地铁能源管理系统

龙 潭

(中国中铁二院工程集团有限责任公司,610031,成都∥工程师)

1 地铁能耗分析

地铁是大运量的城市轨道交通运输系统,也是耗电量的大户。地铁运营过程中消耗能源的主要形式是电能。根据对地铁的用电负荷统计分析,能耗主要分布在列车牵引用电和各种动力照明设备用电,如通风空调、自动扶梯、照明、弱电设备等方面。图1是地铁各系统耗能分布图。

从图1中可见,地铁列车牵引用电和各种动力照明用电量比例约各占50%。牵引供电、通风空调、电扶梯、照明等的能耗占地铁总能耗的90%左右,是节能工作的重点。因此,应对地铁中主要用电设备以及持续性运转的大负荷容量设备加强能源管理和监控,并对采用变频等节能技术措施的设备做好经济技术考核和对比分析工作。表1列出了在地铁中应加强能源监管的各系统和设备清单。

图1 地铁各系统耗能分布图

表1 地铁中应加强能源监管的系统和设备清单

2 地铁能源管理系统的可行性分析

目前,综合监控系统已在世界范围内的城市轨道交通工程中成功应用,并且带来了良好的经济效益和社会效益。综合监控系统是一个大型的综合自动化系统,它采用通用的软件平台、一致的硬件架构、统一的人机界面,通过对相关系统的集成和互联,建立了一个高度共享的信息平台,实现地铁各系统间的信息互通与资源共享,从而提高了日常管理与调度工作的效率和地铁运营的整体服务水平。

另外,国内新建地铁的400 V低压配电柜和环控电控柜已采用智能开关柜设计方案。400 V低压配电柜、环控电控柜内智能网络的构成是柜内智能仪表通过冗余的现场总线,同时通过智能通信管理器(就地终端)将数据信息上传至综合监控系统。采用这种方式不仅能确保采集的设备电能数据能够及时发送到监控系统,而且可靠性高、系统构成简单、经济,也便于集中管理。

地铁综合监控系统的工业以太网络等硬件和底层现场总线等基础构架,为能源管理系统的实施创造了非常有利的条件。在此基础上,采用先进可靠的能源管理软件、硬件,完全可以建立一套完整的、具有先进水平的地铁能源管理系统。

3 地铁能源管理系统的结构

地铁能源管理系统是以稳定可靠的计算机网络构成的集中式数据采集监控分析管理系统。全线设置一个能源管理中心。能源管理中心可通过地铁既有综合监控系统的骨干网络从各车站、车辆段等能源子站中获取能源数据,以实现全线的能源数据集中监控和管理。图2是地铁能源管理系统结构图。

图2 地铁能源管理系统结构图

3.1 中央级能源管理系统

中央级能源管理系统作为中央级综合监控系统的子系统可以设置在地铁控制中心,以完成能源数据采集、存储、分析和发布,并配备能源管理分析服务器和能源管理系统客户机。能源管理分析服务器是能源管理专用软件服务器端的运行平台,也是全线能源管理系统的历史数据的存储中心和数据库管理软件的运行平台。能源管理分析客户机是全线能源管理分析服务器的客户端。操作人员打开IE浏览器,连接到能源管理分析服务器,即可浏览所有历史能源信息及分析结果,还可以浏览能耗报表。中央级能源管理子系统与其它集成子系统共享中央级综合监控系统的计算机网络设备。

3.2 车站级能源管理系统

车站级能源管理系统作为车站级综合监控系统的子系统,可以设置在地铁车站控制室,以完成车站、车辆段设备的能源数据实时动态采集监控、趋势图显示和故障异常报警等功能,并配备能源实时监控服务器和能源实时监控客户机。能源实时监控服务器是监控软件服务器端的运行平台,负责处理、存储、管理从现场传送来的实时数据。车站能源管理系统以友好直观的界面显示被测控设备和能源网络的运行状态,帮助地铁运营部门及时、准确了解能源系统的运行状态。

