高而對用能設備和整個用能情況進行監測、比較與分析的節能辦法。

在軌道交通快速發展的今天，對車站風、水、電和其他能源系統的運行管理和能效管理控制顯得格外重要，每個車站都有大量用能設備，如何合理的管理這些設備群組，使其用最低的能量發揮最大的效益，是目前京津冀一體化大背景下地鐵建設及運營過程中爭先探索的首要問題。

能源管理系統包括對損耗的各種分項數據的收集、能耗過程和狀況的在線監測、能效分析管理、能耗成本分攤和趨勢預測，并通過對耗電設備及工藝參數的調整等，實現對軌道交通用能設備的整體能耗狀況進行統一管理，實現節能管理和節能改造。

地鐵中用能設備主要有動力（含末端用電、通排風、給排水、屏蔽門、AFC等）、照明等各類能源設施和設備，通過以太網、光纖等通信方式實現對各個子系統的綜合在線監測管理，就構成了能源管理系統。

系統設計遵循“監測—分析—管控”的思路，依據分布式采集、統一性分析、電腦監視、資源與信息共享的原則，組成一個標準化的集散型管理控制系統。系統實現采用分層分布式的網絡結構，按照功能劃分，從上到下可分成管理應用層、網絡通信層和現場測控層，拓撲圖如圖1所示。

圖1 能源管理系統拓撲圖

1.1 管理應用層

能源管理系統的綜合管理工作站及各個子系統工作站稱為管理應用層。能夠提供地鐵中作為分析用能指標的管理應用模塊，包括能耗分類/分項/分區域管理、用電設備分布式管理、能效評估分析、能源質量分析、能耗信息反饋、用能設備優化使用等模塊，這些功能可以靈活組合，可擴展、可兼容。同時，在管理應用層可通過以太網與其他高級應用系統如BAS、FAS等系統進行銜接，共享數據與信息。

1.2 網絡通信層

這一層主要將現場采集到的各種設備狀態、能耗數據等信息進行歸類匯總并分析、處理，按規則進行記錄并緩存，并將數據傳送至管理應用層。另外還可根據對數據的分析結果進行計算，并生成控制命令，或接收上一層的控制命令下發至現場受控設備，以實現遙控功能。網絡通信層所用的主要設備有通信子站、面板及各設備系統的局部主控站等，通信設備在設計時應將接口預留好，以滿足后期系統容量不足時需要擴容的需求。

1.3 現場測控層

這一層處在能源管理的末端，同時也是基礎數據的來源。建立一種通用的模塊化的模式，將各種智能儀表安裝在用電設備上口，實時監測設備的運行狀態和能耗狀況，采集設備的運行狀態與參數，如電壓、電流、功率等，并根據上層的命令來修改設備工作方式，多次循環往復，尋找到各能源系統的最優運行模式，并予以保持。現場測控層的設備主要包括智能儀器儀表，流量計以及各類傳感器等。

2 地鐵車站的能源管理系統設計

在了解能源管理系統的架構之后，就需要對地鐵車站進行有針對性的設計，以實現能源管理系統的功能。地鐵車站內的能源管理系統組成一般包含一個工作主站、幾個分區子站以及分布式末端子站。

2.1 能源管理系統主站

一般設置在綜合監控室，相當于整個能源系統的大腦。這個主站內需要設置系統服務器一套（主/備雙機系統），應用軟件采用EMS系統的專用軟件，對正常工作狀態下的數據監測和末端用電設備狀態進行集中反饋，對事故的全過程進行記錄與分析，對開關分合動作進行統計分析，并處理多個系統或多個區域之間的數據共享等功能；除此之外還需配置1臺打印機，可以將系統軟件生成的各種圖表、圖形、故障分析曲線等打印出來；同時為保障供電的可靠性，需設置一臺UPS設備，可以保證供電的可靠性；在通信方面，主站可以與下面的各局部操作站以光纖形式相連接。

2.2 分區操作站

由于地鐵車站規模較大，尤其是換乘站，只采用一個主站進行管理，網絡系統繁雜，采集計算量太大，為了便利車站運行人員的管理需要，可根據車站規模的大小，設置2～3個區域工作站，用來完成對各個分區設備的能源監控與管理。這樣劃區域進行監測并上傳，可避免大量數據擁堵，可以提高系統的反應速度和系統識別的準確性。

