地鐵電能量管理系統(tǒng)

周鐵軍

地鐵的供電系統(tǒng)是為地鐵運(yùn)營提供電能的，地鐵列車是電力牽引的電動列車，其動力是電能；此外，地鐵中的輔助設(shè)施包括照明、通風(fēng)、空調(diào)、排水、通信、信號、防災(zāi)報警、售檢票、自動扶梯等，也都依賴電能。地鐵供電電源一般取自城市電網(wǎng)，通過城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和地鐵供電系統(tǒng)實現(xiàn)輸送或變換，然后以適當(dāng)?shù)碾妷旱燃壪虻罔F各類設(shè)備供電。

1 地鐵電能量管理系統(tǒng)

為深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀，落實節(jié)約資源基本國策，建設(shè)便捷、高效、節(jié)能、環(huán)保的軌道交通網(wǎng)絡(luò)體系，完成“十一五”規(guī)劃綱要提出的節(jié)能目標(biāo)，實現(xiàn)軌道交通的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)軌道交通集團(tuán)節(jié)能降耗，同時為了能使集團(tuán)更好的完成資源調(diào)配、組織運(yùn)營、降低能耗、節(jié)約成本，需要建立一套有效的地鐵電能量管理系統(tǒng)。

目的：用于建立能源綜合管理、運(yùn)營成本考核管理體系、用于建立電能質(zhì)量考核管理體系，用于監(jiān)督用電設(shè)備污染源、用于加強(qiáng)用電安全管理、事前預(yù)防和事后分析、用于用電信息綜合管理、報表統(tǒng)計、線損分析。

地鐵電能量管理系統(tǒng)是一套具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)、可擴(kuò)展性的變配電計算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)。系統(tǒng)基于分層分布式結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)變配電系統(tǒng)信息的交換和管理。系統(tǒng)集保護(hù)、控制、測量、信號采集、故障錄波、諧波分析、電能質(zhì)量管理、負(fù)荷控制和運(yùn)行管理為一體，實現(xiàn)了變配電系統(tǒng)高、低壓電氣設(shè)備分散監(jiān)控、集中管理功能，全面提高變配電運(yùn)行現(xiàn)代化管理水平。

系統(tǒng)借助現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)實時監(jiān)視電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)（包括：開關(guān)狀態(tài)，故障狀態(tài)和位置，電壓、電流、電度等實時變化的電氣參數(shù)，報警信號等）、事件記錄、波形記錄等數(shù)據(jù)，不斷地傳送至電力監(jiān)控計算機(jī)（以后簡稱監(jiān)控中心），并可以實施遙控命令，使運(yùn)行管理人員可以通過監(jiān)控中心全面了解電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況，準(zhǔn)確、快速地判斷故障位置和故障原因，簡便地實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)分析（包括負(fù)荷分析，電能消耗分析，電能質(zhì)量）。對于一些難于判斷的故障，可以通過波形記錄來幫助管理者分析故障原因。

地鐵電能量管理系統(tǒng)主要功能包括：系統(tǒng)運(yùn)行實時監(jiān)視、電能質(zhì)量監(jiān)視、高精度電能計量、電能消耗統(tǒng)計和分析、遠(yuǎn)程控制和操作記錄、事件報警和記錄、數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)管理、各種報表打印、電能管理等:

（1）能源消耗管理：

軌道交通能源消耗管理包括能源監(jiān)視、分析以及控制能源使用，從而降低每個車站和線路能源的整體使用成本，同時將能源數(shù)據(jù)升華為有價值的信息，用于掌握和分析各個部分的能源使用情況。

（2）關(guān)鍵能耗負(fù)載分布和能耗負(fù)荷特性分析：

用于測定和記錄來自分布式電能監(jiān)視儀表和其它能源儀表在每個電力需用時限的能源使用數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存在一個集中的數(shù)據(jù)庫中。因此，用戶可以立即確定負(fù)載系數(shù)、最高要求負(fù)荷周期，以及與之相關(guān)的設(shè)備的能耗，包括：線路、變壓器、空調(diào)機(jī)組及通風(fēng)機(jī)組、照明、電梯/自動扶梯、弱電系統(tǒng)等。

