城市軌道交通能源管理系統標準初探

袁若岑 李金龍 彭秀梅 汪群軍 皮雁南

(1. 北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心 北京 102208；2. 北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037；3. 北京市地鐵運營有限公司 北京 100044；4. 江蘇聯宏自動化系統工程有限公司 南京 210046)

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城市軌道交通能源管理系統標準初探

袁若岑1李金龍2彭秀梅3汪群軍4皮雁南1

(1. 北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心 北京 102208；2. 北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037；3. 北京市地鐵運營有限公司 北京 100044；4. 江蘇聯宏自動化系統工程有限公司 南京 210046)

通過對國內外能源管理系統的研究分析與對比，結合城市軌道交通能源管理工作的實際情況，從能源管理系統的軟硬件設計原則、能源計量監測點的選擇依據、能源計量器具配置要求以及主要功能模塊設計4個方面提出城市軌道交通行業能源管理系統標準框架。最后提出，相關企業應著重從加強能源計量器具配備以及企業自身能源管理考核工作的角度完善標準編制工作。

城市軌道交通；能源管理系統；標準；框架設計

近些年來隨著城市軌道交通的跨越式發展，能源消耗一直保持迅速增長的態勢。但由于缺乏總體的規劃設計、統一的技術標準和開發平臺，造成已建的能源管理系統之間、能源管理系統與其他在線系統之間難以實現網絡的互聯互通和信息的大規模集成，給信息共享造成了很大障礙，制約了能源管理系統應用水平的整體提高。因此，迫切需要開展能源管理系統標準的編制工作，為政府級及企業級的能源管理系統在建工程提供技術指導，以逐步達到“信息采集自動化、傳輸網絡化、管理數字化、決策科學化”的目標；同時也為正在規劃中的新線能源管理系統設計與建設工程打下標準化基礎。

1 能源管理系統研究及應用現狀

1.1 國外現狀

半個多世紀以來，走過工業化發展之路的發達國家提前意識到能源緊缺的嚴重性，其采用政策導向和信息化技術手段雙管齊下的方式逐步提高自身的能源管理水平。

在政策、法律法規制定方面，發達國家和地區推行了一系列節約能源的標準、法規以及合格評定程序，涉及重點領域包括節能、節水、節材、可再生能源、環境管理、廢舊產品利用和清潔生產等[1]。從歐盟、日本、澳大利亞等國家的先進經驗可以看出，要在節能減排標準化工作方面取得成績，就需要以法律法規來確立其重要地位，并從系統工程角度聯合各部門綜合采取多種手段來推進工作。

在信息化技術應用和研究方面，發達國家很早就開始關注能源管理系統的應用及研究。在通過信息化手段對各類能耗數據進行有效整理和統計計算的同時，逐步實現了能源管理工作的規范化和程序化，提高了信息處理的速度和準確性[2]。隨著信息化技術的迅猛發展，專家們已不再滿足于系統的傳統開發模式，正在逐步致力于面向高層管理，解決多層次大范圍的決策問題以及非結構化信息的處理工作，系統也逐漸開始強調綜合管理功能、多維服務模式，人機協調、智能化、集成化的計算機輔助等管理功能[3]。

與此同時，能源數據庫的研究和開發也取得了階段性成果。20世紀80年代末，英國開展的NDBS(non-domestic building stock)項目，對已建和在建的工業建筑、商業建筑和公共建筑等進行了全面統計，建立了包括建筑類型、結構類型、建造年代、墻體材料、空調形式、能耗情況等的詳細數據庫。日本和美國也對本國的商業建筑能耗有詳細的統計數據。

1.2 國內現狀

目前，國內能源管理系統的研究及應用工作正處于起步階段，城市軌道交通行業的能源管理平臺建設同樣處于摸索階段，在缺乏針對城市軌道交通行業能源計量標準的情形下，普遍存在能源計量器具配備率偏低、信息自動化采集程度不高等問題。