2.3 分布式通信子站

通信子站一般設置在降壓變電所內的高低壓柜以及各個設備的配電箱或控制箱附近，向上一層是通過光纖與各區域子站相連接，向下一層則是通過屏蔽電纜與設備末端的智能儀表相連接，起到貫通上下的作用，對于集中采集分布于各處的水系統設備、配電系統設備、光伏發電系統、柴油發電動機等的各項指標數據進行匯總。

2.4 主干通信數據網

數據傳輸網絡一般由單模光纖構成，從而完成主站、各區域子站與各末端分布子站間數據傳輸。可以使用光纖收發器來完成光電信號的轉換。對于末端測控層數據網絡則采用屏蔽雙絞線將末端設備的損耗信息情況與末端子站相連接，形成末端的傳輸網絡。

2.5 測控層硬件設備

測控層處于各系統的末端設備，對末端設備的負載能耗信息進行監測，所涉及到的設備主要是智能設備監測模塊，一般采用冗余CPU硬件設備來適應大數據庫的在線監測功能，通過總線通信進行上傳。

2.6 與各系統的銜接

也是出于節能的考慮，目前全國各地鐵站大部分都設計了光伏發電系統。能源管理系統可通過通信子站并經過數據傳輸網絡與光伏設備預留接口進行數據傳輸，可以將光伏發電系統內設備的各項指標、電能質量、諧波含量等數據進行實時上傳。

地鐵車站內暖通空調專業設置了水系統，該系統含有較多的大容量用電設備，比如冷凍泵、冷卻泵等，能源管理系統在末端設備子站級可通過數據總線采集水系統中各設備的運行數據，對這些大設備進行統一監測，同時可上傳至工作主站對各設備進行監測。

3 地鐵車站中能源管理系統的作用

能源管理系統目的在于實現設備的綠色節能運行，在運營管理中樹立先進的理念，努力降低設備損耗，提高設備效能，通過能源管理系統，可以不斷完善其數學模型，優化電氣設備的控制算法，最終為地鐵運營管理人員提供更加優質的能源管理與監控平臺，使得數量眾多、種類不一的地鐵車站能夠各自節能減排，匯集到整個京津冀地區，能耗降低的總量便是客觀的，為地鐵建設的可持續發展提供了有效的基礎和依據。

3.1 系統具體功能

1）對高低壓變配電所有回路進行實時全面的采集數據，包括設備運行參數，變壓器溫度，環網柜、母聯柜、低壓柜的開關狀態。

2）對采集到的各類參數、變壓器負荷率等進行分類統計對比、進行原因分析，對重要配電回路的電能質量進行監測，保證整個供電系統的的可靠性，對各設備的安全運行提供了一道保障。

3）能夠提供與其他系統如 BAS、FAS等的接口，可以進行數據共享。

4）結合地鐵車站的用能特點或生產工藝流程，對設備的用能過程進行在線分析，及時準確的發現系統的能耗改進點，并針對其運行工況制定管理控制策略，相互對比，以達到最佳運行水平。

5）對重點設備進行重點分析，及時發現設備的異常運行狀態，并提示進行檢修維護，增加設備的運行壽命，提高系統整體的安全可靠性。

6）對各項能耗指標進行分區、分項、分類統計，同比、環比交叉比較，并以柱狀圖（2D/3D）、餅圖、曲線等直觀方式切換顯示。并生成各類分析報表，便于運營管理人員的節能減排管理工作。

3.2 能效分析

能源管理系統可將實際用能與計劃用能進行對比，進行能效分析，并可以預測在未來一段時間內的用能趨勢，可以未雨綢繆，提前進行安排。首先，對變壓器、高壓柜、低壓柜、配電箱等處設置的智能儀表進行數據采集，對各總表或分表能耗數據的差異進行分析；其次，通過建立的數學模型，計算水、電等能源的損失情況，根據此數據計算能源管理所帶來的經濟效益；再次，對能源利用情況分別進行年、月、日的管理，根據用能情況分析報告總結并發現設備的異常點，同時找出解決方案，形成能效分析報告，并對解決方案再進行數據采集、傳輸、分析，經過多次循環，找到最優工作點；最后，幫助進行用能成本統計，實現運營管理人員的組織結構優化，降低成本。