（3）成本分?jǐn)偅?/h3>

將能源成本分?jǐn)偟矫總€設(shè)備、車站或線路。也可為多種應(yīng)用生成分析和校驗?zāi)茉辞鍐我约百Y費(fèi)所需的報表。

（4）電能質(zhì)量控制和報警

通過測定系統(tǒng)和站點(diǎn)的電能質(zhì)量，致力于發(fā)現(xiàn)一些潛在電能質(zhì)量危害，例如諧波、電壓偏移以及配電系統(tǒng)的事件、此外，它還用于捕捉系統(tǒng)的越限情況和能源消耗異常，發(fā)出報警信息，并以包括：Email、手機(jī)短信、PDA、工作站等多種形式通知相關(guān)工作人員，有助于減少設(shè)備誤動作、降低能源成本、幫助配電系統(tǒng)規(guī)劃、提高生產(chǎn)效率以及提供系統(tǒng)性的能源整體視圖。

（5）節(jié)能措施和設(shè)備的優(yōu)化

通過能源數(shù)據(jù)的收集和設(shè)備狀態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)能空間比較大的領(lǐng)域和評估各項節(jié)能措施和設(shè)備的實際效果，包括：再生制動能量利用、諧波治理 、照明控制、通風(fēng)、空調(diào)&制冷等。

通過地鐵電能量管理系統(tǒng)的實時參數(shù)顯示功能，可實現(xiàn)關(guān)鍵配電回路電氣運(yùn)行狀況的遠(yuǎn)方監(jiān)視，同時生成基本電氣參數(shù)、電能消耗、分時計量、THD總諧波畸變率等各種運(yùn)行分析報表。

通過地鐵電能量管理系統(tǒng)軟件采集的數(shù)據(jù)可以分析歷史負(fù)荷曲線、電能消耗和系統(tǒng)裕量，提高系統(tǒng)或設(shè)備的使用效率。對全年的電能消耗進(jìn)行分時段、分季節(jié)、分部門的統(tǒng)計分析；生成的報表可以Microsoft Excel文件格式存儲，且自動形成曲線或柱狀圖，方便用戶導(dǎo)出或形成報告。

通過地鐵電能量管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析：

（1）結(jié)合軌道交通的其他運(yùn)營和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括客運(yùn)量、車站建筑面積、天氣變化等相關(guān)數(shù)據(jù)，對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ龋涯茉磾?shù)據(jù)進(jìn)一步深度處理，把能源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為公司的財務(wù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和信息。

（2）可以實時顯示整體交通網(wǎng)絡(luò)能耗數(shù)據(jù)，可以顯示和調(diào)用歷史能耗曲線；通過對長時間數(shù)據(jù)的分析，可以對各條線路的能耗進(jìn)行季度或者月份的對比，發(fā)現(xiàn)能耗異常情況；

2 地鐵建設(shè)電能量管理系統(tǒng)的必要性

下面就地鐵系統(tǒng)與供電系統(tǒng)相關(guān)的問題進(jìn)行論述。

2.1.地鐵安全運(yùn)行的需要

地鐵是城市公共交通重要組成部分之一，作為大容量公共交通工具，其安全性直接關(guān)系到廣大乘客的生命安全。安全運(yùn)營是地鐵運(yùn)輸?shù)氖滓繕?biāo)和基本原則。為此，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2007年3月20日，下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)地鐵建設(shè)和運(yùn)營安全管理工作的緊急通知》。

地鐵運(yùn)營安全不僅涉及人，車輛，軌道等系統(tǒng)因素，還受到社會環(huán)境和列車運(yùn)行相關(guān)設(shè)備（如信號系統(tǒng)、供電系統(tǒng)）等因素的影響。近年來國內(nèi)外地鐵事故統(tǒng)計的分析表明：人、車輛、軌道、供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)及社會災(zāi)害等是地鐵事故的主要因素。

