天津濱海新區(qū)軌道交通電能管理系統(tǒng)研究

張 健，左 燕

（1.天津濱海新區(qū)軌道交通投資發(fā)展有限公司，天津 300457；2.中鐵六院集團公司電氣化設(shè)計院分公司，天津 300250）

0 引言

截至2018 年年底，國內(nèi)已經(jīng)有35 個城市共開通運營5761.4 km 的城市軌道交通線路。城市軌道交通車輛運行及各設(shè)備系統(tǒng)均采用電能，隨著更多的城市軌道交通項目建設(shè)，如何節(jié)約電能是一個非常重要的研究課題。目前廣州、杭州、南京等一些城市的軌道交通項目通過設(shè)置多功能電表計量各用電設(shè)備的用電情況，通過電能管理軟件分析能耗情況提出相應節(jié)能方案，并獲得了明顯節(jié)能效益，但在實施和運營中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。國家發(fā)改委《發(fā)改基礎(chǔ)【2015】2098 號》文批復天津濱海新區(qū)建設(shè)B1、Z2、Z4 線3 個軌道交通項目，3 個項目均設(shè)置了電能管理系統(tǒng)。本文針對目前已經(jīng)實施的電能管理系統(tǒng)中存在的缺陷和問題，研究解決方案，提出了適合天津濱海新區(qū)軌道交通建設(shè)的電能管理系統(tǒng)方案和實施方案。希望為天津濱海新區(qū)后續(xù)建設(shè)項目以及其他城市電能管理系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

1 已經(jīng)實施的電能管理系統(tǒng)存在的問題

1.1 表計的配置數(shù)量不足、精度不夠

電能計量器具配備率偏低，對能源系統(tǒng)的計量覆蓋范圍不到位，不能完整、準確反映電能系統(tǒng)的分類、分項、分戶能耗信息，不滿足電能的供給與使用包括損耗的平衡分析條件。表計精度不夠，無法滿足電能分析對比的要求。

1.2 缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，各個項目數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一

一個城市各個項目的電能管理系統(tǒng)建設(shè)缺乏總體規(guī)劃，建設(shè)時每個項目的數(shù)據(jù)格式標準不一致，并且信息采集的間隔、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)交換格式與表達方式呈現(xiàn)多樣化特征，導致互聯(lián)互通信息存在交互問題，對后續(xù)建立該城市線網(wǎng)級的電能管理系統(tǒng)形成了巨大的障礙[1]。

1.3 系統(tǒng)組網(wǎng)方案與招標實施方案不科學

電能管理系統(tǒng)與供電系統(tǒng)開關(guān)柜設(shè)備、電力監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)存在接口。根據(jù)電能管理系統(tǒng)與上面幾個系統(tǒng)的關(guān)系以及如何接入骨干網(wǎng)，可以設(shè)置不同的組網(wǎng)方案和打包方案。如果組網(wǎng)方案或者打包方案不合理，會導致接口過多，并且無法充分發(fā)揮專業(yè)電能管理系統(tǒng)廠家的作用。

1.4 重監(jiān)測、輕應用

目前實施的電能管理系統(tǒng)更多在于采集數(shù)據(jù)，采集以后的數(shù)據(jù)應用到設(shè)備控制形成的節(jié)能措施較少。

2 濱海新區(qū)軌道交通電能管理系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

電能管理系統(tǒng)由線路級電能管理系統(tǒng)、站級電能采集系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡通道組成（圖1）。

線路級電能管理系統(tǒng)設(shè)在控制中心，對全線的車站、場段、主變電所等區(qū)域所消耗電能進行分類計量和在線監(jiān)測。同時建立針對能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比及用能設(shè)備系統(tǒng)實時用能狀態(tài)的集中監(jiān)管平臺，實現(xiàn)對地鐵線路能耗監(jiān)測、用能監(jiān)管和節(jié)能管理3 個層面的管理應用[2]。

站級電能采集系統(tǒng)由監(jiān)控工作站（含主機、顯示器等）、通信控制器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機以及相關(guān)附件等構(gòu)成。站級電能采集系統(tǒng)是監(jiān)測、分析站點供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的工具，通過采集智能監(jiān)測儀表的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對站點供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù)測量、監(jiān)測分析和計量管理等功能。

2.2 組網(wǎng)方案比選

電能管理系統(tǒng)有以下3 種組網(wǎng)方案：第一種是電能管理獨立自成系統(tǒng)；第二種是集成到電力監(jiān)控系統(tǒng)；第三種是集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)。這3 種方案的對比詳見表1。

天津濱海新區(qū)軌道交通項目均設(shè)計了綜合監(jiān)控系統(tǒng)，電力監(jiān)控系統(tǒng)也深度集成到了綜合監(jiān)控系統(tǒng)。綜合考慮系統(tǒng)接口、后續(xù)調(diào)試，采用電能管理系統(tǒng)線路級和站級（除測量電表）集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)，測量電表與開關(guān)柜合并打包，最大限度減少接口。為解決綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商做電能管理系統(tǒng)不專業(yè)問題，招標時通過設(shè)置電能管理系統(tǒng)業(yè)績門檻的方式，要求綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商對電能管理系統(tǒng)二次招標，招標專業(yè)的電能管理系統(tǒng)廠家輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商。