在能源計量器具配備率方面，城市軌道交通運營企業通常會在運營線路加裝計量牽引供電和動力照明的總用電計量器具，以掌握總體用能情況，但是考慮到管理成本較高等問題，不再繼續關注動力照明分項的計量工作，造成表征主要機電設備(如空調、電梯等)用電情況的分項計量數據嚴重缺乏。企業的用水、天然氣和熱力計量工作也存在類似的問題。如果不增加能源計量配備率，勢必會導致企業節能潛力分析工作無法開展，節能量化考核難以實現等問題。

在系統自動化采集程度方面，由于部分城市既有地鐵線路建設時期較早，且缺乏能源管理系統的總體規劃，造成既有線路的部分能源計量器具不具備信息采集的自動化和數據信息遠傳的功能，再加上缺乏統一的數據標準，造成信息采集的時空間隔、數據類型、數據精度、交換格式與表達方式呈現多樣化特征，這樣會削減能源計量數據的集成和利用價值，加大能源信息資源開發利用的難度。

2 標準框架研究

基于能源管理系統設計及建設階段的實際情況，結合國內外能源管理系統的研究現狀，根據軌道交通行業的主要特點，筆者提出軌道交通系統標準框架設計應重點關注以下方面的問題。

2.1 明確現場能源計量監測點

現場能源計量監測點的選取原則應綜合考慮能源消耗的種類、主要用途、不同消耗主體等因素，按照分類、分項及分戶的形式進行選擇。一般而言，城市軌道交通能源資源消耗種類主要包括電力、天然氣、熱力和水等。其中，電力是軌道交通運營過程中的主要消耗能源，消耗能量通常占比80%左右，主要分為牽引用電和動力照明用電。

牽引供電系統由牽引變電所和牽引網系統組成，牽引變電所將三相高壓交流電變成適合電力機車應用的750 V(1 500 V)直流電；饋電線再將牽引變電所的直流電送到牽引網上，電力機車通過受流器與牽引網的直接接觸而獲得電能[4]。通過分析牽引供電系統的電能消耗過程，得出牽引用電主要包含車輛牽引用電、車輛輔助用電以及牽引降壓變電所損耗等，由于車輛牽引用電計量難度較大，且大多數計量方法尚在摸索階段。因此，為了逐步研究車輛牽引電量的變化規律，建議針對牽引變壓器的前端、后端以及車輛輔助設備加裝用電計量裝置。

動力照明用電一般是指車站站臺機電設備的耗電量。由于耗電設備種類繁多，而且以機電設備為主，從節能潛力分析的角度，摸清設備特性與環境參數關系尤為重要。因此，應重點考慮動力照明用電的分項與分戶計量監測的問題，出于研究主要耗電設備特性與環境參數關系的角度，將耗電量較大的設備以及與運營安全相關的設備定為現場能源計量監測點，比如通風空調、電梯以及照明用電等。此外還需關注400 V回路細分項的異常用電情況，逐步達到通過能源監測工作，優化主要耗能設備運行參數，輔助安全運營服務的目的。

正線水耗計量一般分為3大類：生產用水、生活用水以及消防用水。其中，生產用水和生活用水的細分回路不易分開，通常統稱為生產、生活用水。設置水計量監測點時，應重點考慮與運營過程緊密相連的主要耗水設施設備，一般包括空調補水、商業用水和衛生間用水等。另外，當考慮進行水平衡分析時，還應對所有進出水管路加裝計量裝置，保證進水量計量數值與出水量計量數值一致。

熱力能源通常用于為廠房和辦公樓供暖，在北方城市中應用較多。由于管道老化且年久失修等原因，可能造成無法實時監控熱力管網的安全運行情況，一旦管線發生跑、冒、滴、漏等問題，無法第一時間找到原因并妥善處理事故，容易貽誤事故處理的最佳時間，從而擴大事故的損失程度及范圍。因此，建議加裝針對單體建筑的分戶熱力計量裝置，并形成這個熱力管網的管控體系。

天然氣通常用于員工食堂、浴室等區域，雖然消耗量較小，但是仍然建議根據應用區域進行分戶計量；有的北方城市還將天然氣用于供暖，天然氣就會轉換為熱力能源，造成天然氣的消耗量驟然提高，這時需要考慮同時進行天然氣與熱力的分戶計量工作，以便逐步開展熱力鍋爐運行效率、氣-熱轉換率和熱量利用率等形式的節能管理及控制工作。