2.1.1.供電因素

供電系統(tǒng)的主要危險是電氣火災(zāi)、觸電和電能質(zhì)量問題。

電氣火災(zāi)的原因主要包括：當(dāng)電路發(fā)生短路時，電流可能超過正常時的數(shù)十倍，致使電線、電氣溫度急劇上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值，而且常伴有短路電弧發(fā)生，易造成火災(zāi)；線路、變壓器超載運(yùn)行均將導(dǎo)致其絕緣材料過熱起火；導(dǎo)線接頭連接不牢或焊接不良均會使接觸電阻過高，導(dǎo)致接頭過熱起火。接觸不良的電線接頭、開關(guān)接點(diǎn)、滑觸線等還會迸發(fā)火化，引燃周圍易燃、易爆物質(zhì)（此類現(xiàn)象在運(yùn)營新線及老線尤為明顯）；變壓器一般都配備有散熱設(shè)備，如風(fēng)葉、散熱器等，如果風(fēng)葉斷裂、變壓器油面下降均會導(dǎo)致散熱不良，使電器熱量累積起來。電纜溝、電纜井內(nèi)電纜過密，散熱不良易會引起火災(zāi)。

應(yīng)用地鐵電能量管理系統(tǒng)可實現(xiàn)較全面的監(jiān)測功能，如遙測量：電流、電壓、功率、電度、功率因數(shù)、頻率、諧波、最大/最小值等；遙信：斷路器的分合閘狀態(tài)；遙控：遠(yuǎn)程控制斷路器的分閘。監(jiān)測到電力系統(tǒng)問題可立即報警，方便用戶及時處理，減少不必要的損失。

引起觸電事故的主要原因，除了設(shè)備缺陷、設(shè)計不周等技術(shù)因素外，大部分都是違章作業(yè)、違章操作。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)污染現(xiàn)象也日益嚴(yán)重，電能質(zhì)量也隨之提出了新的問題。一方面，用電負(fù)荷日趨復(fù)雜化和多樣化，如半導(dǎo)體整流和逆變裝置以及變頻調(diào)速裝置等電力電子設(shè)備的應(yīng)用，這些具有非線性、諧波豐富、沖擊性和不平衡特征的負(fù)荷會影響到供電電網(wǎng)，給電能質(zhì)量提出了新的問題。另一方面，用戶對供電可靠性的要求越來越高，眾多基于計算機(jī)、微處理器控制的精密電子和電力電子裝置在電力系統(tǒng)大量使用，對供電質(zhì)量的敏感程度越來越高，尤其對供電系統(tǒng)的暫態(tài)性能也提出了要求。一旦出現(xiàn)電能質(zhì)量問題，輕則造成設(shè)備故障，重則造成整個系統(tǒng)的損壞，由此帶來的損失是難以估量的。

現(xiàn)有資料表明，在中國的黃山、廬山、湖北、云南、西藏、河北、內(nèi)蒙古均發(fā)現(xiàn)有第四紀(jì)冰川遺跡[1]。比上述各地區(qū)緯度要高的黑龍江省有無第四紀(jì)冰川存在，一直有兩種認(rèn)識：一種認(rèn)為只有冰緣而無冰川；另一種認(rèn)為既有冰緣又有冰川[2]。筆者在進(jìn)行黑龍江省地質(zhì)公園地質(zhì)遺跡調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了大量形似冰川地質(zhì)遺跡的現(xiàn)象，以下暫稱為“類冰川地質(zhì)遺跡”。有的類似冰臼、有的類似冰壁龕、有的類似冰面湖湖蝕柱石……(以下暫稱為冰臼、冰壁龕、冰面湖湖蝕柱石……)，這些地質(zhì)遺跡的發(fā)現(xiàn)，為分析黑龍江省古冰川是否真正存在提供了重要線索。

電能質(zhì)量低下的危害有以下一些表現(xiàn)：

電壓的波動和閃變超標(biāo),會危害與其連接在公共供電點(diǎn)的其他用戶的設(shè)備，如使照明燈閃爍、電機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻和計算機(jī)及電子設(shè)備工作不正常等。

