城市軌道交通能源管理系統(tǒng)研究

馬學(xué)鵬 夏國(guó)臣

（珠海派諾科技股份有限公司，519085，珠海∥第一作者，助理工程師）

城市軌道交通能源管理系統(tǒng)研究

馬學(xué)鵬 夏國(guó)臣

（珠海派諾科技股份有限公司，519085，珠海∥第一作者，助理工程師）

介紹了城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)，以及能效系統(tǒng)在軌道交通中的作用。介紹了系統(tǒng)的組成、功能及其整體架構(gòu)。該系統(tǒng)可將原本分散的車站級(jí)能效數(shù)據(jù)集中管理，使能耗數(shù)據(jù)透明化、公開(kāi)化，使節(jié)能目標(biāo)可控化、可行化，使節(jié)能效果最大化。

城市軌道交通；能源管理系統(tǒng)；能效數(shù)據(jù)

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

交通是我國(guó)的三大能源消耗大戶之一。目前，我國(guó)規(guī)劃建設(shè)城市軌道交通的大中型城市超過(guò)60座，其中有10余城市的軌道交通已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)。依據(jù)現(xiàn)有發(fā)展規(guī)劃，在未來(lái)30年內(nèi)，我國(guó)將有超過(guò)500條軌道交通線路投入運(yùn)營(yíng)。相比傳統(tǒng)城市公共交通工具，雖然城市軌道交通運(yùn)輸?shù)膯挝蝗藛T能源消耗是傳統(tǒng)公共交通的1/9，但其運(yùn)營(yíng)總能耗卻非常驚人。據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，2009年廣州地鐵運(yùn)營(yíng)的用電總量為3億多kW·h（3條線）；2011年成都地鐵運(yùn)營(yíng)的用電總量為8 000萬(wàn)kW·h（1條線）。若采用實(shí)用有效的技術(shù)方法，都可以取得較好的節(jié)能效果。

現(xiàn)有城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括行車調(diào)度系統(tǒng)、供電調(diào)度系統(tǒng)和環(huán)控調(diào)度系統(tǒng)，分別對(duì)行車安全、供電安全和機(jī)電設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行管理，但并沒(méi)有專門對(duì)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析和挖掘的自動(dòng)化軟件系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)方主要依賴經(jīng)驗(yàn)和人工對(duì)龐大的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行粗放型管理。據(jù)調(diào)查，幾乎所有地鐵運(yùn)營(yíng)方都無(wú)法準(zhǔn)確提供任何一條運(yùn)營(yíng)線路的細(xì)化能源數(shù)據(jù)，對(duì)能源數(shù)據(jù)的管理只能到每月的宏觀值，對(duì)于能源消耗與機(jī)電設(shè)備特性、人流密度、環(huán)境參數(shù)等的關(guān)系更是無(wú)法進(jìn)行挖掘。所以，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中浪費(fèi)、低效用能等現(xiàn)象非常普遍，能源管理缺少精確化、科學(xué)的量化考核工具。

目前，部分地鐵運(yùn)營(yíng)公司、設(shè)計(jì)院和建設(shè)方已認(rèn)識(shí)到專用的城市軌道交通能源管理系統(tǒng)對(duì)地鐵能源管理的重要性，并已開(kāi)展相關(guān)的試點(diǎn)工作。

1 能源管理系統(tǒng)的硬件組成及功能

1.1 整體架構(gòu)

能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分布式結(jié)構(gòu)，由中心端管理級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（以下簡(jiǎn)為“中心端管理級(jí)”）、主干通信傳輸網(wǎng)、車站管理級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（以下簡(jiǎn)為“車站管理級(jí)”）、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)等組成。中心端管理級(jí)采用千兆以太網(wǎng)，可連接軌道交通主干通信傳輸網(wǎng)或通過(guò)防火墻連接公眾通信網(wǎng)絡(luò)，并提供數(shù)據(jù)上傳到更高一級(jí)管理部門的網(wǎng)絡(luò)接口。中心端管理級(jí)允許通過(guò)公眾通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的傳輸通道進(jìn)行外部網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，由能源管理系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)器提供WebService服務(wù)。中心端管理級(jí)與車站管理級(jí)之間采用TCP/IP協(xié)議的主干通信傳輸網(wǎng)構(gòu)建傳輸通道。現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)由通信管理機(jī)與采集儀表以分布式結(jié)構(gòu)構(gòu)建，采用RS 485總線網(wǎng)絡(luò)，通信管理機(jī)提供的專用數(shù)據(jù)上傳IP網(wǎng)絡(luò)接口。系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

