蔣永兵

軌道交通信息化電能管理系統(tǒng)的構(gòu)建

蔣永兵

通過對(duì)地鐵電能管理現(xiàn)狀和功能需求的分析，研究了基于綜合監(jiān)控系統(tǒng)的信息化電能管理系統(tǒng)的構(gòu)建，并提出了具體構(gòu)建方案。

軌道交通；電能管理；綜合監(jiān)控

0 引言

地鐵運(yùn)營過程中消耗的能源主要是電能，為了降低能耗，減少運(yùn)營成本，地鐵建設(shè)和運(yùn)營管理部門從各個(gè)方面和環(huán)節(jié)采取了一些節(jié)能措施，但由于缺少分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)及用電分析資料的支撐，沒有全面系統(tǒng)化的電能管理體系和完善的管理制度、手段，運(yùn)營部門對(duì)地鐵設(shè)備的電能消耗和節(jié)能效果缺乏有效的管理，深入節(jié)能挖潛工作存在瓶頸。因此，建立能夠定量描述能耗的具體狀況、為節(jié)能管理提供科學(xué)管理工具和技術(shù)手段的地鐵信息化電能管理系統(tǒng)已經(jīng)勢(shì)在必行，這也是開展地鐵節(jié)能工作的重要基礎(chǔ)。

1 地鐵電能管理現(xiàn)狀

目前，在地鐵運(yùn)營過程中，一般只在主變電所110 kV進(jìn)線、35 kV牽引變壓器及動(dòng)力變壓器高壓側(cè)和0.4 kV個(gè)別主要饋線回路采集電度計(jì)量信息，對(duì)低壓配電系統(tǒng)的各類負(fù)荷用電沒有詳細(xì)分項(xiàng)計(jì)量或上送監(jiān)控系統(tǒng)的信息不夠具體、全面，控制中心不能全面監(jiān)測(cè)地鐵電能質(zhì)量和車站、區(qū)間的風(fēng)、水、電各種負(fù)荷的電能消耗和耗能分配狀況。地鐵的進(jìn)一步節(jié)能降耗由于信息化綜合電能管理的不完善而存在一定的困難。

地鐵傳統(tǒng)的電能管理比較粗放，對(duì)各設(shè)備耗能情況和耗能過程缺乏細(xì)致的管理，主要表現(xiàn)有：運(yùn)行參數(shù)和電能消耗統(tǒng)計(jì)粗放；電能管理存在盲區(qū)；對(duì)各系統(tǒng)電能消耗缺乏細(xì)致分析；電能管理不成系統(tǒng)、信息化程度不高。

同時(shí)，目前電能管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式也各有特點(diǎn)，如北京地鐵、上海地鐵、南京地鐵等地一般是獨(dú)立設(shè)置的電能管理系統(tǒng)或能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，廣州地鐵、長沙地鐵等地電能管理系統(tǒng)擬在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)整合，車站級(jí)和中心級(jí)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整合。

總的來說，已經(jīng)采用電能管理系統(tǒng)或能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地鐵線路，不論是采用單獨(dú)構(gòu)建系統(tǒng)還是由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，其主要功能都是簡單的電能消耗數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)、分類、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表管理、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。

2 信息化電能管理系統(tǒng)功能需求

2.1 基本功能

信息化電能管理系統(tǒng)應(yīng)具備基本的電能管理功能，主要功能需求如下：

（1）數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能。按設(shè)定的采集周期，自動(dòng)采集多功能智能儀表的數(shù)據(jù)以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并自動(dòng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。對(duì)各系統(tǒng)用電實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的分類、分項(xiàng)、分戶計(jì)量等。

（3）數(shù)據(jù)查詢和顯示功能。用棒圖、曲線等顯示按日、月、季度、年和時(shí)段的電度累積值；用趨勢(shì)曲線顯示電壓、電流等模擬量的變化情況；用餅圖顯示分類、分項(xiàng)能耗的比例。

（4）報(bào)表和打印功能。根據(jù)用戶管理需求生成各類報(bào)表并可自動(dòng)打印存檔。

（5）用戶權(quán)限管理功能?？稍O(shè)置管理員級(jí)、操作員級(jí)、普通用戶權(quán)限等。

（6）設(shè)備管理功能。對(duì)所有監(jiān)測(cè)中的儀表和網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行報(bào)警管理，一旦儀表和網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常情況，在設(shè)備管理畫面立刻顯示，并可手動(dòng)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行處理。

