能耗監測管理系統在軌道交通中的應用

楊超華

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,201103,上海∥工程師)

能耗監測管理系統在軌道交通中的應用

楊超華

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,201103,上海∥工程師)

能耗監測管理系統可以為城市軌道交通節能管理工作提供強大的數據支持,并逐步在國內城市軌道交通中得到廣泛應用。介紹了智能表計集中設置時的設置方案;根據能耗監測管理系統的基本架構,分別闡述了其站級、線路級及網絡級系統的功能、設置位置及組成;分析了能耗監測管理系統的總體功能及應用效果。

城市軌道交通; 節能; 能耗監測與管理系統

Author′s address Shanghai Shentong Metro Research & Consultancy Co.,Ltd,201103,Shanghai,China

隨著城市軌道交通線網規模的不斷擴大，其用電量也逐年增長。如2014年上海軌道交通總用電量已經達到15億kWh。只有加快能耗監測管理系統的建設,并進一步完善系統相關功能的開發,并以此來替代人工統計工作,才能適應軌道交通網絡化發展的趨勢,充分發揮能源管理信息化帶來的成果。

1 城市軌道交通能源消費結構及供應方式

城市軌道交通主要消耗的是電能。電能消耗約占能源消耗總量的99%左右。城市軌道交通消耗的電能主要由牽引能耗和動力照明能耗兩部分構成。牽引能耗主要是列車在運行過程中消耗的電能;動力照明能耗則是車站機電設備在運營過程中消耗的電能。地下線路和地上線路的牽引能耗分別約占總用電量的50%～60%和60%～70%;地下線路和地上線路的動力及照明能耗分別約占總用電量的40%～50%和30%～40%。地下線路的能源消耗結構如圖1所示。

圖1 城市軌道交通地下線路能源消費結構示意圖

城市軌道交通供電系統一般采用集中供電方式,主要由主變電所、中壓網絡、牽引變電所、降壓變電所、接觸網等組成。主變電所從城市電網獲取兩路獨立電源;然后,將獨立電源降壓后,通過AC 35 kV中壓網絡傳輸給牽引變電所及降壓變電所。其中,牽引變電所將AC 35 kV電能轉換成DC 1 500 V電能后通過接觸網為列車供電;降壓變電所將35 kV電能降壓成400 V電能后為車站機電設備供電。城市軌道交通能源供應方式如圖2所示。鑒于城市軌道交通以電能消耗為主,并且一般采用集中供電方式,故能耗監測管理系統可以依托供電系統的架構來建設。

2 智能表計設置方案

智能表計是能耗監測管理系統的重要終端設

圖2 城市軌道交通能源供應方式示意圖

備。其設置方案均與能耗監測管理系統的監測管理范圍等密切相關。整個系統依托供電系統的架構來建設,如果智能表計分散設置于各設備終端,則建設投資巨大,維護管理也有諸多不便。故智能表計可以集中設置于各變電所內。這樣不僅能實現對列車牽引能耗數據及車站各主要機電系統的動力、照明能耗數據的采集,也規避了上述缺點。

2.1 變電所設置

(1) 為統計整條線路的能耗數據,且在主變電所共享情況下區分本線路能耗與其他線路能耗,一般在主變電所35 kV進線及向其它線路供電的饋線回路設置智能表計。

(2) 為統計整條線路的牽引能耗,一般在牽引變電所35 kV開關至整流變壓器饋線回路設置智能表計。

(3) 為統計各個車站的動力及照明能耗,一般在降壓變電所或跟隨變電所的35 kV開關至配電變壓器饋線回路設置智能表計。

2.2 車站設置

(1) 由于地下車站的通風空調系統、照明系統以及自動扶梯所消耗的電能約占車站動力及照明能耗的70%～80%。故在降壓變電所的通風空調系統用電回路、冷水機組用電回路、照明用電回路及自動扶梯用電回路設置智能表計。其中，若照明回路設有集中母線,則只需在總開關回路集中設置智能表計。

(2) 由于城市軌道交通一般會設置UPS(不間斷電源)整合系統，為除了信號系統以外的弱電系統供電，故為了統計車站弱電系統的能耗數據,一般只需在降壓變電所的UPS整合系統用電回路設置智能表計。

(3) 為實現對非軌道交通用電的監測,一般在降壓變電所的三類負荷總開關回路及商業用電回路等設置智能表計。

(4) 對于不經常使用的用電回路或僅在事故或火災狀態下使用的用電回路則不考慮設置智能表計,如維修電源、防淹門、消防設備等。

2.3 車輛基地設置

車輛基地低壓用電負荷點比較分散,可根據車輛基地的規模及功能要求按建筑實體配置智能表計。

3 能耗監測管理系統的基本架構

為適應城市軌道交通網絡劃發展的需求,能耗監測管理系統推薦采用站級、線路級及網絡級三級架構(如圖3所示)。其中,站級系統設置于車站變電所內;線路級系統設置于OCC(運行控制中心)內;網絡級系統設置于COCC(線網指揮中心)附近。這樣的架構與城市軌道交通供電系統、通信系統及其他監控系統的架構基本相似,便于實現設備用房、電源,以及數據傳輸通道等資源的共享。

3.1 站級系統

站級系統是能耗監測管理系統與智能表計之間的重要紐帶。站級系統一般設置于各車站、控制中心及車輛基地的變電所控制室內,并由直流電源屏或交流電源屏提供電源。站級能耗監測管理系統一般選用工業控制計算機作為主設備。由于降壓變電所內一般會預留一定比例的備用回路,故站級系統也需要為將來新增智能表計的接入預留一定接口與容量。