系統(tǒng)分為中心端管理級(jí)和車站管理級(jí)兩個(gè)層次，本文將詳細(xì)介紹二者的硬件架構(gòu)。

1.2 中心端管理級(jí)硬件架構(gòu)

中心端管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 中心端管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（1）中心端管理級(jí)服務(wù)器采用雙機(jī)冗余熱備，配置2臺(tái)工控機(jī)作為操作或監(jiān)視/維護(hù)的工作站，配置防火墻、路由器、打印機(jī)、后備時(shí)間不小于1 h的在線式不間斷電源、磁盤陣列，并配置大屏幕或大屏幕投影系統(tǒng)。磁盤陣列采用異地備份存儲(chǔ)方式，可保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和長(zhǎng)久性。

（2）中心端管理級(jí)設(shè)置在運(yùn)營(yíng)控制中心（OCC），負(fù)責(zé)監(jiān)管能源管理系統(tǒng)設(shè)備以及能耗數(shù)據(jù)的匯總、處理、統(tǒng)計(jì)、分析等信息化管理。

1.3 車站管理級(jí)硬件架構(gòu)

車站管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

（1）車站管理級(jí)服務(wù)器采用雙機(jī)冗余熱備，配置1臺(tái)工控機(jī)作為操作或監(jiān)視/維護(hù)的工作站、1臺(tái)打印機(jī)、1個(gè)車站以太網(wǎng)交換機(jī)（帶路由功能）。

（2）車站管理級(jí)的底層計(jì)量?jī)x表采集裝置可接入智能電表、智能水表，智能燃?xì)獗怼⒅悄苋加捅怼⒅悄芾洌幔┝勘淼炔杉O(shè)備，采集數(shù)據(jù)經(jīng)通信管理機(jī)上傳到車站管理級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。系統(tǒng)采用雙通信管理機(jī)熱備份機(jī)制，保證數(shù)據(jù)采集的可靠性。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與接入設(shè)備數(shù)量及其可接入設(shè)備最大容量的85%~90%計(jì)算網(wǎng)絡(luò)控制器配置數(shù)量。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器接入預(yù)留不低于10%，易于擴(kuò)展。

圖3 車站管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)最終將為軌道交通運(yùn)營(yíng)中心提供1個(gè)整體的能效管理方案，其主要功能包括：

（1）中心端管理級(jí)長(zhǎng)期保存能效數(shù)據(jù)。

（2）車站管理級(jí)數(shù)據(jù)能夠通過(guò)主干通信傳輸網(wǎng)上傳和導(dǎo)入導(dǎo)出。

（3）提供數(shù)據(jù)Web發(fā)布，用戶無(wú)需安裝任何客戶端或應(yīng)用軟件，即可瀏覽相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）中心端管理級(jí)通過(guò)Web地圖對(duì)線路各個(gè)子站進(jìn)行監(jiān)控和管理。

（5）為OCC提供統(tǒng)一格式的分布式報(bào)表，如整條線路能耗報(bào)表、單車站能耗報(bào)表、車輛基地/段能耗報(bào)表等。

（6）提供安全保證機(jī)制，數(shù)據(jù)和管理功能能夠按用戶級(jí)別進(jìn)行分類顯示。

（7）提供數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制，通過(guò)身份驗(yàn)證機(jī)制和加密傳輸機(jī)制保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全和正確。

（8）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端能夠?qū)崟r(shí)保存本地?cái)?shù)據(jù)1個(gè)月，并能依據(jù)傳輸策略實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到中心端管理級(jí)。傳輸間隔嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家、行業(yè)、地方相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。