諧波會損壞系統(tǒng)設(shè)備（如電容器、電纜 、電動機(jī)、電壓互感器等），威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行（如繼電保護(hù)及自動裝置誤動），增加系統(tǒng)的功率損耗（如線損），增大測量儀表的誤差（如電能表），干擾通信等。

三相負(fù)荷不平衡會增加變壓器的損耗造成其局部過熱，繼電保護(hù)及自動裝置誤動，變流器產(chǎn)生非特征諧波，增加中性線電流產(chǎn)生電噪聲干擾，增加輸電線損耗，干擾通信等。

暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓以及電壓跌落和短時供電中斷的問題，一般由系統(tǒng)或用戶內(nèi)部的短路故障引起，會直接影響甚至中斷用戶正常的用電，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

應(yīng)用地鐵電能量管理系統(tǒng)，通過預(yù)測、診斷和驗證電能質(zhì)量問題，可避開存在的風(fēng)險，使與電能質(zhì)量問題相關(guān)設(shè)備以更安全的方式運(yùn)行。

例如，2003年7月15日上海地鐵一號線蓮花路到莘莊的列車突然停電，被迫停運(yùn)62分鐘。經(jīng)查明原因是由于地鐵牽引變電站直流開關(guān)故障跳閘，使列車無法運(yùn)行。又如，2003年8月28日，英國首都倫敦和英格蘭東南部部分地區(qū)突然發(fā)生重大停電事故，倫敦近2／3地鐵停運(yùn)，大約25萬人被困在倫敦地鐵中。

2.1.2. 信號系統(tǒng)因素

地鐵專用通信系統(tǒng)是直接為地鐵運(yùn)營、管理服務(wù)的，是保證列車及乘客安全，列車快速、高效運(yùn)作的必不可缺的信息傳輸系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生緊急情況時，通信系統(tǒng)應(yīng)能迅速轉(zhuǎn)為應(yīng)急通道，為防災(zāi)、救援和事故處理提供方便。同時若通信系統(tǒng)的電源發(fā)生故障或通信設(shè)備本身發(fā)生故障等問題時，各種行車、票務(wù)及控制信息出現(xiàn)間斷性不可靠傳輸，易會引發(fā)事故或使事態(tài)擴(kuò)大。

信號系統(tǒng)是整個地鐵運(yùn)營的大腦，它保證列車和乘客的安全，實現(xiàn)快速、高密度、有序運(yùn)行的功能。信號系統(tǒng)的不完善或信號系統(tǒng)設(shè)備故障，相當(dāng)于大腦癱瘓，則運(yùn)營整體處于癱瘓狀態(tài)，或者不能保證運(yùn)營安全。

信號系統(tǒng)的功力源泉仍然是供電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)的問題會引起信息系統(tǒng)故障甚至癱瘓。

2.1.3.信號系統(tǒng)問題引起事故案例

2003年3月17日，上海地鐵一號線信號控制系統(tǒng)突然發(fā)生故障，停運(yùn)8分鐘。2003年2月14日，上海二號線中央控制室自動信號系統(tǒng)發(fā)生故障，停運(yùn)20分鐘。

2.2.地鐵經(jīng)濟(jì)運(yùn)營的需要

國家發(fā)展戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)高效率、低能耗、低污染，達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

地鐵線路的建設(shè)需要高投入，地鐵線路的運(yùn)營也需要大筆的資金。目前除了香港等少數(shù)幾條地鐵線路實現(xiàn)盈利外，其它在運(yùn)營的地鐵線路基本上都是靠政府財政補(bǔ)貼維持運(yùn)營。地鐵系統(tǒng)要實現(xiàn)盈利并收回投資，主要靠增加售票收入，在日人流次數(shù)一定的情況，只有提高地鐵票價，才能盡快收回投資。在目前中國的現(xiàn)實情況下，提高地鐵票價很難獲得民眾的認(rèn)可。因此，開源方面的問題可以不用考慮，剩下的就是如何搞好節(jié)流工作，降低地鐵系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)成本。