國內某地鐵運營公司根據自身計量與管理要求搭建了企業級能源管理系統能源分類、分項計量模型框架(見圖1)和能源分戶計量模型框架(見圖2)。其中，該地鐵公司按照分戶形式開展能源管理工作，實際計量工作卻是按照分類、分項形式進行的。雖然模型中關于能源計量細項需根據各地區地鐵公司能源管理要求以及消耗能源的種類和分項而定，但是能源消耗計量細分的工作思路值得借鑒。

圖1 企業級能源管理系統能源分類、分項計量模型框架

圖2 企業級能源管理系統能源分戶計量模型框架

2.2 確定能源計量器具配置要求

2.2.1 明確能源計量器具配置率要求

確定企業能源計量器具配置原則應重點關注企業管理模式及其相應的管理分區，并結合能源計量監測點的設置，根據GB/T 17167—2006標準[5]要求，能源管理系統數據采集點的能源計量器具配備率應不低于表1的規定。其中，單臺設備能源消耗量大于或等于表2中一種或多種能源消耗量限定值的為主要用能設備。

表1 能源計量器具配備率要求單位 %

表1中：① 進出用能單位的季節性供暖用蒸汽(熱水)可采用非直接計量載能工質流量的其他計量結算方式;②進出主要次級用能單位的季節性供暖用蒸汽(熱水)可以不配備能源計量器具;③在主要用能設備上作為輔助能源使用的電力和蒸汽、水等載能工質，其耗能量很小(低于表2的要求)可以不配備能源計量器具。

表2 主要用能設備能源消耗量(或功率)限定值

表2中：① 對于可單獨進行能源計量考核的用能單元(裝置、系統、工作、工序、工段等)，如果用能單元已配備了能源計量器具，用能單元中的主要用能設備可以不再單獨配備能源計量器具；② 對于集中管理同類用能設備的用能單元(鍋爐房、泵房等)，如果用能單元已配備了能源計量器具，用能單元中的主要用能設備可以不再單獨配備能源計量器具。

然而，對于軌道交通運營企業而言，上述標準中部分限值可能要求偏低，比如主要用能設備電力消耗量(功率)限定值為100 kW，而達到這個限值的主要設備只有站臺通風空調系統中的個別風機和一部分冷水機組。因此，建議軌道交通企業應在達到GB/T 17167標準的基礎上，結合自身實際情況，制定能源分類、分戶、分項計量模型，以及相應能源的配備率標準。

2.2.2 合理選用能源計量器具

根據GB/T 17167—2006的標準要求，能源計量器具的性能應滿足相應的生產工藝和使用環境(如溫度、溫度變化率、濕度、照明、振動、噪聲、粉塵、腐蝕、電磁干擾等)要求。對于軌道交通行業而言，地下環境較為復雜，各企業應在摸清自身安裝環境的基礎上選擇相應的計量器具。除此之外，能源管理系統所選用的計量器具還須能夠提供計量數據的輸出接口。

能源管理系統計量器具準確度等級要求不應低于表3的規定。

表3 用能單位能源計量器具準確度等級要求

表3中：1) 當計量器具是由傳感器(變送器)、二次儀表組成的測量裝置或系統時，表中給出的準確度等級應是裝置或系統的準確度等級。裝置或系統未明確給出其準確度等級時，可用傳感器與二次儀表的準確度按誤差合成方法合成;2) 運行中的電能計時裝置按其所計量電能的多少，將用戶分為Ⅴ類。Ⅰ類用戶為月平均用電量500萬kWh及以上或變壓器容量為10 000 kVA及以上的高壓計費用戶；Ⅱ類用戶為小于Ⅰ類用戶量(或變壓器容量)但月平均用電量為100萬kWh及以上或變壓器容量為2 000 kVA及以上的高壓計費用戶，Ⅲ類用戶為小于Ⅱ類用戶用電量(或變壓器容量)但月平均用電量10萬kWh及以上或變壓器容量為315 kVA及以上的計費用戶；Ⅳ類用戶為負荷容量為315 kVA以下的計費用戶；Ⅴ類用戶為單相供電的計費用戶。