3.2 線路級系統

線路級系統是本線路能耗數據的匯聚點,也是站級系統與網絡級系統之間的重要紐帶。線路級系統一般設置于本線路的OCC內,并由UPS提供電源。線路級系統主要由通信服務器、數據庫服務器、維護工作站,以及交換機、防火墻等設備組成。由于其他監控系統一般也會將其中央級系統設置于OCC內,故線路級系統還需為其他系統數據的接入預留一定接口與容量。

圖3 城市軌道交通能耗監測管理系統架構示意圖

3.3 網絡級系統

設置網絡級系統可使能耗監測管理系統更好地適應城市軌道交通網絡化發展的需求。網絡級能耗監測管理系統一般設置于COCC附近。網絡級系統主要由通信服務器、數據庫服務器、WEB服務器、維護工作站,以及交換機、正反向隔離裝置、防火墻等設備組成。為提高整個系統的可靠性,數據庫服務器及通信服務器應考慮冗余設置。

4 能耗監測管理系統的功能分析

由于能耗監測管理系統的用戶數量多而分散,并且隨著新線的接入系統需要不斷升級;故系統一般采用瀏覽器和服務器架構。這樣客戶端可以不用安裝任何軟件,只要通過瀏覽器就可以訪問系統。除此之外,根據日常節能管理工作的經驗,能耗監測管理系統至少應具備以下功能:

(1) 故障報警功能。能耗監測管理系統的設備眾多,為減少日常維護工作量,系統本身應對設備狀態進行監視與報警,并能精確定位故障范圍,如是工控機故障還是智能表計故障;還能區分故障類型,如是通信故障還是設備故障。

(2) 歷史數據查詢功能。能耗監測管理系統存儲了各條線路、各個車站的各種類型的能耗數據,如電壓、電流、功率、功率因數、電量等。系統本身應具備完善的模糊查詢功能,可以根據時間、線路、車站查詢用戶所需要的數據。

(3) 數據對比功能。日常節能管理工作經常涉及線路、車站、系統之間能耗數據的對比分析,故能耗監測管理系統還應具備線路、車站等的相同數據類型之間的對比分析功能。

(4) 負荷率統計功能。城市軌道交通動力變壓器容量的選擇一直是困擾設計的難題。目前,國內城市軌道交通動力變壓器的容量往往偏大,負荷率一般僅在30%左右。通過能耗監測管理系統可以很方便地實現對變壓器負荷率的統計,實際負荷率數據將對城市軌道交通動力變壓器容量的選擇起到重要的參考作用。

(5) 報表功能。日常節能管理工作具有一定的周期性,能耗監測管理系統應根據節能工作的需要定期自動生成網絡、線路、車站的年、月、日能耗統計報表。

(6) 維護功能。系統還應提供日常維護工具,用于編輯公式、定義信息點等,避免工作人員直接對數據庫進行操作。

5 能耗監測管理系統的應用效果

能耗監測管理系統的建立可實現城市軌道交通能源管理信息化的目標,為日常節能管理工作的有序開展提供數據支持與保障。

(1) 工作人員可通過能耗監測管理系統驗證節能技術應用效果,避免盲目加裝節能裝置。以上海軌道交通某車站為例,該車站進行了照明節能改造,通過能耗監測管理系統可以發現節能改造后相比節能改造前該車站的負荷電流有明顯下降(如圖4、圖5所示),節能效果較顯著。

圖4 某車站1號動力變電站節能改造某月前負荷電流

圖5 某車站1號動力變電站節能改造后某月負荷電流

(2) 能耗監測管理系統能幫助工作人員及時發現并糾正不合理的用電行為,使能耗得到及時而有效的控制。一般情況下車站照明等設備在非運營時段均應關閉,故此時的用電回路的負荷電流較運營時段應有明顯下降(如圖6所示)。

圖6 某車站照明回路日負荷電流正常曲線

若非運營時段的負荷電流較運營時段無明顯下降(如圖7所示),則此時工作人員就可通過本系統及時發現并糾正不合理的用電行為,使能耗得到及時而有效的控制。

圖7 某車站照明回路日負荷電流異常曲線

6 結語

由站級、線級、網級三級架構組成的能耗監測管理系統基本實現了城市軌道交通能源管理信息化的需求。隨著對城市軌道交通能耗指標體系的深入研究,該系統將能耗數據與運營數據相結合形成能耗指標(如客流量能耗指標、車輛周轉量指標及客運周轉量指標等)。這對于日常節能管理工作有很大的幫助。如何將信號系統的行車信息、自動售檢票系統的客流信息、環境與設備監控系統的車站環境信息安全地接入能耗監測管理系統之中,將成為能耗監測管理系統下一步研究發展的方向。

[1] 上海申通地鐵集團有限公司.軌道交通能耗監測管理系統建設指導意見[R].上海:上海申通地鐵集團有限公司,2012.

[2] 王曉保.城市軌道交通系統節能措施及能耗評價體系分析[C]∥上海申通軌道交通研究咨詢有限公司.城市軌道交通網絡化探索與實踐論文集.北京:人民交通出版社,2010:69-75.

Application of Energy Consumption Monitoring & Management System in Rail Transit

YANG Chaohua

The energy consumption monitoring & management system provides a powerful data support to the management of energy conservation in rail transit,and has been widely applied in urbanl rail transit in China.An allocation scheme of smart indicators is introduced,based on the basic structure of energy consumption monitoring & management system,the architecture,functional requirements and effect of the smart indicators installed on different levels are described,the overall functions and application effect of the system are analyzed.

urban rail transit; energy saving; energy consumption monitoring and management system

TK 012:U231

10.16037/j.1007-869x.2016.12.028

2015-12-13)