地鐵能源管理系統

龍 潭

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司,610031,成都∥工程師)

1 地鐵能耗分析

地鐵是大運量的城市軌道交通運輸系統,也是耗電量的大戶。地鐵運營過程中消耗能源的主要形式是電能。根據對地鐵的用電負荷統計分析,能耗主要分布在列車牽引用電和各種動力照明設備用電,如通風空調、自動扶梯、照明、弱電設備等方面。圖1是地鐵各系統耗能分布圖。

從圖1中可見,地鐵列車牽引用電和各種動力照明用電量比例約各占50%。牽引供電、通風空調、電扶梯、照明等的能耗占地鐵總能耗的90%左右,是節能工作的重點。因此,應對地鐵中主要用電設備以及持續性運轉的大負荷容量設備加強能源管理和監控,并對采用變頻等節能技術措施的設備做好經濟技術考核和對比分析工作。表1列出了在地鐵中應加強能源監管的各系統和設備清單。

圖1 地鐵各系統耗能分布圖

表1 地鐵中應加強能源監管的系統和設備清單

2 地鐵能源管理系統的可行性分析

目前,綜合監控系統已在世界范圍內的城市軌道交通工程中成功應用,并且帶來了良好的經濟效益和社會效益。綜合監控系統是一個大型的綜合自動化系統,它采用通用的軟件平臺、一致的硬件架構、統一的人機界面,通過對相關系統的集成和互聯,建立了一個高度共享的信息平臺,實現地鐵各系統間的信息互通與資源共享,從而提高了日常管理與調度工作的效率和地鐵運營的整體服務水平。

另外,國內新建地鐵的400 V低壓配電柜和環控電控柜已采用智能開關柜設計方案。400 V低壓配電柜、環控電控柜內智能網絡的構成是柜內智能儀表通過冗余的現場總線,同時通過智能通信管理器(就地終端)將數據信息上傳至綜合監控系統。采用這種方式不僅能確保采集的設備電能數據能夠及時發送到監控系統,而且可靠性高、系統構成簡單、經濟,也便于集中管理。

地鐵綜合監控系統的工業以太網絡等硬件和底層現場總線等基礎構架,為能源管理系統的實施創造了非常有利的條件。在此基礎上,采用先進可靠的能源管理軟件、硬件,完全可以建立一套完整的、具有先進水平的地鐵能源管理系統。

3 地鐵能源管理系統的結構

地鐵能源管理系統是以穩定可靠的計算機網絡構成的集中式數據采集監控分析管理系統。全線設置一個能源管理中心。能源管理中心可通過地鐵既有綜合監控系統的骨干網絡從各車站、車輛段等能源子站中獲取能源數據,以實現全線的能源數據集中監控和管理。圖2是地鐵能源管理系統結構圖。

圖2 地鐵能源管理系統結構圖

3.1 中央級能源管理系統

中央級能源管理系統作為中央級綜合監控系統的子系統可以設置在地鐵控制中心,以完成能源數據采集、存儲、分析和發布,并配備能源管理分析服務器和能源管理系統客戶機。能源管理分析服務器是能源管理專用軟件服務器端的運行平臺,也是全線能源管理系統的歷史數據的存儲中心和數據庫管理軟件的運行平臺。能源管理分析客戶機是全線能源管理分析服務器的客戶端。操作人員打開IE瀏覽器,連接到能源管理分析服務器,即可瀏覽所有歷史能源信息及分析結果,還可以瀏覽能耗報表。中央級能源管理子系統與其它集成子系統共享中央級綜合監控系統的計算機網絡設備。

3.2 車站級能源管理系統

車站級能源管理系統作為車站級綜合監控系統的子系統,可以設置在地鐵車站控制室,以完成車站、車輛段設備的能源數據實時動態采集監控、趨勢圖顯示和故障異常報警等功能,并配備能源實時監控服務器和能源實時監控客戶機。能源實時監控服務器是監控軟件服務器端的運行平臺,負責處理、存儲、管理從現場傳送來的實時數據。車站能源管理系統以友好直觀的界面顯示被測控設備和能源網絡的運行狀態,幫助地鐵運營部門及時、準確了解能源系統的運行狀態。