2.3 系統的軟硬件設計原則

能源管理系統硬件總體設計原則應結合軌道交通行業的特點，充分考慮硬件設備防塵、防腐蝕、防潮、防霉、防振、抗電磁干擾和靜電干擾的能力，此外還需考慮企業的經濟承受能力，逐步完善。然而，對于運營時間較久遠的軌道交通運營企業，由于部分線路設計年代較早，并未統籌考慮過能源管理系統的設計問題，建議遵循“新線新辦法，老線老辦法”的原則，一方面敦促建設方在新線建設時統一考慮能源管理系統的設計及接入問題，另一方面對既有線路的能源計量情況進行梳理及分析，分批次區別對待不同時期開通的地鐵線路，爭取最大限度地統一新老線路能源管理系統的硬件設計原則。

系統軟件設計應基于成熟的軟件平臺，充分考慮按照用戶需求進行二次開發的問題，并提供必要的完善和升級空間。軟件平臺應基于開放系統軟件結構和實時數據技術開發，能夠協調并提供每一個功能模塊公用數據的訪問。

2.4 主要功能模塊設計

結合軌道交通行業特點，能源管理系統的主要業務需求包括以下方面。

1) 感知需求。通過對城市軌道交通的能源消耗進行實時監測得到相關傳感器的工作運行數據、能耗監測數據和圖像數據等。

2) 傳輸需求。是指采用無線通信網絡、有線通信網絡為系統數據傳輸過程提供遠傳通信信道。

3) 應用需求。城市軌道交通能源管理系統的設計與建設理念應深度挖掘能源消耗與機電設備特性、環境參數與客流特征的關系，充分利用軌道交通運營企業自身的數據庫，結合客流信息系統、設備管理系統等軟硬件設施，統籌考慮、資源共享。企業可以根據自身能源管理系統業務需求，逐步完善軌道交通能源管理系統功能模塊的設計工作。

2.4.1 能源數據采集系統模塊

能源數據采集系統模塊應能自動采集各類能源計量監測點的實時瞬時量和累計量，數據類別一般包括能耗數據以及能源質量瞬時數據，采集周期可以根據數據類別的不同在1 min～24 h范圍內浮動。采集數據項目應符合地方、行業以及企業自身能源統計和能源計量管理部門的要求。

2.4.2 采集數據傳輸、存儲、查詢系統模塊

結合軌道交通行業的特點，建議能源管理系統采用分布式數據采集和存儲結構，數據從下而上一般包括現場級數據采集設備、數據中轉站和企業級能源管理平臺。其中，根據數據傳輸、存儲及查詢的需求，數據中轉站可以由車站級管理子系統和(或)線路級管理子系統組成。

計量裝置和數據采集器之間應采用符合各相關行業標準的通信協議。對于電能表，參照行業標準DL/T 645—1997《多功能電表通信規約》執行。對于水表、燃氣表和熱(冷)量表，參照行業標準CJ/T 188—2004《用戶計量儀表數據傳輸技術條件》執行。支持Modbus開放式協議，參照國家標準GB/T 19582—2008《基于Modbus協議的工業自動化網絡規范》執行[6]。為確保數據在傳輸過程中的安全，上傳數據包可采用加密方式壓縮，加密口令可由上下級相關平臺約定。

結合企業自身能源管理需求，建議從數據的安全性、完整性和互為備份手段的角度合理考慮數據存儲的時效性和存儲成本。一般而言，建議數據采集器配置至少能存儲15 d能耗數據的專用存儲空間，企業級能源管理平臺中心服務器實時監控歷史數據一般要求保存不少于60 d。系統數據應具備定期備份和災難恢復機制，有條件者可實行數據異地備份。