2.3 測量表計的設(shè)置原則

（1）確保采集全覆蓋。具體表計設(shè)置如下：

①車站變電所：進線總開關(guān)、三級負荷總開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)；照明總開關(guān)、電扶梯饋線回路、環(huán)控設(shè)備饋線回路、廣告照明饋線回路、公安通信回路、公眾通信回路、商業(yè)預留回路、信號回路、站臺門回路；

圖1 電能管理系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成

表1 組網(wǎng)方案對比表

②車站環(huán)控電控柜：空調(diào)機組、各類風機、冷水機組、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔風機等；

③車站弱電綜合UPS：弱電綜合UPS 出線側(cè)各弱電系統(tǒng)回路；

④車輛段：各單體建筑總配電柜空調(diào)、照明、工藝檢修等分類負荷；

⑤主變電所：總配電箱進線回路[3]。

該設(shè)置原則覆蓋了各用電設(shè)備系統(tǒng)，并且分類分項分戶測量，便于統(tǒng)計對比分析。

（2）根據(jù)不同回路測試要求的不同，差異化設(shè)置測量表計，降低建設(shè)成本。在35 kV 電壓等級測量回路和對外商業(yè)單獨計量收費的回路采用0.2S 精度的表計，其他回路采用0.5S 精度的表計。在滿足統(tǒng)計分析精度的前提下，盡量降低建設(shè)成本。

（3）盡量采用多回路測量儀表，降低建設(shè)成本。目前大部分城市項目的測量方案為一個回路裝設(shè)一個測量儀表，因為測量覆蓋面廣，一般一個項目需要裝設(shè)2000 多塊表計。眾多表計本身就是一個比較大的建設(shè)成本，并且因為表計需要裝設(shè)在開關(guān)柜、環(huán)控柜、總配柜里面，導致占用柜子很大的空間，也間接增加了成本。如果采用多回路測量儀表，單塊表計可以串接多個測量模塊，距離較遠時還可以加裝中繼器擴大單塊表計的測量回路范圍（圖2）。在保證同樣的測量覆蓋范圍的情況下，可以減少表計的數(shù)量，大大降低建設(shè)成本。

（4）每個項目采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分類分項模型。濱海新區(qū)3 個城市軌道交通建設(shè)項目雖然時序不同，但是在建設(shè)第一個項目時就要站在整個線網(wǎng)的高度，統(tǒng)一各個項目的數(shù)據(jù)模型，為后續(xù)不同線路的數(shù)據(jù)進行對比分析奠定基礎(chǔ)，也為后續(xù)建設(shè)線網(wǎng)級的電能管理系統(tǒng)做好鋪墊。

圖2 多回路測量儀表原理

2.4 集成通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)

通風空調(diào)系統(tǒng)是各設(shè)備系統(tǒng)除車輛外用電最多的系統(tǒng)，一般約占整個用電量的25%～30%，通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能是電能管理節(jié)能的重點。通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)以整個空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能為目標（冷水機組+冷凍泵+冷卻泵+冷卻塔+空調(diào)末端），綜合考慮各設(shè)備之間耦合關(guān)系和相互影響，在不同室外狀況以及系統(tǒng)負荷下，實時動態(tài)尋找空調(diào)系統(tǒng)運行的最佳能效控制參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)全局優(yōu)化控制。電能管理系統(tǒng)集成了空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)，通過電能管理系統(tǒng)電表所測數(shù)據(jù)，可以準確查看空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)節(jié)省的電量，評價空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能效果[4]。

2.5 集成照明節(jié)能控制系統(tǒng)

低壓照明系統(tǒng)也是節(jié)能的一個重點，照明控制系統(tǒng)在車站區(qū)域增加調(diào)光控制器，人流量傳感器，通過傳感器配合電能管理系統(tǒng)進行照明控制。利用專業(yè)電能管理系統(tǒng)廠家技術(shù)優(yōu)勢，通過研究車站客流模式、運營模式（分季節(jié)和高峰時段）等數(shù)據(jù)進行挖掘，實現(xiàn)低壓照明設(shè)備的智能、精細控制，達到照明節(jié)能的目的。

3 結(jié)論

濱海新區(qū)城市軌道交通電能管理系統(tǒng)方案，充分借鑒了已經(jīng)實施該系統(tǒng)的城市的經(jīng)驗，避免了它們的不足：既保證了測量數(shù)據(jù)全覆蓋，又有效地控制了成本；既減少電能管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口，又能充分發(fā)揮電能管理系統(tǒng)專業(yè)廠家的優(yōu)勢。從第一個項目實施時就統(tǒng)一各個項目的數(shù)據(jù)格式標準，為后續(xù)建立線網(wǎng)級的電能管理系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。同時，集成通風空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)和照明節(jié)能系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)監(jiān)測與節(jié)能控制聯(lián)動方面也做了探索和嘗試。