地鐵電氣火災監控與能源管理系統融合設計研究

喻 奇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 430063， 武漢∥高級工程師)

為實現國家節能減排的戰略，推動地鐵行業節能降耗，提升用能效率，降低運營成本，各地紛紛增設地鐵能源管理系統[1]。地鐵運營消耗的能源通常包括電、水、燃氣、燃油等，其中絕大部分為電能的消耗，因此地鐵能源管理系統的重中之重即電能管理。

依據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018版)的規定：城市軌道交通車站屬于室外消防用水量大于25 L/s的其他公共建筑，其非消防用電負荷宜設置電氣火災監控系統[2]。JGJ 243—2011《交通建筑電氣設計規范》也規定，城市軌道交通地下車站應設置電氣火災監控系統[3]。

地鐵電能管理系統相關底層數據的采集涉及的設備包含中壓開關柜、低壓開關柜、環控柜或配電柜，而電氣火災監控系統相關底層數據采集涉及的設備包括低壓開關柜、環控柜或配電柜。由此可見，地鐵電氣火災監控系統涉及的底層設備包含在能源管理系統涉及的底層設備范圍內。電氣火災監控系統的功能在于對電氣火災進行預警[4]，其系統可靠性要求與能源管理系統基本相同，因而在工程設計中將電氣火災監控系統融入能源管理系統具備可行性。本文擬研究兩系統的融合設計方案。

1 電氣火災監控方案簡介

1.1 電氣火災監控系統的構成

按照國家標準GB 50116—2013《火災自動報警系統設計規范》第9.1.2條的規定：電氣火災監控系統應由下列部分或全部設備組成：① 電氣火災監控器；② 剩余電流式電氣火災監控探測器；③ 測溫式電氣火災監控探測器[5]。

根據地鐵的特點，電氣火災監控器通常設置于地鐵車站控制室、控制中心和車輛基地的消防控制室。剩余電流式電氣火災監控探測器由剩余電流傳感器和信號處理單元組成，剩余電流傳感器一般為剩余電流互感器，信號處理單元的作用為接收剩余電流傳感器的測量數據并對數據進行分析處理[6]。測溫式電氣火災監控探測器由測溫傳感器和信號處理單元組成，測溫傳感器一般由熱敏電阻或紅外測溫元件等組成，信號處理單元的作用為接收溫度參數測量數據并對數據進行分析處理[7]。典型地鐵電氣火災監控系統結構圖如圖1所示。

圖1 典型地鐵電氣火災監控系統結構圖

1.2 電氣火災監控系統探測器設置方案

根據GB 50116—2013《火災自動報警系統設計規范》的規定，剩余電流式電氣火災監控探測器應設置在低壓配電系統首端為基本原則，宜設置在第一級配電柜(箱)出線端[5]。結合地鐵的特點，變電所的400 V開關柜非消防負荷饋線回路均需配置剩余電流式電氣火災監控探測器，部分城市地鐵在第二級配電的環控柜或配電箱非消防負荷饋線回路也配置剩余電流式電氣火災監控探測器。對于采用剩余電流式傳感器難以解決誤報警問題的饋線回路，通常改用測溫傳感器的方案，可選用多傳感器組合式電氣火災監控探測器接入系統。在地鐵工程建設實踐中，一臺電氣火災監控探測器通常接6～10個傳感器，一個標準地下二層地鐵車站通常需設置20～30臺電氣火災監控探測器。

1.3 電氣火災監控系統外部接口

電氣火災監控系統在地鐵的機電設備系統中屬于相對獨立的系統，通常只與FAS系統(火災報警系統)接口，用于預警信息的傳遞，提醒運營人員及早檢查和防范。

2 能源管理系統方案簡介

2.1 能源管理系統的構成

由于城市軌道交通能源管理系統尚無統一的國家標準或行業標準，各地執行的地方標準存在一定的差異，如北京市要求按DB11T 1486—2017《軌道交通節能技術規范》執行，上海市按DG/TJ 08-2232—2017《城市軌道交通工程技術規范》執行，江蘇省則按DGJ32/TJ 132—2011《城市軌道交通能源管理系統技術規程》執行，未制定地方標準的地區差別更大。

各地方標準的具體要求雖然不盡相同，但是線路級能源管理系統的構成基本相同，均由中心級管理系統、車站級管理系統(或管理單元)、現場控制級以及聯系三者的通信網絡構成。典型地鐵能源管理系統結構圖如圖2所示。

