地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控與能源管理系統(tǒng)融合設(shè)計研究

喻 奇

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 430063， 武漢∥高級工程師)

為實現(xiàn)國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略，推動地鐵行業(yè)節(jié)能降耗，提升用能效率，降低運營成本，各地紛紛增設(shè)地鐵能源管理系統(tǒng)[1]。地鐵運營消耗的能源通常包括電、水、燃氣、燃油等，其中絕大部分為電能的消耗，因此地鐵能源管理系統(tǒng)的重中之重即電能管理。

依據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2018版)的規(guī)定：城市軌道交通車站屬于室外消防用水量大于25 L/s的其他公共建筑，其非消防用電負荷宜設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)[2]。JGJ 243—2011《交通建筑電氣設(shè)計規(guī)范》也規(guī)定，城市軌道交通地下車站應(yīng)設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

地鐵電能管理系統(tǒng)相關(guān)底層數(shù)據(jù)的采集涉及的設(shè)備包含中壓開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜、環(huán)控柜或配電柜，而電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)底層數(shù)據(jù)采集涉及的設(shè)備包括低壓開關(guān)柜、環(huán)控柜或配電柜。由此可見，地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)涉及的底層設(shè)備包含在能源管理系統(tǒng)涉及的底層設(shè)備范圍內(nèi)。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的功能在于對電氣火災(zāi)進行預(yù)警[4]，其系統(tǒng)可靠性要求與能源管理系統(tǒng)基本相同，因而在工程設(shè)計中將電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)融入能源管理系統(tǒng)具備可行性。本文擬研究兩系統(tǒng)的融合設(shè)計方案。

1 電氣火災(zāi)監(jiān)控方案簡介

1.1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第9.1.2條的規(guī)定：電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)由下列部分或全部設(shè)備組成：① 電氣火災(zāi)監(jiān)控器；② 剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器；③ 測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器[5]。

根據(jù)地鐵的特點，電氣火災(zāi)監(jiān)控器通常設(shè)置于地鐵車站控制室、控制中心和車輛基地的消防控制室。剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器由剩余電流傳感器和信號處理單元組成，剩余電流傳感器一般為剩余電流互感器，信號處理單元的作用為接收剩余電流傳感器的測量數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析處理[6]。測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器由測溫傳感器和信號處理單元組成，測溫傳感器一般由熱敏電阻或紅外測溫元件等組成，信號處理單元的作用為接收溫度參數(shù)測量數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析處理[7]。典型地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 典型地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)探測器設(shè)置方案

根據(jù)GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器應(yīng)設(shè)置在低壓配電系統(tǒng)首端為基本原則，宜設(shè)置在第一級配電柜(箱)出線端[5]。結(jié)合地鐵的特點，變電所的400 V開關(guān)柜非消防負荷饋線回路均需配置剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，部分城市地鐵在第二級配電的環(huán)控柜或配電箱非消防負荷饋線回路也配置剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。對于采用剩余電流式傳感器難以解決誤報警問題的饋線回路，通常改用測溫傳感器的方案，可選用多傳感器組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器接入系統(tǒng)。在地鐵工程建設(shè)實踐中，一臺電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器通常接6～10個傳感器，一個標(biāo)準(zhǔn)地下二層地鐵車站通常需設(shè)置20～30臺電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。

1.3 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)外部接口

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在地鐵的機電設(shè)備系統(tǒng)中屬于相對獨立的系統(tǒng)，通常只與FAS系統(tǒng)(火災(zāi)報警系統(tǒng))接口，用于預(yù)警信息的傳遞，提醒運營人員及早檢查和防范。

2 能源管理系統(tǒng)方案簡介

2.1 能源管理系統(tǒng)的構(gòu)成

由于城市軌道交通能源管理系統(tǒng)尚無統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各地執(zhí)行的地方標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異，如北京市要求按DB11T 1486—2017《軌道交通節(jié)能技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，上海市按DG/TJ 08-2232—2017《城市軌道交通工程技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，江蘇省則按DGJ32/TJ 132—2011《城市軌道交通能源管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行，未制定地方標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)差別更大。

各地方標(biāo)準(zhǔn)的具體要求雖然不盡相同，但是線路級能源管理系統(tǒng)的構(gòu)成基本相同，均由中心級管理系統(tǒng)、車站級管理系統(tǒng)(或管理單元)、現(xiàn)場控制級以及聯(lián)系三者的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。典型地鐵能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 典型地鐵能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