2 能源管理系統(tǒng)的軟件組成與功能

城市軌道交通能源管理系統(tǒng)軟件部分主要分為車站管理級(jí)軟件和中心端管理級(jí)軟件。車站管理級(jí)和中心端管理級(jí)軟件系統(tǒng)均采用B/S模式，自適應(yīng)瀏覽器瀏覽。底層數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Standard Server 2008關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。Web Server采用微軟IIS平臺(tái)。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言.Net的主要開(kāi)發(fā)工具為Microsoft Visual Studio 2010版本。

圖4為整個(gè)能源管理系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖。依照數(shù)據(jù)流向，能源管理系統(tǒng)分為采集層、傳輸層、主控層和應(yīng)用層等4個(gè)主要部分。

圖4 軌道交通能源管理系統(tǒng)原理圖

采集層主要是對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，包括各個(gè)子站的電、水、氣、暖、可再生等各種能源數(shù)據(jù)，由前端采集程序和前置通信管理機(jī)按設(shè)定的采集周期，實(shí)時(shí)在線采集、存儲(chǔ)能耗計(jì)量器具和各類智能終端的數(shù)據(jù)與信息。采集層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在子站級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并通過(guò)傳輸層將能源數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程主動(dòng)上傳到中心端服務(wù)器。

主控層是中心端管理級(jí)的主站對(duì)，軌道交通中所有子站的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)子站的能耗進(jìn)行分項(xiàng)、分類、分戶統(tǒng)計(jì)，并通過(guò)各種數(shù)學(xué)模型、算法對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評(píng)估，從而整體分析軌道交通能耗；長(zhǎng)期跟蹤分析每個(gè)子站的整體用能狀況，診斷并考核每個(gè)子站的能耗指標(biāo)，為整體的節(jié)能方案提供可靠的數(shù)據(jù)支持；嚴(yán)格按照國(guó)家、行業(yè)、地方相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求來(lái)制定軌道交通能耗指標(biāo)體系，采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議如DL/T645-2007、CJ/T188-2004、GB/T19582-2008等協(xié)議。通過(guò)設(shè)備計(jì)算、子站計(jì)算、中心端計(jì)算三種方式對(duì)軌道交通各個(gè)子站的能耗進(jìn)行合理劃分和集中計(jì)算，確定整體使用效率。

2.1 數(shù)據(jù)分級(jí)管理

城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的基本思路是采用車站管理級(jí)和中心端管理級(jí)的分級(jí)管理方式：在車站管理級(jí)，監(jiān)視一個(gè)或若干個(gè)車站能源管理系統(tǒng)設(shè)備，以及收集相應(yīng)車站能耗數(shù)據(jù)；在中心端管理級(jí)，對(duì)各個(gè)車站的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，通過(guò)數(shù)學(xué)分析模型建立車站能耗標(biāo)準(zhǔn)，作為評(píng)估各個(gè)車站能耗水平的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)制定節(jié)能方案，并下達(dá)到各個(gè)車站進(jìn)行實(shí)際實(shí)施，從而降低整個(gè)軌道交通的整體能耗，從根本上達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。分級(jí)管理的具體評(píng)估內(nèi)容如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)分項(xiàng)管理

根據(jù)以往城市軌道交通能耗數(shù)據(jù)，牽引動(dòng)車的能耗占車站總能耗的40%~50%，環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)的能耗占車站總能耗的25%~35%，照明系統(tǒng)的能耗為車站總能耗的8%~12%，給排水等其他系統(tǒng)的能耗約占總能耗的3%~17%。由此可見(jiàn)，城市軌道交通能耗主要由牽引動(dòng)力和環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生。由于牽引動(dòng)力用能是列車運(yùn)行的主要保證，較難降低能耗，所以軌道交通的節(jié)能主要從環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)入手。

對(duì)城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)的評(píng)估，其主要評(píng)估參數(shù)為運(yùn)營(yíng)維護(hù)記錄和節(jié)能措施實(shí)施；評(píng)估目標(biāo)為與運(yùn)營(yíng)維護(hù)、節(jié)能措施實(shí)施前進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)是否達(dá)到預(yù)期節(jié)能目標(biāo)。