（7）數(shù)據(jù)發(fā)布及遠(yuǎn)傳功能。電能數(shù)據(jù)可在地鐵公司內(nèi)部信息平臺(tái)予以發(fā)布，還可向線網(wǎng)指揮平臺(tái)上傳相關(guān)信息。

2.2 高級(jí)功能

為實(shí)現(xiàn)信息化電能管理，該系統(tǒng)還應(yīng)具備如下高級(jí)功能：

（1）用電及用電指標(biāo)知識(shí)庫功能。通過知識(shí)庫積累的各種工況能耗，分析節(jié)能潛力、找到節(jié)能重點(diǎn)，通過負(fù)荷提前預(yù)測(cè)，優(yōu)化各系統(tǒng)運(yùn)行模式。

（2）能耗綜合分析功能。結(jié)合行車數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)、票務(wù)收入數(shù)據(jù)及車站建筑面積等數(shù)據(jù)生成各種電能消耗指標(biāo)，用于能耗綜合分析。

（3）能耗計(jì)劃與考核評(píng)價(jià)功能。根據(jù)制定的能耗計(jì)劃及具體分解指標(biāo)，自動(dòng)生成用電報(bào)表，根據(jù)節(jié)能管理考核評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各類電能消耗進(jìn)行自動(dòng)評(píng)價(jià)。

（4）負(fù)荷預(yù)測(cè)功能。根據(jù)負(fù)荷變化規(guī)律，提前進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)。

（5）節(jié)能管理分析功能。將能耗現(xiàn)狀與客流、通風(fēng)空調(diào)、電扶梯等系統(tǒng)的運(yùn)行工況結(jié)合起來，從電能分單元能耗分析、電能分類能耗分析、電能利用同比/環(huán)比分析等多方面開展節(jié)能管理分析。

（6）節(jié)能管理輔助決策功能。利用電能數(shù)據(jù)的分析和考核、評(píng)價(jià)功能，發(fā)現(xiàn)節(jié)能空間比較大的用電負(fù)荷，促使其進(jìn)一步采取更加高效的節(jié)能措施，并為評(píng)估節(jié)能措施和節(jié)能設(shè)備的實(shí)際效果提供支持。同時(shí)，可通過節(jié)能管理輔助決策系統(tǒng)探索新的系統(tǒng)運(yùn)行方式和管理模式。

3 信息化電能管理系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

綜合來看，信息化電能管理系統(tǒng)有獨(dú)立自成系統(tǒng)建設(shè)、基于變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)資源共享建設(shè)2種方案。

（1）獨(dú)立自成系統(tǒng)建設(shè)方案。該方案即由獨(dú)立的線路級(jí)電能統(tǒng)計(jì)分析層、站級(jí)電能管理層、終端數(shù)據(jù)采集層及相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸通道組成。電能管理系統(tǒng)獨(dú)立于綜合監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)功能雖然完善，但站級(jí)管理層和線路級(jí)電能統(tǒng)計(jì)分析層與變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備有重復(fù)配置的情況，既有系統(tǒng)的潛力沒有得到充分利用，而且系統(tǒng)投資較大，目前在全國各地未普遍推廣。

（2）基于變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)資源共享建設(shè)方案。該方案可充分共享既有系統(tǒng)的軟硬件資源，提高系統(tǒng)的性價(jià)比。另一方面，目前的地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要還是面向設(shè)備管理，為運(yùn)營調(diào)度服務(wù)的監(jiān)控功能型的系統(tǒng)，主要功能是監(jiān)控各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障恢復(fù)等。而隨著軌道交通線網(wǎng)的逐漸形成，綜合監(jiān)控系統(tǒng)必然朝著面向運(yùn)營管理、面向乘客服務(wù)、面向整個(gè)城市軌道交通綜合指揮管理的方向發(fā)展，系統(tǒng)將由監(jiān)控功能型向監(jiān)控功能型和任務(wù)型結(jié)合的方向發(fā)展。

綜合考慮信息化電能管理系統(tǒng)獨(dú)立自成系統(tǒng)建設(shè)方案、基于變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)資源共享建設(shè)2種方案，從系統(tǒng)角度考慮，應(yīng)有效利用既有資源，避免重復(fù)建設(shè)。因此，推薦利用變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建信息化電能管理系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

