軌道交通能耗管理系統(tǒng)監(jiān)測方案研究

秦 兵 朱麗娟

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

0 引言

“十二五”期間是我國轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、加快經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，節(jié)能減排是減緩全球氣候變化、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。軌道交通是高能耗的用電大戶，更應(yīng)積極響應(yīng)國家的號召，在保障安全運(yùn)營的前提下，做好相關(guān)的節(jié)能減排工作，并完善相應(yīng)的監(jiān)測管理措施，是解決地鐵多年來粗放型電能管理向精細(xì)化管理轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

1 國內(nèi)已建地鐵能耗管理系統(tǒng)概述

“軌道交通能耗監(jiān)測系統(tǒng)”是對軌道交通的電能設(shè)備和電能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、管理、分析與評價(jià)的綜合應(yīng)用平臺。它是一個(gè)融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制理論、人工智能、管理科學(xué)與決策科學(xué)等多種學(xué)科的集成系統(tǒng)，其主要目的在于:通過集成分散的軌道交通用電設(shè)備的電能數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析的基本監(jiān)測功能基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電能量評估、綜合性能分析等綜合優(yōu)化評價(jià)功能，為電能量監(jiān)測和應(yīng)用管理提供統(tǒng)一的平臺。

從目前國內(nèi)城市軌道交通對能量監(jiān)測的需求及實(shí)施情況看，應(yīng)以北京市軌道交通建設(shè)的電能質(zhì)量管理系統(tǒng)及上海市軌道交通建設(shè)的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)為典型對象，對其他城市的軌道交通建設(shè)與管理也有重要的借鑒意義，因?yàn)樗鼈兙幱谘芯考俺醪揭?guī)劃實(shí)施階段。

1.1 北京市軌道交通(電能質(zhì)量管理系統(tǒng))

北京市軌道交通電能質(zhì)量管理系統(tǒng)主要由現(xiàn)場采集層、子站監(jiān)控層、通信層和主站監(jiān)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(zhì)量管理系統(tǒng)獨(dú)立組建，自成系統(tǒng);其具有單獨(dú)的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸層及主站監(jiān)控層。北京地鐵5號，8號，9號，7號，14號，15號線電能質(zhì)量管理系統(tǒng)子站監(jiān)控層獨(dú)立組建，主站監(jiān)控層與通信層由綜合監(jiān)控系統(tǒng)深度集成，綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供主站設(shè)備及相關(guān)的功能軟件。各條線路的主站監(jiān)控層均設(shè)置在控制中心，各線路之間沒有關(guān)聯(lián)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖（一）

1.2 上海市軌道交通(能耗監(jiān)測管理系統(tǒng))

上海軌道交通系統(tǒng)由線路級能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)、車站級能耗監(jiān)測系統(tǒng)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(yùn)營的前提下，要求在各線路組建能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，并在線路級管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建設(shè)全地鐵線路的線網(wǎng)級能耗監(jiān)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(jiān)測管理系統(tǒng)，但未單獨(dú)建立線路級能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，各車站的能耗數(shù)據(jù)通過專用的數(shù)據(jù)傳輸通道上送至線網(wǎng)級能耗數(shù)據(jù)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(shè)的12號，13號，16號線等能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)均單獨(dú)組建，自成系統(tǒng);站級能耗監(jiān)測系統(tǒng)與線路級能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)通過獨(dú)立組建的數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，線路級能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)置與線網(wǎng)級能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)中心的通信接口;線網(wǎng)級能耗數(shù)據(jù)中心設(shè)置Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖（二）

2 軌道交通能耗監(jiān)測系統(tǒng)方案探討

現(xiàn)階段國內(nèi)城市軌道交通大多采用綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)，其集成、互聯(lián)了 PSCADA，BAS，F(xiàn)AS，AFC，PSD，ACS，CCTV，PA，PIS，F(xiàn)G，信號系統(tǒng)等;隨著技術(shù)的發(fā)展獨(dú)立系統(tǒng)將越來越少，故綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為軌道交通最綜合的數(shù)據(jù)管理與軟件分析平臺，也為能耗管理相關(guān)數(shù)據(jù)提供了一個(gè)優(yōu)越的平臺。

