城市轨道交通能源管理系统研究

马学鹏 夏国臣

（珠海派诺科技股份有限公司，519085，珠海∥第一作者，助理工程师）

城市轨道交通能源管理系统研究

马学鹏 夏国臣

（珠海派诺科技股份有限公司，519085，珠海∥第一作者，助理工程师）

介绍了城市轨道交通能源管理系统的软硬件架构，以及能效系统在轨道交通中的作用。介绍了系统的组成、功能及其整体架构。该系统可将原本分散的车站级能效数据集中管理，使能耗数据透明化、公开化，使节能目标可控化、可行化，使节能效果最大化。

城市轨道交通；能源管理系统；能效数据

First-author’s addressZhuhai Pilot Technology Co.，Ltd.，519085，Zhuhai，China

交通是我国的三大能源消耗大户之一。目前，我国规划建设城市轨道交通的大中型城市超过60座，其中有10余城市的轨道交通已经投入运营。依据现有发展规划，在未来30年内，我国将有超过500条轨道交通线路投入运营。相比传统城市公共交通工具，虽然城市轨道交通运输的单位人员能源消耗是传统公共交通的1/9，但其运营总能耗却非常惊人。据现有数据，2009年广州地铁运营的用电总量为3亿多kW·h（3条线）；2011年成都地铁运营的用电总量为8 000万kW·h（1条线）。若采用实用有效的技术方法，都可以取得较好的节能效果。

现有城市轨道交通自动化系统主要包括行车调度系统、供电调度系统和环控调度系统，分别对行车安全、供电安全和机电设备运行进行管理，但并没有专门对能源数据进行管理、分析和挖掘的自动化软件系统，运营方主要依赖经验和人工对庞大的能源数据进行粗放型管理。据调查，几乎所有地铁运营方都无法准确提供任何一条运营线路的细化能源数据，对能源数据的管理只能到每月的宏观值，对于能源消耗与机电设备特性、人流密度、环境参数等的关系更是无法进行挖掘。所以，运营过程中浪费、低效用能等现象非常普遍，能源管理缺少精确化、科学的量化考核工具。

目前，部分地铁运营公司、设计院和建设方已认识到专用的城市轨道交通能源管理系统对地铁能源管理的重要性，并已开展相关的试点工作。

1 能源管理系统的硬件组成及功能

1.1 整体架构

能源管理系统网络结构采用分布式结构，由中心端管理级计算机网络（以下简为“中心端管理级”）、主干通信传输网、车站管理级计算机网络（以下简为“车站管理级”）、现场控制级网络等组成。中心端管理级采用千兆以太网，可连接轨道交通主干通信传输网或通过防火墙连接公众通信网络，并提供数据上传到更高一级管理部门的网络接口。中心端管理级允许通过公众通信网络构建的传输通道进行外部网络访问，由能源管理系统平台服务器提供WebService服务。中心端管理级与车站管理级之间采用TCP/IP协议的主干通信传输网构建传输通道。现场控制级网络由通信管理机与采集仪表以分布式结构构建，采用RS 485总线网络，通信管理机提供的专用数据上传IP网络接口。系统整体网络拓扑图如图1所示。

系统分为中心端管理级和车站管理级两个层次，本文将详细介绍二者的硬件架构。

1.2 中心端管理级硬件架构

中心端管理级网络拓扑图如图2所示。

图1 能源管理系统整体网络拓扑图

图2 中心端管理级网络拓扑图

（1）中心端管理级服务器采用双机冗余热备，配置2台工控机作为操作或监视/维护的工作站，配置防火墙、路由器、打印机、后备时间不小于1 h的在线式不间断电源、磁盘阵列，并配置大屏幕或大屏幕投影系统。磁盘阵列采用异地备份存储方式，可保证数据存储的安全性和长久性。