车站级能源管理系统通过地铁的主干网将处理后的能源数据传送给中央级能源管理系统。

3.3 现场级数据采集终端

通过其通信控制模块、现场总线,与高、低压开关柜内智能仪表连接,并通过以太网模块将信息转换到车站级以太网层面,与接挂在以太网上的车站级车站能源管理系统服务器连接。

4 地铁能源管理系统的软件功能

4.1 系统数据流程与接口标准

地铁能源管理系统是具有数据采集和能源信息管理两个功能层次的计算机网络系统,能实现对全线电能自动监测,进而完成电能的优化调度和管理。其中包括三部分内容：现场数据采集,能源数据实时监控,能源数据分析、发布和管理。图3是系统数据流程图。

地铁能源管理系统采用国际通过的OPC接口标准。OPC是基Windows操作平台应用程序之间的高效信息集成和交互功能的接口标准,采用客户/服务器模式。通过OPC标准可以实现全线各子系统和各车站信息的互通互联。

图3 地铁能源管理系统数据流程图

4.2 现场数据采集

车站级能源管理系统通过通信控制模块实现与现场总线(Modbus RTU,DL/T等RS485规约)智能仪表的通信。数据从现场智能仪表上传到车站级能源管理系统的软件平台,需要经过以下三个环节：

1)通信控制模块和智能仪表之间的请求和应答;

2)通信控制模块和计算机CPU之间的数据通讯;

3)计算机CPU和能源管理软件之间的以太网通讯。

4.3 能源实时监控

通过车站级能源管理系统,采集分布在车站内的变电所、环控电控室及车辆段内的变电所和各建筑单体的能源数据。这些数据在车站级能源管理系统进行处理。实时监控系统服务器通过车站级以太网在预设周期内采集各设备的电能源数据,也可以通过本系统对设备进行控制。通过本系统还可对能源系统拓扑图、能源数据点状态、设备网络状态、报警信息和趋势等进行动态显示。通过实时监控系统,可以实现：①能源分配网络系统图监控;②快速了解现场运行参数;③跟踪记录个别参数运行情况。

4.4 能源管理分析

地铁能源管理系统的功能除了实时监控之外,更为重要的是能源信息的管理和分析。在地铁控制中心设历史数据库,定时采集各车站能源系统信息,提供各种能源数据分析管理工具,定期存入能源耗用量及各种设备异常状态的实时数据,以产生调度报表和事件记录报表。能源管理分析系统主要实现以下基本功能：

1)能源档案建立和报表功能。系统从智能仪表中采集能源介质信息和其它相关能源动力信息;再把这些数据存入数据库,建立能源设备负荷档案。系统提供标准报表工具和分析工具,方便地显示和分析计量设备的能源负荷档案、趋势图和报表。能源档案和报表有以下形式：①日、周、月、年的能源档案;②日、周、月、年的表格式报告;③可选的时间/日期档案;④可选的时间/日期表格式报告。

2)打印功能。系统提供手动打印和自动定时打印两种方式。打印内容为：①各类能源报表(日报、周报、月报、年报);②能源的各类趋势曲线图。

3)通信功能。地铁能源管理系统主要与以下系统互联：①与运营控制中心,电力调度中心进行信息交换;②预留与上级用电管理部门交换信息的接口。

5 结语

“只有可被测量的才是可被管理的。”地铁能源管理系统的总目标是建立一个全线性或者整个城市轨道交通网络的能源管理系统,构建一个覆盖列车牵引用电、各车站动力照明设备用电,以及车辆段电能、燃气、自来水等能源介质的自动监控系统。地铁在满足公共交通功能需求的同时,应按照合理用能的原则,推进先进节能技术的应用,加强节能管理和能耗控制,以提高能源利用效率,降低运营成本。

[1] GB 50157—2003 地铁设计规范[S].

[2] JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范[S].

[3] 于松伟,杨兴山.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社,2008.

[4] 魏哓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].北京：电子工业出版社,2004.

[5] 中国中铁二院工程集团有限责任公司.深圳地铁2号线首期工程总体设计：综合监控系统[G].成都：中国中铁二院工程集团有限责任公司,2006.

[6] 中国中铁二院工程集团有限责任公司.深圳地铁2号线首期工程初步设计：节能[G].成都：中国中铁二院工程集团有限责任公司,2006.

[7] 罗利平.城市轨道交通综合监控系统集成方案[J].城市轨道交通研究,2008(11)：7.