在當(dāng)前的國內(nèi)，對于用戶來說，設(shè)備運(yùn)行消耗是商業(yè)運(yùn)作的主要支出之一。在今天的競爭環(huán)境中，合理控制這些費(fèi)用并不斷設(shè)法提高效率、削減支出，是每個用戶的目標(biāo)。為了有效控制這些費(fèi)用，首先應(yīng)該對其進(jìn)行監(jiān)測。運(yùn)用地鐵電能量管理系統(tǒng)可以獲得減少電能花費(fèi)、降低成本設(shè)備投資和設(shè)備運(yùn)行潛在消耗所需的信息；通過電能量管理系統(tǒng)，可識別電能的非有效使用或浪費(fèi)，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，提高效率；可合理分?jǐn)傆秒姵杀荆_(dá)到電氣節(jié)能的目的。

電氣節(jié)能體現(xiàn)在：通過對電力參數(shù)歷史數(shù)據(jù)分析，建立系統(tǒng)和設(shè)備的電能消耗模式，在實時監(jiān)視過程中及時發(fā)現(xiàn)電能消耗異常現(xiàn)象，采取有效措施進(jìn)行設(shè)備改造或補(bǔ)償，以避免電能損耗。如設(shè)備故障和諧波引起的電能消耗。優(yōu)化配電系統(tǒng)運(yùn)行模式，減少不必要的電能花費(fèi)，如對定時用電設(shè)備進(jìn)行集中控制，如公共照明、空調(diào)及通風(fēng)。對配電系統(tǒng)內(nèi)部的各用電單位進(jìn)行電能分配、計量和監(jiān)控，以避免電能浪費(fèi)的現(xiàn)象和提高管理效率，降低運(yùn)營成本。

2.3.提升地鐵系統(tǒng)形象和服務(wù)的需要

地鐵機(jī)電設(shè)備是地鐵運(yùn)營的一個重要組成部分，主要包括：通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)、防災(zāi)報警系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、自動扶梯及其監(jiān)視系統(tǒng)、環(huán)控自動化系統(tǒng)、防災(zāi)報警滅火系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、自動收費(fèi)系統(tǒng)（AFC）。供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)給以上其它系統(tǒng)提供能源和動力，因此供電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，可以為廣大乘客提供更加安全、快捷、舒適和便利的服務(wù)。

通過地鐵電能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)設(shè)備在線監(jiān)控。在線監(jiān)視重要電氣設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或安全隱患、制定專門的維修計劃，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行、延長設(shè)備使用壽命。

2.4.地鐵系統(tǒng)管理和發(fā)展的需要

建設(shè)地鐵電能量管理系統(tǒng)可以提高整個地鐵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，減輕維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度；減少操作人員；增強(qiáng)電力系統(tǒng)的免維護(hù)性；有利于提高設(shè)備的安全性和延長使用壽命。

建設(shè)地鐵電能量管理系統(tǒng)可以提高地鐵系統(tǒng)的管理水平。主要包括：為電力系統(tǒng)管理自動化，準(zhǔn)確、及時地提供更為詳盡、豐富的數(shù)據(jù)；可以方便、直觀地監(jiān)控全局內(nèi)各個車站的用電、供電情況，實現(xiàn)總體控制。

建設(shè)地鐵電能量管理系統(tǒng)，可以提高供電質(zhì)量和可靠性。實現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)自動化，可減少故障次數(shù)，縮小事故范圍，縮短事故時間，為恢復(fù)供電、快速分析、診斷、報告事故原因提供有效的依據(jù)。

建設(shè)地鐵電能量管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對配電室內(nèi)的二次設(shè)備（安全自動裝置、傳統(tǒng)測量儀表、操作控制、信號系統(tǒng)等）的功能進(jìn)行智能化改造，取消了常規(guī)的人工電力管理，通過計算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電力系統(tǒng)的測量、控制、信號采集、故障分析、負(fù)荷控制和運(yùn)行管理，極大地提高配電系統(tǒng)的安全性、可靠性和管理水平的智能化。該系統(tǒng)具有良好的開放性，可以方便的與其他相關(guān)系統(tǒng)和智能裝置進(jìn)行通信，如：設(shè)備自動化系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等，實現(xiàn)自動化系統(tǒng)間相互通訊和信息共享。