（2）中心端管理级设置在运营控制中心（OCC），负责监管能源管理系统设备以及能耗数据的汇总、处理、统计、分析等信息化管理。

1.3 车站管理级硬件架构

车站管理级网络拓扑图如图3所示。

（1）车站管理级服务器采用双机冗余热备，配置1台工控机作为操作或监视/维护的工作站、1台打印机、1个车站以太网交换机（带路由功能）。

（2）车站管理级的底层计量仪表采集装置可接入智能电表、智能水表，智能燃气表、智能燃油表、智能冷（热）量表等采集设备，采集数据经通信管理机上传到车站管理级数据库服务器。系统采用双通信管理机热备份机制，保证数据采集的可靠性。

（3）根据现场控制网络节点与接入设备数量及其可接入设备最大容量的85%~90%计算网络控制器配置数量。每个网络控制器接入预留不低于10%，易于扩展。

图3 车站管理级网络拓扑图

1.4 系统功能

系统最终将为轨道交通运营中心提供1个整体的能效管理方案，其主要功能包括：

（1）中心端管理级长期保存能效数据。

（2）车站管理级数据能够通过主干通信传输网上传和导入导出。

（3）提供数据Web发布，用户无需安装任何客户端或应用软件，即可浏览相关数据。

（4）中心端管理级通过Web地图对线路各个子站进行监控和管理。

（5）为OCC提供统一格式的分布式报表，如整条线路能耗报表、单车站能耗报表、车辆基地/段能耗报表等。

（6）提供安全保证机制，数据和管理功能能够按用户级别进行分类显示。

（7）提供数据验证机制，通过身份验证机制和加密传输机制保证数据在传输过程中的安全和正确。

（8）远程数据终端能够实时保存本地数据1个月，并能依据传输策略实时传输数据到中心端管理级。传输间隔严格执行国家、行业、地方相关设计标准和规范的要求。

2 能源管理系统的软件组成与功能

城市轨道交通能源管理系统软件部分主要分为车站管理级软件和中心端管理级软件。车站管理级和中心端管理级软件系统均采用B/S模式，自适应浏览器浏览。底层数据库采用Microsoft SQL Standard Server 2008关系型数据库。Web Server采用微软IIS平台。开发语言.Net的主要开发工具为Microsoft Visual Studio 2010版本。

图4为整个能源管理系统的软件系统架构图。依照数据流向，能源管理系统分为采集层、传输层、主控层和应用层等4个主要部分。

图4 轨道交通能源管理系统原理图

采集层主要是对能耗数据进行采集和存储，包括各个子站的电、水、气、暖、可再生等各种能源数据，由前端采集程序和前置通信管理机按设定的采集周期，实时在线采集、存储能耗计量器具和各类智能终端的数据与信息。采集层的数据存储在子站级的数据库服务器，并通过传输层将能源数据远程主动上传到中心端服务器。

主控层是中心端管理级的主站对，轨道交通中所有子站的数据进行统一管理，对子站的能耗进行分项、分类、分户统计，并通过各种数学模型、算法对能耗数据进行分析、评估，从而整体分析轨道交通能耗；长期跟踪分析每个子站的整体用能状况，诊断并考核每个子站的能耗指标，为整体的节能方案提供可靠的数据支持；严格按照国家、行业、地方相关设计标准和规范的要求来制定轨道交通能耗指标体系，采用符合国家标准的通信协议如DL/T645-2007、CJ/T188-2004、GB/T19582-2008等协议。通过设备计算、子站计算、中心端计算三种方式对轨道交通各个子站的能耗进行合理划分和集中计算，确定整体使用效率。

2.1 数据分级管理

城市轨道交通能源管理系统的基本思路是采用车站管理级和中心端管理级的分级管理方式：在车站管理级，监视一个或若干个车站能源管理系统设备，以及收集相应车站能耗数据；在中心端管理级，对各个车站的能源数据进行汇总分析，通过数学分析模型建立车站能耗标准，作为评估各个车站能耗水平的标准，通过标准制定节能方案，并下达到各个车站进行实际实施，从而降低整个轨道交通的整体能耗，从根本上达到节能的目标。分级管理的具体评估内容如表1所示。