中心級管理系統(tǒng)通常設(shè)置于運營控制中心，主要功能為監(jiān)管能源管理系統(tǒng)設(shè)備及監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、處理、分析、統(tǒng)計等。車站級管理系統(tǒng)可根據(jù)需要設(shè)置，監(jiān)管一個或若干個車站的能源管理系統(tǒng)設(shè)備及相應(yīng)車站的監(jiān)測數(shù)據(jù)收集、處理、分析、統(tǒng)計等，通常設(shè)置于車站控制室[8]。能源管理系統(tǒng)以監(jiān)測運營線路的能耗數(shù)據(jù)為主，不進行開關(guān)設(shè)備的控制操作[9]。

中心級管理系統(tǒng)配置有系統(tǒng)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、工作站、以太網(wǎng)三層交換機、硬件防火墻、打印機等。主干通信網(wǎng)利用通信系統(tǒng)提供的專用傳輸通道組建，或采用綜合監(jiān)控系統(tǒng)單獨劃分的虛擬局域網(wǎng)(VLAN)。車站級管理系統(tǒng)設(shè)有通信管理機和工作站?，F(xiàn)場控制級采用現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)備由各類能源計量表計和網(wǎng)絡(luò)控制器等組成。

2.2 能源管理系統(tǒng)電能計量表計配置方案

根據(jù)GB 17167—2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》的要求，用電功率不低于10 kW的主要次級用能單位和不低于100 kW的主要用能設(shè)備須加裝電能計量表[10]。對于地鐵能源管理系統(tǒng)的電能計量表計配置方案，各地執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)雖然不統(tǒng)一，但均高于國標(biāo)要求。

地鐵能源管理系統(tǒng)的電能計量表計配置通常分為三級：第一級在110 kV主變電所或者中壓開閉所進線開關(guān)處；第二級在車站級變電所整流變壓器和配電變壓器對應(yīng)中壓饋線開關(guān)處；第三級在400 V開關(guān)柜進線開關(guān)和400 V饋線開關(guān)處，部分地鐵城市在環(huán)控柜饋線回路也設(shè)電能計量表計。400 V開關(guān)柜配置電能計量表計的饋線回路涉及照明、空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)機、水泵、電梯及電扶梯、特殊系統(tǒng)用電(如站臺門、自動售票檢票系統(tǒng)、變電所等)及商業(yè)相關(guān)用電等。用電功率不低于10 kW的環(huán)控柜饋線回路配置電能計量表計。由于配電箱過于分散且饋線回路負荷相對較小，通常不配置電能計量表計。對于專用消防負荷回路，由于其正常情況下不工作，僅在火災(zāi)情況或事故演練時工作，因而沒有必要配置電能計量表計。

2.3 能源管理系統(tǒng)接口

地鐵運營消耗的各種能源與具體運營情況、外部環(huán)境條件相關(guān)，須設(shè)置與之相關(guān)的機電設(shè)備系統(tǒng)接口，才能對實際節(jié)能情況進行合理的分析。能源管理系統(tǒng)與地鐵多個機電設(shè)備系統(tǒng)運行狀態(tài)相關(guān)，諸如信號系統(tǒng)的行車密度、AFC系統(tǒng)(自動售檢票系統(tǒng))的客流量、BAS系統(tǒng)(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))的環(huán)境狀態(tài)和通風(fēng)空調(diào)運行情況、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的車站人流量等。工程實施當(dāng)中，為減少系統(tǒng)接口數(shù)量，通常與綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口以便獲得所需數(shù)據(jù)，與OA系統(tǒng)接口實現(xiàn)各級運營管理人員通過Web方式進行信息調(diào)閱。若當(dāng)?shù)卦O(shè)有線網(wǎng)級能源管理系統(tǒng)，還需與線網(wǎng)級能源管理系統(tǒng)接口，上傳各類能耗用量的統(tǒng)計信息。能源管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的物理接口位置應(yīng)配置硬件防火墻。

3 系統(tǒng)融合設(shè)計研究

3.1 系統(tǒng)融合底層設(shè)計方案

地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)最大共同點在于底層信息數(shù)據(jù)采集的位置重合度高，都需在400 V開關(guān)柜饋線回路或環(huán)控柜饋線回路設(shè)置采集裝置，而且對于純消防負荷都無需設(shè)置采集裝置。因此對于絕大多數(shù)低壓的饋線回路，既需配置電能計量表計，又需配置電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。