車站級能源管理系統通過地鐵的主干網將處理后的能源數據傳送給中央級能源管理系統。

3.3 現場級數據采集終端

通過其通信控制模塊、現場總線,與高、低壓開關柜內智能儀表連接,并通過以太網模塊將信息轉換到車站級以太網層面,與接掛在以太網上的車站級車站能源管理系統服務器連接。

4 地鐵能源管理系統的軟件功能

4.1 系統數據流程與接口標準

地鐵能源管理系統是具有數據采集和能源信息管理兩個功能層次的計算機網絡系統,能實現對全線電能自動監測,進而完成電能的優化調度和管理。其中包括三部分內容：現場數據采集,能源數據實時監控,能源數據分析、發布和管理。圖3是系統數據流程圖。

地鐵能源管理系統采用國際通過的OPC接口標準。OPC是基Windows操作平臺應用程序之間的高效信息集成和交互功能的接口標準,采用客戶/服務器模式。通過OPC標準可以實現全線各子系統和各車站信息的互通互聯。

圖3 地鐵能源管理系統數據流程圖

4.2 現場數據采集

車站級能源管理系統通過通信控制模塊實現與現場總線(Modbus RTU,DL/T等RS485規約)智能儀表的通信。數據從現場智能儀表上傳到車站級能源管理系統的軟件平臺,需要經過以下三個環節：

1)通信控制模塊和智能儀表之間的請求和應答;

2)通信控制模塊和計算機CPU之間的數據通訊;

3)計算機CPU和能源管理軟件之間的以太網通訊。

4.3 能源實時監控

通過車站級能源管理系統,采集分布在車站內的變電所、環控電控室及車輛段內的變電所和各建筑單體的能源數據。這些數據在車站級能源管理系統進行處理。實時監控系統服務器通過車站級以太網在預設周期內采集各設備的電能源數據,也可以通過本系統對設備進行控制。通過本系統還可對能源系統拓撲圖、能源數據點狀態、設備網絡狀態、報警信息和趨勢等進行動態顯示。通過實時監控系統,可以實現：①能源分配網絡系統圖監控;②快速了解現場運行參數;③跟蹤記錄個別參數運行情況。

4.4 能源管理分析

地鐵能源管理系統的功能除了實時監控之外,更為重要的是能源信息的管理和分析。在地鐵控制中心設歷史數據庫,定時采集各車站能源系統信息,提供各種能源數據分析管理工具,定期存入能源耗用量及各種設備異常狀態的實時數據,以產生調度報表和事件記錄報表。能源管理分析系統主要實現以下基本功能：

1)能源檔案建立和報表功能。系統從智能儀表中采集能源介質信息和其它相關能源動力信息;再把這些數據存入數據庫,建立能源設備負荷檔案。系統提供標準報表工具和分析工具,方便地顯示和分析計量設備的能源負荷檔案、趨勢圖和報表。能源檔案和報表有以下形式：①日、周、月、年的能源檔案;②日、周、月、年的表格式報告;③可選的時間/日期檔案;④可選的時間/日期表格式報告。

2)打印功能。系統提供手動打印和自動定時打印兩種方式。打印內容為：①各類能源報表(日報、周報、月報、年報);②能源的各類趨勢曲線圖。

3)通信功能。地鐵能源管理系統主要與以下系統互聯：①與運營控制中心,電力調度中心進行信息交換;②預留與上級用電管理部門交換信息的接口。

5 結語

“只有可被測量的才是可被管理的。”地鐵能源管理系統的總目標是建立一個全線性或者整個城市軌道交通網絡的能源管理系統,構建一個覆蓋列車牽引用電、各車站動力照明設備用電,以及車輛段電能、燃氣、自來水等能源介質的自動監控系統。地鐵在滿足公共交通功能需求的同時,應按照合理用能的原則,推進先進節能技術的應用,加強節能管理和能耗控制,以提高能源利用效率,降低運營成本。

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