南京地鐵線網能源管理中心

黃明才，方漫然

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南京地鐵線網能源管理中心

黃明才，方漫然

（南京地鐵運營有限責任公司，南京 210012）

南京地鐵線網化運營后，根據現有運營線路能源管理系統情況，規劃建立了車站級、線路級和線網中心級3級的企業能源管理系統架構，以實現企業能源科學化管理和分析。線網能源管理中心建設首先要統一能耗數據模型，選擇接入系統的能耗參數，確定中心級和線路級之間的通信協議和數據接入方案。線網能源管理中心系統硬件主要是服務器和存儲設備，系統軟件設計為一個分層、分布的大型系統，采用6層架構設計、規劃了5個功能模塊、配置了3類服務器，實現了數據查詢、統計分析、限額管理、定額管理和用能指標管理等多項功能，提高了南京地鐵能源精細化管理水平。

城市軌道交通；地鐵線網；能管中心；能源管理

地鐵具有耗電量大、運行成本高的行業特點，能源消費是地鐵運營成本的一項主要支出。隨著南京軌道交通線網的迅速擴展，3號線、10號線、S1機場線、S8寧天線陸續投入運營，南京地鐵能耗飛速增長，2015年電耗達到4.288 8×108kW·h。為了提高企業節能減排效率，南京地鐵先后完成了1、2號線能源管理系統的建設工作，并在新線同步建設了能源管理系統。但是由于設計及招標等方面的原因，各線能源管理系統由不同的承包商承建，所采用的系統硬件與軟件差異較大，在表計設置、能管軟件界面、系統功能、能耗報表等各個方面存在較大差異。

隨著運營能源管理工作的深入，考慮后續線路能源管理系統的增加，需要合理規劃企業能源管理系統架構，全面監測運營能源消耗情況，實現能源科學化管理和分析，決定建設線網能源管理中心。

1 總體架構

南京地鐵能源管理系統總體架構設計由車站級、線路級和線網中心級3級結構組成。車站級主要設備為數據采集器、多功能電表等，負責具體用電回路參數的采集、存儲及上傳。線路級主要設備為數據服務器、web服務器和工作站，通過運行能管軟件可實時顯示系統所有電表運行狀態及參數，查詢服務器歷史數據，進行統計、分析，生成各類能耗報表[1]。線網中心級主要進行線網各線能耗數據的統計、分析，對整個公司的用電進行全面管理[2]。車站級、線路級已經在各個線路建設完成，本項目重點是線網中心級平臺的設計和建設，總體架構如圖1所示。

圖1 能源管理系統總體架構

2 平臺建設基礎

線網能源管理中心平臺需將現運營的1號線、2號線、3號線、10號線、S1機場線、S8寧天線6條線路能源數據接入，并留有足夠的空間接入后續線路的能源數據。系統在建設前需要統一能耗分類、分項及分戶模型，明確傳輸協議、傳輸參數選擇和數據接入方案。

2.1 能耗分類、分項及分戶模型

在進行線網能源管理中心建設時，首先要統一各線的能耗數據模型，并要求所有線路進行統一應用，從而在分項與分項、車站與車站、線路與線路之間進行比較分析。根據南京地鐵的實際能耗以及用能設備的組成情況，按照地鐵能源管理要求，統一能耗分類、分項及分戶模型[3]。

2.2 線網平臺接入參數選擇

目前各個線路都采用多功能計量表，可采集包括功率、電流、電壓、功率因數等20多個參數，初步統計現有6線的表計超過1萬只。考慮到后續線路的陸續接入，最終接入表計要超過4萬只，各個線路關系約1 000條，地鐵全線的線路關系約1.7萬條。每個采集頻次下，變量、線路關系都在數據庫中產生1條記錄，約占用25B空間。采集頻次設定為10 min，即每個變量、關系每天產生144條記錄。按上述數據估算，每增加1個變量每年需要53 GB的存儲空間。因此線網能源管理中心平臺需要控制接入參數的數量，根據日常工作經驗，線網能源管理中心平臺主要針對能耗進行分析，所以采用最簡方式：只接入線路各類能耗有功功率和實時負荷，其他參數不上傳線網平臺，需要在線路能源管理系統上查詢、分析。

2.3 線網平臺與線路系統的通信協議

各個線路能源管理系統不同，后續線路能源管理系統也會存在差別，線網能源管理中心平臺與線路能源管理系統需要建立統一的通信協議[4]，本項目中各線路能源管理系統與中心平臺之間采用TCP 連接方式進行交互，默認端口為9999（端口可配置）。有效數據內容為經過AES（128 位）加密后的XML數據，包括站點信息、表計信息及變量信息，傳輸頻率為10 min，子站每隔10 min向主站傳輸1次數據，數據的間隔時間也為10 min。