2.4.3 企業能源管理輔助決策功能模塊

企業能源管理輔助決策功能是指運用數據匯總和計算分析方法按照系統設定的各種能耗定額指標和節能量化指標進行計算分析，并自動形成對比分析圖表和相關結果。當超過預定指標值時，系統應立即報警予以提示，以便企業能夠在第一時間發現能源消耗異常情況，及時糾正、改進并有效控制能源消耗和能源成本開支。企業能源管理輔助決策功能可以包括能耗監測與用能數據分析功能、節能考核監管功能、對標管理功能、節能潛力分析功能和節能預測預警功能等。

軌道交通運營企業應結合行業和企業自身實際情況，根據GB6422、GB16615、GB/T 17167、GB13234和GB15587[7-11]等與能源管理相關的國家標準，制定能耗指標體系，并通過實際測量、仿真以及統計方法為指標建立計算模型，逐步完善企業能源管理輔助決策功能模塊的設計過程。當采用統計方法時，統計周期不宜小于3年。

2.4.4 報表統計系統模塊

報表統計系統模塊功能是根據國家、地方、行業以及企業自身的管理需求，自動生成并導出能源管理工作所需表格，包含企業耗能設備表格、企業能源計量器具表格、能源消耗統計及分析報表、運營信息報表等。

3 標準編制建議

標準化是城市軌道交通能源管理系統在設計及建設中一項關鍵性的基礎工作。為確保系統建設達到預期目標，真正實現能源管理的規范化、信息化和科學化。結合近幾年國內能源管理系統設計及建設的實踐經驗建議：一方面盡快開展針對軌道交通行業的能源計量器具配備標準的編制工作，為軌道交通行業的能源管理系統的設計及建設工作提供有力的技術支撐；另一方面軌道交通運營企業應加強能源管理考核指標的制定工作，將能源管理工作與運營服務、設備管理等重要業務板塊關聯起來，進一步促進企業內部資源共享，整體提高企業能源管理效率。

[1] 鄭丹，石榮珺，許紅，等.節能減排標準化現狀及標準體系構建研究：以北京市市政市容系統為例[J].標準研究，2014，12(10)：25-28.

[2] 李永超.民用機場能源信息管理系統[D].北京：北京交通大學，2010.

[3] 徐軍庫.綠色機場建設與智能建筑[J].智能建筑與城市信息，2008，139(6):18-20.

[4] 張開波.長大坡道區間牽引網上下行并聯供電的探討[J].都市快軌交通，2015，28(4):75-79.

[5] 王月仙.關于動車組列車能耗影響因素的研究[J].鐵道運輸與經濟，2016，38(6)：84-89.

[6] 用能單位能源計量器具配備和管理通則：GB/T 17167—2006[S].北京：中國標準出版社，2007.

[7] 基于Modbus協議的工業自動化網絡規范：GB/T 19582—2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[8] 用能設備能量測試導則：GB/T 6422—2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[9] 企業能量平衡表編制方法：GB/T 16615—1996[S].北京： 中國標準出版社，1996.

[10] 企業節能量計算方法：GB/T 13234—2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[11] 工業企業能源管理導則：GB/T 15587—2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

(編輯：郝京紅)

Preliminary Study on Standard of Energy Management System for Urban Rail Transit

Yuan Ruocen1Li Jinlong2Peng Xiumei3Wang Qunjun4Pi Yannan1

(1. Beijing Mass Transit Operation Technology Center, Beijing 102208;2. Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037;3. Beijing Mass Transit Railway Operation Co., Ltd., Beijing 100044;4. Jiangsu Lianhong Automation Co., Ltd., Nanjing 210046)

This paper analyzes and compares both domestic and international energy management systems at first. Then, considering the actual situation of urban rail transit energy management, the framework standards of energy management for urban rail transit is proposed from 4 perspectives, which are the hardware and software design principles, the principles for choosing monitoring points for energy measurement, the configuration requirements for energy measurement meters, and the main design for functions and modules. Finally, this paper points out that the enterprises should pay greater attention to the use of energy measurement meters and conducting self-examination of energy management so as to establish better standards.

urban rail transit; energy management system; standard; framework design

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.017

2015-11-14

2015-11-26

袁若岑，女，工程碩士，工程師，主要從事軌道交通安全與環境方向研究工作，490034458@qq.com

U231

A

1672-6073(2016)04-0075-06