信息化電能管理系統(tǒng)主要由中央級(jí)、車站級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

（1）中央級(jí)電能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)即是系統(tǒng)應(yīng)用層，設(shè)置在地鐵控制中心，完成電能數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析和發(fā)布，主要硬件設(shè)備配置有服務(wù)器、工作站、交換機(jī)、打印機(jī)等。

中央級(jí)電能管理系統(tǒng)軟、硬件配置有如下2種方案：

a.方案一是完全利用綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟、硬件設(shè)備。即中央級(jí)電能管理服務(wù)器、工作站、交換機(jī)、打印機(jī)等與既有綜合監(jiān)控系統(tǒng)完全共享，軟件通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商基于現(xiàn)有的綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)滿足電能管理系統(tǒng)功能的應(yīng)用軟件。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是軟、硬件高度共享，節(jié)省投資；缺點(diǎn)是電能管理以管理功能為主，而綜合監(jiān)控以調(diào)度、指揮功能為主，如工作站共享，電能管理相關(guān)數(shù)據(jù)在電調(diào)工作站顯示意義不大，同時(shí)目前綜合監(jiān)控系統(tǒng)以國外軟件平臺(tái)為主，缺少基于綜合監(jiān)控軟件平臺(tái)開發(fā)信息化電能管理功能的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

b.方案二是與綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件部分共享。即與綜合監(jiān)控系統(tǒng)共享服務(wù)器、交換機(jī)、打印機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從方便電能管理角度考慮，工作站宜獨(dú)立設(shè)置。軟件系統(tǒng)綜合監(jiān)控集成商可采用基于綜合監(jiān)控平臺(tái)開發(fā)的應(yīng)用軟件，也可采用采購已有類似應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)、優(yōu)化。該方案資源共享程度高，便于管理。

綜合以上分析，考慮系統(tǒng)資源的共享和管理的方便性、工程可實(shí)施性，方案二較為適宜。

（2）車站級(jí)電能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)置在地鐵車站控制室，完成車站電能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集、監(jiān)控、趨勢(shì)圖顯示和故障異常報(bào)警等功能。車站級(jí)電能管理系統(tǒng)軟硬件與綜合監(jiān)控系統(tǒng)共享。

（3）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)電能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由安裝于各車站變電所、環(huán)控電控室等用電回路的多功能智能儀表和通信處理器等構(gòu)成，完成底層電能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集及底層智能儀表的組網(wǎng)等工作。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)電能管理系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)高、低壓開關(guān)柜、環(huán)控電控柜內(nèi)多功能智能儀表和多串口服務(wù)器或通信處理器完成系統(tǒng)組網(wǎng)，將信息上傳到車站變電所控制室控制信號(hào)屏內(nèi)，由綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信處理器完成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)的處理，并通過變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與車站級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)電能管理系統(tǒng)采用分散、分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按間隔單元?jiǎng)澐?、模塊化設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（4）通信網(wǎng)絡(luò)。電能管理車站級(jí)與中央級(jí)間的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)利用綜合監(jiān)控系統(tǒng)通信傳輸網(wǎng)。

4 結(jié)語

通過信息化電能管理系統(tǒng)的構(gòu)建，對(duì)促進(jìn)地鐵在節(jié)能管理的分析、考核、評(píng)價(jià)、決策等方面意義重大，是通過標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、精細(xì)化管理實(shí)現(xiàn)節(jié)能的又一創(chuàng)新手段，為地鐵電能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能耗統(tǒng)計(jì)分析、節(jié)能潛力挖掘、節(jié)能管理、節(jié)能考核、評(píng)價(jià)及效果驗(yàn)證等提供了技術(shù)支持，能進(jìn)一步提高地鐵電能管理的精細(xì)化、信息化水平，也是切實(shí)貫徹國家節(jié)能減排方針的直接舉措。

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[3] 沈靜青，顧慶宜，白永保.電能管理在北京地鐵中的應(yīng)用[J].都市快軌交通，2010，23（3）：95-97.

Through the analysis of the status and functional requirements of power management system, this paper researches the construction of power management system based on integrated supervision and control system, and puts forward concrete construction scheme.

Rail transportation; power management; integrated monitoring and control system

U231.8

：B

：1007-936X(2015)05-0048-03

2015-01-28

蔣永兵.中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，工程師，電話：15522577118。