2.2 数据分项管理

根据以往城市轨道交通能耗数据，牵引动车的能耗占车站总能耗的40%~50%，环控通风系统的能耗占车站总能耗的25%~35%，照明系统的能耗为车站总能耗的8%~12%，给排水等其他系统的能耗约占总能耗的3%~17%。由此可见，城市轨道交通能耗主要由牵引动力和环控通风系统产生。由于牵引动力用能是列车运行的主要保证，较难降低能耗，所以轨道交通的节能主要从环控通风系统和其他系统入手。

对城市轨道交通能源管理系统的运营与维护的评估，其主要评估参数为运营维护记录和节能措施实施；评估目标为与运营维护、节能措施实施前进行对比，监测是否达到预期节能目标。

表1 城市轨道交通能源管理系统分级管理评估表

图5、图6分别为城市轨道交通能耗一级分项图和城市轨道交通电能耗分项图。

图5 城市轨道交通能耗一级分项图

图6 城市轨道交通电能耗分项图

2.3 中心端管理级软件能效系统功能

（1）软件系统与硬件系统配置相适应。

（2）面向能源管理中心管理层与能源信息化管理的软件系统结构采用B/S结构。

（3）子站数据向中心端传输采用轮询和主动上传方式，数据自动存储于中心端工作站数据库服务器，数据传输基于TCP/IP、HTTP协议的SOAP及Lontalk等协议或规约。

（4）提供数据曲线功能，对具体车站、线路的用电量、冷量、水量、气量等数据进行曲线描绘，预测趋势。

（5）可以对具体车站、线路的能耗进行总加计算，比率计算，能效计算，最大、最小、平均值计算，负荷的最小、最小变化量计算；还可自定义计算：自定义计算公式，包括逻辑和条件、计算对象、周期、触发条件等。

（6）可以对具体车站、线路的能耗进行按小时、日、月、季、年的分类、分项、分户统计，以及工作时间和非工作时间的能耗统计等。

（7）可以对具体车站、线路的能耗进行质量分析、异常分析、平衡分析、节能潜力分析、排名分析等。

（8）建立三级能源指标体系：列车及车站动力照明运营能耗指标，线路运营能耗指标，网络运营能耗指标。将指标细化为：客流量能耗，k W·h/人次；车辆周转量能耗，kW·h/（车·km）；客运周转量能耗，k W·h/（人·km）；动力照明能耗，k W·h/站；票务总收入指标能耗，k W·h/元；牵引系统单位能耗，kW·h/（千车·km）；车站动力照明系统单位能耗，kW·h/（站·d），综合性单位能耗，k W·h/（千车· km）。

（9）提供轨道交通各种定制能耗报表，并提供报表自定义功能，提供线路的日、月、年报表；报表数据包含基本能耗指标和绿色能耗指标；提供轨道交通线路中主要用电系统的日报表、月报表、年报表；并对空调通风系统、隧道通风系统、电梯扶梯系统等项目进行划分；提供报表打印导出功能。

（10）提供报警功能，对系统工作状态、能耗异常状态、网络通信状况、测量参数越限等提供动态监测，对于报警事件，配合声光弹出告警，并存入数据库。

（11）提供历史数据查询，完整记录中心端下所有车站内能耗节点测量信息，保存时间不少于3年，从而为数学模型建立提供基础数据。

（12）提供线路及站点各种分析对象和能耗指标的能源分析工具。

（13）提供日、月、年评估报告，并支持打印导出功能。

（14）采用各种图表动画技术，具有良好的用户体验。

3 结语

通过城市轨道交通能源管理系统，可将原来分散的车站级能效数据进行集中管理，加强轨道交通各种类型能耗数据的集中性，使能耗数据透明化、公开化，使节能目标可控化、可行化。通过集中化的管理使节能效果最大化，这是轨道交通能效管理平台的主要原则。

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On Urban Rail Transit Energy Management System

Ma Xuepeng，Xia Guochen

The architecture of hardware and software used in rail transit energy management system，the functions plaid by energy efficiency in rail transit are introduced，the composition and overall structure of this system are described，which will realize a centralized management of the scattered energy efficiency data，make the data transparent，control the energy-saving targets and maximize the energy-saving efficiency.

urban rail transit；energy management system；energy efficiency data

TK 018：U 231

2012-09-10）