表1 城市軌道交通能源管理系統(tǒng)分級(jí)管理評(píng)估表

圖5、圖6分別為城市軌道交通能耗一級(jí)分項(xiàng)圖和城市軌道交通電能耗分項(xiàng)圖。

圖5 城市軌道交通能耗一級(jí)分項(xiàng)圖

圖6 城市軌道交通電能耗分項(xiàng)圖

2.3 中心端管理級(jí)軟件能效系統(tǒng)功能

（1）軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)配置相適應(yīng)。

（2）面向能源管理中心管理層與能源信息化管理的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用B/S結(jié)構(gòu)。

（3）子站數(shù)據(jù)向中心端傳輸采用輪詢和主動(dòng)上傳方式，數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)于中心端工作站數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)傳輸基于TCP/IP、HTTP協(xié)議的SOAP及Lontalk等協(xié)議或規(guī)約。

（4）提供數(shù)據(jù)曲線功能，對(duì)具體車站、線路的用電量、冷量、水量、氣量等數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線描繪，預(yù)測(cè)趨勢(shì)。

（5）可以對(duì)具體車站、線路的能耗進(jìn)行總加計(jì)算，比率計(jì)算，能效計(jì)算，最大、最小、平均值計(jì)算，負(fù)荷的最小、最小變化量計(jì)算；還可自定義計(jì)算：自定義計(jì)算公式，包括邏輯和條件、計(jì)算對(duì)象、周期、觸發(fā)條件等。

（6）可以對(duì)具體車站、線路的能耗進(jìn)行按小時(shí)、日、月、季、年的分類、分項(xiàng)、分戶統(tǒng)計(jì)，以及工作時(shí)間和非工作時(shí)間的能耗統(tǒng)計(jì)等。

（7）可以對(duì)具體車站、線路的能耗進(jìn)行質(zhì)量分析、異常分析、平衡分析、節(jié)能潛力分析、排名分析等。

（8）建立三級(jí)能源指標(biāo)體系：列車及車站動(dòng)力照明運(yùn)營(yíng)能耗指標(biāo)，線路運(yùn)營(yíng)能耗指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)能耗指標(biāo)。將指標(biāo)細(xì)化為：客流量能耗，k W·h/人次；車輛周轉(zhuǎn)量能耗，kW·h/（車·km）；客運(yùn)周轉(zhuǎn)量能耗，k W·h/（人·km）；動(dòng)力照明能耗，k W·h/站；票務(wù)總收入指標(biāo)能耗，k W·h/元；牽引系統(tǒng)單位能耗，kW·h/（千車·km）；車站動(dòng)力照明系統(tǒng)單位能耗，kW·h/（站·d），綜合性單位能耗，k W·h/（千車· km）。

（9）提供軌道交通各種定制能耗報(bào)表，并提供報(bào)表自定義功能，提供線路的日、月、年報(bào)表；報(bào)表數(shù)據(jù)包含基本能耗指標(biāo)和綠色能耗指標(biāo)；提供軌道交通線路中主要用電系統(tǒng)的日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表；并對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)、電梯扶梯系統(tǒng)等項(xiàng)目進(jìn)行劃分；提供報(bào)表打印導(dǎo)出功能。

（10）提供報(bào)警功能，對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)、能耗異常狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通信狀況、測(cè)量參數(shù)越限等提供動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)于報(bào)警事件，配合聲光彈出告警，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

（11）提供歷史數(shù)據(jù)查詢，完整記錄中心端下所有車站內(nèi)能耗節(jié)點(diǎn)測(cè)量信息，保存時(shí)間不少于3年，從而為數(shù)學(xué)模型建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（12）提供線路及站點(diǎn)各種分析對(duì)象和能耗指標(biāo)的能源分析工具。

（13）提供日、月、年評(píng)估報(bào)告，并支持打印導(dǎo)出功能。

（14）采用各種圖表動(dòng)畫技術(shù)，具有良好的用戶體驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)城市軌道交通能源管理系統(tǒng)，可將原來(lái)分散的車站級(jí)能效數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，加強(qiáng)軌道交通各種類型能耗數(shù)據(jù)的集中性，使能耗數(shù)據(jù)透明化、公開(kāi)化，使節(jié)能目標(biāo)可控化、可行化。通過(guò)集中化的管理使節(jié)能效果最大化，這是軌道交通能效管理平臺(tái)的主要原則。

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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）