2.1 線網(wǎng)級系統(tǒng)

線網(wǎng)級系統(tǒng)即為城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營而設(shè)置，其建立在單獨(dú)線路系統(tǒng)之上，對整個(gè)城市軌道交通能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，可設(shè)置于地鐵公司的維護(hù)保障中心或者調(diào)度指揮中心等位置;鑒于目前大多城市線網(wǎng)處于起步階段，其對系統(tǒng)的運(yùn)營需求尚不完善，故建議在前期階段可進(jìn)行初步的規(guī)劃，在后期條件成熟后擇機(jī)建設(shè)線網(wǎng)級系統(tǒng)，但必須對前期線路系統(tǒng)制定統(tǒng)一接入的要求。

2.2 線路級系統(tǒng)

線路級系統(tǒng)應(yīng)由設(shè)置在控制中心的中央級系統(tǒng)、車站的車站級系統(tǒng)、就地級的終端設(shè)備以及傳輸網(wǎng)絡(luò)通道組成。

2.2.1 中央級系統(tǒng)構(gòu)成及功能

中央級系統(tǒng)作為全線路的數(shù)據(jù)管理中心，應(yīng)主要由能耗管理及維修工作站、系統(tǒng)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換等設(shè)備組成。其中中央級主要硬件設(shè)備(系統(tǒng)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器)由綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成，系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置能耗管理及維修管理工作站，鑒于目前綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)商對專業(yè)能耗監(jiān)測軟件開發(fā)的約束性，建議能耗監(jiān)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(guān)能耗數(shù)據(jù)管理及系統(tǒng)維修功能。

1)能耗數(shù)據(jù)管理功能。

負(fù)責(zé)系統(tǒng)的報(bào)表制作及顯示、能耗指標(biāo)數(shù)據(jù)查詢、審核、工況查看;并能提供相應(yīng)能耗數(shù)據(jù)的分析、預(yù)測、系統(tǒng)數(shù)據(jù)、圖形的Web發(fā)布功能等。

2)系統(tǒng)維修功能。

可以供維護(hù)工程師對能耗管理系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，主要用于維護(hù)系統(tǒng)軟件、定義系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、定義系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及編輯、修改、增擴(kuò)人機(jī)界面畫面、網(wǎng)管等工作，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2.2 車站級系統(tǒng)構(gòu)成及功能

站級能耗監(jiān)測單元負(fù)責(zé)采集、處理終端數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸通道傳送至中央級能耗數(shù)據(jù)中心，并接收控制中心的召喚、對時(shí)等命令。

2.2.3 終端設(shè)備構(gòu)成

終端能耗監(jiān)測設(shè)備主要由35 kV，0.4 kV開關(guān)柜、環(huán)控電控柜內(nèi)安裝的智能電表以及連接智能電表與站級能耗監(jiān)測單元的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

變電所綜合自動化系統(tǒng)及環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)分別完成變電所內(nèi)及環(huán)控電控室內(nèi)的終端設(shè)備接入車站級系統(tǒng)的工作。

1)終端設(shè)備的監(jiān)測規(guī)模。

現(xiàn)階段根據(jù)各地區(qū)城市軌道交通能耗監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)及發(fā)展，能耗監(jiān)測一般分為大規(guī)模、適度規(guī)模及小規(guī)模監(jiān)測三種方式。

a.方案一:大規(guī)模監(jiān)測方式。

本方案對各個(gè)機(jī)電系統(tǒng)用電回路、各個(gè)水系統(tǒng)、車輛段的燃?xì)庀到y(tǒng)等回路均裝設(shè)智能監(jiān)測裝置，進(jìn)而組建完整的全線路的能耗監(jiān)測綜合系統(tǒng);這是一種理想的大規(guī)模監(jiān)測方案，但根據(jù)目前地鐵領(lǐng)域的功能需求，其監(jiān)測規(guī)模大，配合實(shí)施難度較大，暫無實(shí)際應(yīng)用案例。