3.3 綜合報表

對各用能設備和系統運行參數進行匯總統計，并根據管理者的使用需求，生成系統文件，便于打印和保存。可生成年、季、月、日、時的耗能量、耗能費用以及能效匯總情況報表等。運營管理人員可根據自己的需要自定義各種報表的形式及內容。對于所發生事件的記錄、故障報警等數據的報表，可以設置成定時和根據需要進行打印。

3.4 電能質量分析

能源管理軟件可以通過對采集到的參數以及諧波參數進行電能質量的分析，對波形記錄進行與常規波形比較，分析結果可用來對有害的電能因素提出對策，進行整改，以消除對設備的損害。并且可以對電力系統進行預警提示，如電網諧波過大、設備運行效率過低、能耗突變等。

3.5 其他功能

還具備其他日常管理的功能，例如：工作票管理，打印操作票、交接班記錄管理以及運營記錄管理等，對設備的缺陷、運行狀態、維修記錄等均可進行監測。

應用軟件具備開放性和兼容性，這樣可保證其他系統與能源管理系統的融合與銜接。

4 對節能效果的評估

通過對地鐵車站采用能源管理系統，利用系統軟件對采集數據進行細化、量化，對末端設備的能耗與能效數據進行實時在線采集，為地鐵運營管理工作提供了有效的能源管理工具和能耗計量工具，為進一步的節能減排，提高功效提供了應用措施，順應節能減排大環境的要求，為地鐵的可持續發展奠定基礎，預期會收到良好的經濟與社會效益。首先該系統為地鐵站房提供主要用能設備的資源管理調度方案，總體規劃成本模型、總體節能減排管理等；其次為分區管理提供設備的資源管理調度、分部分項分區域的節能減排管理、對用電設備使用的電能進行成本考核；再次對末端設備的節能監測、能源審計、綜合能耗統計與測試、進行各設備能量平衡統計、管理評價。下面以空調能耗、照明能耗和冷熱源能耗為例進行分析對比。

圖2 空調分時能耗條形圖

首先對空調分時能耗圖進行分析，地下一層以及設備層的空調能耗從00∶00到24∶00并沒有較大改變，從23∶00到次日05∶00這段時間，沒有車輛運營，所以部分空調可以關畢，同時在白天采用智能控制系統，把空調開關與溫度設定調節至最合理狀態，估算每天能夠節電約3000kW·h。

車站中照明節能也是重要的一個環節，地下一層照明在 23∶00—05∶00非運營時間與白天無太大差別，設備層照明每天基本固定不變，站臺照明在夜間一直開啟，通過設定照明智能系統對照度以及照明設備的控制，預計每天節能約為600kW·h。

對冷熱源能耗情況進行分析，可以發現冷熱源在運營時段的能耗略小于非運營時段的能耗，這說明存在部分不合理能耗，通過能耗智能管理系統，從末端負荷變化情況出發，動態的調整制冷及供熱設備，可以達到15%以上的節能，由于冷熱源系統設備耗電量大，估算每天節能約為8000kW·h。

圖3 照明分時能耗條形圖

5 結論

目前全國范圍內都在積極推進節能減排、提高能效，京津冀一體化帶來的軌道交通建設運營也必然需要適應節能的大潮，實踐證明，能源管理系統不僅僅可以為地鐵設備運行帶來最直接的經濟效益，同時也是大勢所趨，能帶來良好的社會效益，作為大型基礎設施以及大型公共建筑建設管理，對能耗要求是必不可少的，京津冀一體化發展，必然帶來軌道交通的大規模建設，每一座車站都進行節能設計，用能管理，這樣匯總起來將是客觀的經濟效益。能源管理系統提供了節能的基礎數據以及管理方法，在直觀的數據以及比較下，校正設備的運行模式，使其按照最經濟合理的方式提供最優質的服務。

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