2.4 數據接入方案

各個線路能源管理系統服務器都放置在相應線路的調度中心，地理位置較遠，尚無專網連接，但是線路能源管理系統軟件普遍采用B/S架構，通過web服務器接入公司OA網絡，所以本項目中線網能源管理中心平臺與線路能源管理系統之間通過企業OA網絡連接，兩者之間的數據接入采用數據庫層接入方案，設立中間數據庫，由線路能源管理系統按照約定格式，將數據實時存放入中間數據庫中。線網級能源管理平臺訪問中間數據庫獲取數據。方案如圖2所示。

圖2 數據庫層采集方案

使用該方案由線網能源管理中心平臺負責設計中間數據庫結構、部署中間數據庫服務器、開發和部署數據采集程序，線路能源管理系統只需開發、部署數據錄入程序，雙方工作范圍明確，對運維中出現的各項問題能及時定位和處理，工作效率高。

3 系統建設

線網能源管理中心平臺硬件設備比較簡單，主要設備是服務器、光纖交換機和光纖存儲設備[5]。平臺軟件是項目的重點，設計為一個分層、分布的大型系統，采用系統門戶、應用層、服務層、數據層、數據服務總線、數據采集中心6層架構設計（見圖3），規劃用能監測、統計分析、能效評估及輔助決策、用能安全管理等5個主模塊，配置了實時數據庫、運營數據庫、業務數據庫3類數據庫，保證了系統的可靠性及可擴展性。

4 平臺主要功能

線網能源管理中心平臺采用B/S架構，具有圖形化的全中文人機界面、模塊化結構、易于使用、配置靈活、操作便捷、人機交互簡單清晰，便于擴展等特點，可直觀查詢各線路及各站點能耗數據，并支持各線路、各站點能耗橫向對比，以及展示各類統計報表。

線網能源管理中心軟件界面包含首頁、數據查詢、統計指標等多個模塊，除了線路級能源管理系統具備的基本功能外，還結合南京地鐵能源管理工作實際增加了部分功能。其中首頁概覽以區域化面板顯示南京地鐵總體用能情況；數據查詢模塊用于實時查詢各用能站點用電數據；統計指標模塊主要用于橫向對比各線路、各站點能耗數據，并提供諸多報表配合展示[6]；定額管理模塊可以用于設定用能線路或站點的年、月能耗定額，支持計劃用量與實際用量對比，以及計劃費用與實際費用對比，使得用戶對用能額度了然于胸[7]。主要特色功能介紹如下。

4.1 數據查詢

線網能源管理中心平臺主要是針對線路、站點及各能耗類別的查詢，為了實現快速查詢，系統設置了分戶樹和分項樹，在分戶樹中可選擇線路、站點、基地和區間，分項樹則是按照統一制定的分項規則，選擇動力照明和牽引用電，并可在動力照明用電下繼續細分照明、通風空調、動力、特殊等分項，也可繼續往下分項。再結合時段的選擇，可快速實現站點與分項能耗和負荷的查詢顯示，如圖4所示。

圖3 線網能源管理中心平臺軟件架構

圖4 數據查詢

4.2 限額報警

通過制定異常用能規則，系統定時監測站點用能是否達到設定閾值，超過設定時將進行報警[8]。異常用能規則條件設定為兩類，一類為匯總用能，另一類是上漲百分比，選擇監控時間段內用能上限閾值，可選擇上周、上月、去年同期的匯總用能與同期比較，可以單獨設置上限值，也可單獨設置上漲百分比，或者使用兩者結合方式，滿足其中一個條件則進行報警顯示，如圖5所示。

圖5 限額報警規則制定

通過該功能可對關鍵表計和關鍵用能設備進行限額管理，出現報警及時進行干預，現場核查表計，從而發現用能異常。

4.3 定額管理

該模塊主要結合南京地鐵車站能耗定額管理工作，用于設置車站能耗定額，查看實際用能與定額用能的差距，對發生超額用電的車站進行分析，對車站用能定額管理工作執行情況進行監督。在“能源目標管理編輯”中編輯車站每月定額指標，在實際運行中，與實際用電量約定額指標進行比較，如圖6所示，計劃用量以曲線顯示，實際用量以柱狀展示，兩者對比清晰，對于實際值大于設定值，代表超出定額，以紅色柱體標識；實際值小于設定值，代表節能，以藍色柱體標識。圖形下方以表格形式顯示實際值與設定值，系統計算實際值與設定值間的差額，實際值大于設定值的數值以紅色字體標識。