b.方案二:適度規(guī)模監(jiān)測方式。

該方案針對地鐵主要變電所35 kV進(jìn)出線、400 V進(jìn)線、機(jī)電系統(tǒng)節(jié)能措施的用電設(shè)備回路、UPS電源回路、三級負(fù)荷回路、照明總回路及相關(guān)商業(yè)開發(fā)的用電回路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，同時(shí)考慮了系統(tǒng)的可實(shí)施性和投資的性價(jià)比。上海地鐵、北京地鐵及其他地區(qū)大多采用了此種監(jiān)測方式。

c.方案三:小規(guī)模監(jiān)測方式。

本方案僅對變電所35 kV中壓環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線、饋線及變電所0.4 kV的進(jìn)線等電能量總回路進(jìn)行集中監(jiān)測，實(shí)施簡單、投資少，監(jiān)測規(guī)模較小。上海市軌道交通前期建設(shè)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(jiān)測規(guī)模比選見表1。

表1 監(jiān)測規(guī)模比選表

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

2)終端設(shè)備的設(shè)置原則。

供電、機(jī)電系統(tǒng)各專業(yè)應(yīng)考慮相應(yīng)的能耗監(jiān)測措施(智能表計(jì))。

站級能耗監(jiān)測管理單元與智能監(jiān)測表計(jì)之間采用現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)方式連接，通信網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立配置。

由0.4 kV開關(guān)柜直接供電的機(jī)電設(shè)備回路，應(yīng)在0.4 kV開關(guān)柜處集中設(shè)置相關(guān)的智能監(jiān)測表計(jì)。

由環(huán)控電控柜配電的相關(guān)機(jī)電設(shè)備回路，應(yīng)在環(huán)控電控柜處設(shè)置相關(guān)的智能監(jiān)測表計(jì)。

對于車站、車輛基地等用電負(fù)荷性質(zhì)為經(jīng)常性用電且變動較為頻繁，并可針對性采取節(jié)能措施的用電回路應(yīng)考慮設(shè)置智能監(jiān)測表計(jì)。

對于用于商業(yè)開發(fā)或非軌道交通運(yùn)營用電回路應(yīng)考慮設(shè)置智能監(jiān)測表計(jì)。

對于僅在事故或火災(zāi)狀態(tài)下使用的用電負(fù)荷回路不考慮設(shè)置智能監(jiān)測表計(jì)。

對于不經(jīng)常使用的負(fù)荷回路，可不考慮設(shè)置智能監(jiān)測表計(jì)，例如:維修負(fù)荷、防淹門、消防專用設(shè)備等。

對于用電負(fù)荷性較為穩(wěn)定且無法采取針對性節(jié)能措施的用電回路，可根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)置智能監(jiān)測表計(jì)。

采用變頻技術(shù)或其他節(jié)能措施的機(jī)電設(shè)備回路應(yīng)裝設(shè)智能監(jiān)測表計(jì)。

空調(diào)系統(tǒng)用電回路。

3)終端設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)通信。

上海、北京及其他地區(qū)開通線路變電所內(nèi)設(shè)置的智能表計(jì)均接入了變電所綜合自動化系統(tǒng)，測量數(shù)據(jù)與調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合并;隨著智能表計(jì)終端設(shè)備的增加，在正常的檢修維護(hù)及運(yùn)行時(shí)，勢必將對電力調(diào)度造成一定的安全隱患，故建議站級能耗監(jiān)測管理單元與智能監(jiān)測表計(jì)之間采用獨(dú)立配置的網(wǎng)絡(luò)與變電所自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分離，并接入到綜合監(jiān)控系統(tǒng)車站級通信處理器。

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸通道

網(wǎng)絡(luò)傳輸通道主要用于站級能耗監(jiān)測單元與中央級能耗監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)通信，各條線路應(yīng)根據(jù)自身的實(shí)際需求規(guī)劃傳輸通道，鑒于目前車站級集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)傳輸通道由綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供更合理;但以上海地鐵能耗監(jiān)測系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)單獨(dú)建立，同時(shí)為通信系統(tǒng)的UPS數(shù)據(jù)、供電系統(tǒng)的雜散電流以及1 500 V故障錄波等信息提供數(shù)據(jù)通道，故能耗監(jiān)測單獨(dú)組建綜合數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)顯然更適宜。