電能計量表計需采集對應(yīng)回路的三相電壓和三相電流，電流的采集源自電流互感器二次輸入；對于電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，絕大多數(shù)回路選用剩余電流式傳感器，個別回路選用測溫式傳感器。剩余電流的采集源自剩余電流互感器二次輸入，利用電能計量表計代替電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器采集剩余電流互感器的輸入信息，技術(shù)上完全可以實現(xiàn)。地鐵能源管理系統(tǒng)配置的電能計量表計為多功能電表，可擴展性強，只需在原表計基礎(chǔ)上增加一路電流測量輸入回路。

對于測溫式傳感器，可配備工業(yè)應(yīng)用最廣泛的4～20 mA變送器，并在常規(guī)多功能電表基礎(chǔ)上增配4～20 mA電流采集電路和運算芯片，由多功能電表將4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換為溫度測量參數(shù)信息并傳輸至通信管理機。

多功能電表可就地顯示剩余電流式傳感器和測溫式傳感器的測量數(shù)據(jù)，在多功能電表面板設(shè)報警燈，報警閾值設(shè)定由多功能電表的人機界面實現(xiàn)。

3.2 融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)融合后，融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與常規(guī)的地鐵能源管理系統(tǒng)大體保持一致，由中心級管理系統(tǒng)、車站級管理系統(tǒng)、現(xiàn)場控制級和聯(lián)系三者的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。相比原能源管理系統(tǒng)，主要區(qū)別在于車站級管理系統(tǒng)需增設(shè)電氣火災(zāi)監(jiān)控器，所配置的電氣火災(zāi)監(jiān)控器應(yīng)具備解析多功能電表上傳數(shù)據(jù)的功能。融合后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 融合后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 融合系統(tǒng)接口方案

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)融合后，該系統(tǒng)在中心級與綜合監(jiān)控系統(tǒng)、OA系統(tǒng)的物理接口方案與常規(guī)的地鐵能源管理系統(tǒng)保持一致。由于電氣火災(zāi)監(jiān)控數(shù)據(jù)的信息上傳，其軟件接口略有變化。該系統(tǒng)在車站級由電氣火災(zāi)監(jiān)控器與FAS系統(tǒng)接口，其接口方案與常規(guī)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)方案相同。

3.4 融合系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)融合為一套系統(tǒng)，具備以下優(yōu)勢：

1) 融合系統(tǒng)設(shè)備配置數(shù)量相對減少，無需單獨配置電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，其原有的功能由多功能電表實現(xiàn)，電氣火災(zāi)監(jiān)控?zé)o需單獨組網(wǎng)，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)接線大大減少，因而工程投資減少。

2) 地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的探測器通常接6～10個傳感器，在融合系統(tǒng)中每只多功能電表僅接1個剩余電流傳感器或者1組(3個)測溫式傳感器，其可靠性和可用性也得到提升。

3) 可減少電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)誤報警情況，提高報警后的排查效率。對于監(jiān)測回路固有漏電流造成的誤報警，可通過在多功能電表輸入饋線回路的相關(guān)信息進而生成固有漏電補償量(需多功能電表運算芯片支持)。各監(jiān)測回路的剩余電流測量信息可隨多功能電表采集的電量信息一同上傳至控制中心，可結(jié)合融合系統(tǒng)大數(shù)據(jù)對報警回路進行智能分析，給出可能造成報警的原因和排查方案，為下一步排查工作提供技術(shù)指導(dǎo)。

4) 由于電纜的老化會導(dǎo)致回路固有漏電流逐漸增大，借助中心級系統(tǒng)強大的歷史數(shù)據(jù)存儲功能，通過定期分析監(jiān)測回路剩余電流變化趨勢判別各監(jiān)測回路的電纜老化情況，以便適時更換。

4 結(jié)語

推進地鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展需要不斷提升機電設(shè)備系統(tǒng)整體技術(shù)裝備水平，穩(wěn)步推進自動化和智能化，以減少運營維護的工作量。因此，推進機電設(shè)備系統(tǒng)融合將是大勢所趨。本文闡述了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和配置方案，結(jié)合兩系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)采集的共同點，提出將上述兩套系統(tǒng)融為一套系統(tǒng)的設(shè)計方案。該融合設(shè)計方案技術(shù)優(yōu)勢明顯，完全具備在工程實踐中探索應(yīng)用的可行性。根據(jù)國家應(yīng)急管理部最新的相關(guān)規(guī)定，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品不再納入強制性產(chǎn)品認證范圍，轉(zhuǎn)入消防產(chǎn)品自愿性認證范圍。這一政策變化為地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)融入能源管理系統(tǒng)提供了良好的契機。