圖6 定額管理顯示界面

4.4 用能指標管理

南京地鐵建立了9個用能指標，分別為單位建筑面積動力電耗、單位建筑面積照明電耗、單位建筑面積空調電耗、每車公里牽引電耗、每乘次牽引電耗、每乘次動力電耗、每人公里牽引電耗、每人公里動力電耗、每人公里總電耗[9]。能管中心軟件平臺目前主要通過計算導出這些指標值，通過同比和環比的分析，對指標異常的線路、車站、分項，結合現場實際檢查，提出整改措施。后續準備進行能耗大數據的聚類研究，建立符合南京地鐵的用能指標體系[10]。

5 結語

南京地鐵線網能源管理中心平臺已經建成使用，目前可查詢、分析1號線、2號線、3號線、10號線、S1機場線、S8寧天線6條線路的能源數據，從而方便地實現了分項與分項、車站與車站、線路與線路之間能耗的比較分析、車站能耗定額管理、關鍵用能設備的限額報警等功能，為能源管理人員進行能耗管理提供極大的幫助。后續隨著新建線路能耗數據的接入，各線能耗數據的積累，能耗數據挖掘方法的完善，對南京地鐵能源管理工作將發揮更大的作用。

[] 黃明才, 李廣剛. 南京地鐵1號線能源監管系統[J]. 都市快軌交通, 2011, 24(3): 95-98.HUANG Mingcai, LI Guanggang. Energy management system of Nanjing metro line 1[J]. Urban rapid rail transit, 2011, 24(3): 95-98.

[2] 蔡月忠. 企業能源中心(能源管理系統(EMS))簡論[C]//江蘇省計量測試學術論文集(2011). 2011-12-01.

[3] 城市軌道交通能源管理系統技術規程: DG J32/TJ 132—2011[S]. 南京: 江蘇科技技術出版社, 2012. Technical code for energy management system of urban rail transit: DGJ 32/TJ 132—2011[S]. Nanjing: Jiangsu Science and Technology Publishing House, 2012.

[4] 聶秋平, 吳敏, 張超, 等. 鋼鐵企業能源中心系統設計[J]. 控制工程, 2011, 18(3): 424-428. NIE Qiuping, WU Min, ZHANG Chao, et al. Design of energy center system for an iron and steel enterprise[J]. Control engineering of China, 2011, 18(3): 424-428.

[5] 南京地鐵運營有限責任公司. 南京地鐵線網級能源管理平臺招標文件[A]. 南京, 2014.

[6] 王凱. 大型鋼廠能耗數據實時監測及查詢系統[D]. 北京: 北京交通大學, 2008. WANG Kai. The real-time detecting and querying system for energy consuming data in large steel plant[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2008.

[7] 周智勇. 建筑能耗定額的理論與實證研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2010. ZHOU Zhiyong. Theoretical and empirical research on building energy consumption quota[D]. Chongqing: Chong-qing University, 2010.

[8] 楊雪. 空氣質量自動監控系統構建設想[J]. 科技信息, 2013(17): 454.

[9] 城市軌道交通路網運營指標體系: DB 11/T 814—2011[S]. 北京: 北京市軌道交通指揮中心, 2011. Operational index system of urban rail transit network: DB 11/T 814—2011[S]. Beijing: Beijing Rail Transit Com-mand Center, 2011.

[0] 南京地鐵運營有限責任公司. 南京地鐵能耗大數據和環控節能關鍵技術研究招標文件[A]. 南京, 2015.

（編輯：曹雪明）

The Energy Management Center of the Nanjing Metro Network

HUANG Mingcai, FANG Manran

(Nanjing Metro Operation Limited Liability Company, Nanjing 210012)

After the Nanjing metro line achieved network operation, we, according to the existing operating line energy management system, planned the establishment of a three-level (station-level, line-level, and network-center-level) enterprise energy management system architecture to analyze and improve enterprise energy management. The construction of the network energy management center should first unify the energy consumption data model, select the energy consumption parameters of the access system, and determine the communication protocol and data access scheme between the center level and the line level. The system hardware is mainly a server and storage device. The system software is designed as a hierarchical and distributed large-scale system. It adopts a six-layer architecture design; plans five function modules; configures three types of servers; and implements the data query, statistical analysis, quota management, and energy management indicators, among many other functions, to meticulously improve the Nanjing metro energy management level.

urban railway; metro network; energy management center; energy management

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.022

U231

A

1672-6073(2018)04-0114-05

2017-07-14

2017-09-07

黃明才，男，雙學士學位，工程師，從事地鐵能源管理及節能技術研究應用方面的工作，37856867@qq.com