3 相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)范圍及接口

1)變電所。

變電所專業(yè)負(fù)責(zé)35 kV/10 kV，0.4 kV開關(guān)柜內(nèi)的智能監(jiān)測表計(jì)設(shè)計(jì)。

2)動照專業(yè)。

動照專業(yè)負(fù)責(zé)環(huán)控電控柜內(nèi)智能監(jiān)測表計(jì)的設(shè)計(jì)，并完成柜內(nèi)的通信組網(wǎng)。

3)電力監(jiān)控專業(yè)。

電力監(jiān)控專業(yè)在變電所信號屏處設(shè)置能耗監(jiān)測交換機(jī)，負(fù)責(zé)將變電所及環(huán)控電控柜處的智能表計(jì)接入能耗監(jiān)測交換機(jī)。

4)綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成能耗監(jiān)測系統(tǒng)的中央級主要硬件設(shè)備、軟件功能及網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，并負(fù)責(zé)相關(guān)的功能調(diào)試。

4 系統(tǒng)建設(shè)及功能擴(kuò)展

軌道交通能耗監(jiān)測系統(tǒng)主要為地鐵相關(guān)設(shè)備的電能消耗提供一個(gè)專用的數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，現(xiàn)階段大多軌道交通能耗監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)對其功能的使用還僅限制在數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)警管理、報(bào)表管理方面，并未真正實(shí)現(xiàn)其對底層數(shù)據(jù)的分析調(diào)度功能，其中有一部分與軟件并非為專用軌道交通所開發(fā)所致，同時(shí)也與國內(nèi)對軌道交通相關(guān)能耗需求研究尚不完善有一定關(guān)系。

系統(tǒng)的功能至少應(yīng)該涉及如下拓展功能:

1)節(jié)能評估。

現(xiàn)階段軌道交通眾多用電設(shè)備采用了變頻節(jié)能技術(shù)，能耗監(jiān)測既然能對底層數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其更應(yīng)該能做到相應(yīng)回路的節(jié)能評估作用，評估節(jié)能效果，并分析所采用的節(jié)能技術(shù)是否達(dá)到了建設(shè)時(shí)的期望。

2)維護(hù)保障。

通過長時(shí)期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，系統(tǒng)應(yīng)能為軌道交通運(yùn)營人員提供相應(yīng)的能耗高峰期預(yù)測，使維保人員提前做好能耗高峰期的維護(hù)保障及應(yīng)急準(zhǔn)備工作。

3)調(diào)度管理。

系統(tǒng)應(yīng)能對提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能為軌道交通通風(fēng)空調(diào)等系統(tǒng)提供不同運(yùn)行模式下的電能消耗量，從而指導(dǎo)運(yùn)營部門得到最佳的能耗運(yùn)行模式，通過BAS系統(tǒng)進(jìn)行合理調(diào)度管理。

4)建設(shè)評估。

現(xiàn)階段軌道交通供電系統(tǒng)及機(jī)電系統(tǒng)不斷引入各種新技術(shù)，其真正起到的作用是否達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，能耗監(jiān)測系統(tǒng)正好能利用其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析來驗(yàn)證，并可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)來決策是否在后期線路的建設(shè)中繼續(xù)采用相關(guān)技術(shù)方案。

5)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)信息。

系統(tǒng)應(yīng)具有良好的Web數(shù)據(jù)發(fā)布及瀏覽功能，系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表能調(diào)閱相關(guān)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)以及報(bào)表。

5 結(jié)語

能耗監(jiān)測系統(tǒng)不管采用何種方案，歸根結(jié)底系統(tǒng)三級管理、兩級控制的總體構(gòu)架是不變的，每個(gè)城市都有自己的特點(diǎn)及功能需求，做出一個(gè)性價(jià)比高同時(shí)也滿足自身需求的系統(tǒng)才是最終目標(biāo)。

［1］STB/ZH-000001-2010，上海城市軌道交通工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司.北京地鐵各線電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)(PQSS)相關(guān)設(shè)計(jì)文件［Z］.