圖2 典型地鐵能源管理系統結構圖

中心級管理系統通常設置于運營控制中心，主要功能為監管能源管理系統設備及監測數據的收集、處理、分析、統計等。車站級管理系統可根據需要設置，監管一個或若干個車站的能源管理系統設備及相應車站的監測數據收集、處理、分析、統計等，通常設置于車站控制室[8]。能源管理系統以監測運營線路的能耗數據為主，不進行開關設備的控制操作[9]。

中心級管理系統配置有系統服務器、WEB服務器、工作站、以太網三層交換機、硬件防火墻、打印機等。主干通信網利用通信系統提供的專用傳輸通道組建，或采用綜合監控系統單獨劃分的虛擬局域網(VLAN)。車站級管理系統設有通信管理機和工作站。現場控制級采用現場總線技術，設備由各類能源計量表計和網絡控制器等組成。

2.2 能源管理系統電能計量表計配置方案

根據GB 17167—2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》的要求，用電功率不低于10 kW的主要次級用能單位和不低于100 kW的主要用能設備須加裝電能計量表[10]。對于地鐵能源管理系統的電能計量表計配置方案，各地執行標準雖然不統一，但均高于國標要求。

地鐵能源管理系統的電能計量表計配置通常分為三級：第一級在110 kV主變電所或者中壓開閉所進線開關處；第二級在車站級變電所整流變壓器和配電變壓器對應中壓饋線開關處；第三級在400 V開關柜進線開關和400 V饋線開關處，部分地鐵城市在環控柜饋線回路也設電能計量表計。400 V開關柜配置電能計量表計的饋線回路涉及照明、空調系統、風機、水泵、電梯及電扶梯、特殊系統用電(如站臺門、自動售票檢票系統、變電所等)及商業相關用電等。用電功率不低于10 kW的環控柜饋線回路配置電能計量表計。由于配電箱過于分散且饋線回路負荷相對較小，通常不配置電能計量表計。對于專用消防負荷回路，由于其正常情況下不工作，僅在火災情況或事故演練時工作，因而沒有必要配置電能計量表計。

2.3 能源管理系統接口

地鐵運營消耗的各種能源與具體運營情況、外部環境條件相關，須設置與之相關的機電設備系統接口，才能對實際節能情況進行合理的分析。能源管理系統與地鐵多個機電設備系統運行狀態相關，諸如信號系統的行車密度、AFC系統(自動售檢票系統)的客流量、BAS系統(環境與設備監控系統)的環境狀態和通風空調運行情況、視頻監控系統的車站人流量等。工程實施當中，為減少系統接口數量，通常與綜合監控系統接口以便獲得所需數據，與OA系統接口實現各級運營管理人員通過Web方式進行信息調閱。若當地設有線網級能源管理系統，還需與線網級能源管理系統接口，上傳各類能耗用量的統計信息。能源管理系統與其他系統的物理接口位置應配置硬件防火墻。

3 系統融合設計研究

3.1 系統融合底層設計方案

地鐵電氣火災監控系統與能源管理系統最大共同點在于底層信息數據采集的位置重合度高，都需在400 V開關柜饋線回路或環控柜饋線回路設置采集裝置，而且對于純消防負荷都無需設置采集裝置。因此對于絕大多數低壓的饋線回路，既需配置電能計量表計，又需配置電氣火災監控探測器。

電能計量表計需采集對應回路的三相電壓和三相電流，電流的采集源自電流互感器二次輸入；對于電氣火災監控探測器，絕大多數回路選用剩余電流式傳感器，個別回路選用測溫式傳感器。剩余電流的采集源自剩余電流互感器二次輸入，利用電能計量表計代替電氣火災監控探測器采集剩余電流互感器的輸入信息，技術上完全可以實現。地鐵能源管理系統配置的電能計量表計為多功能電表，可擴展性強，只需在原表計基礎上增加一路電流測量輸入回路。

對于測溫式傳感器，可配備工業應用最廣泛的4～20 mA變送器，并在常規多功能電表基礎上增配4～20 mA電流采集電路和運算芯片，由多功能電表將4～20 mA電流信號轉換為溫度測量參數信息并傳輸至通信管理機。

多功能電表可就地顯示剩余電流式傳感器和測溫式傳感器的測量數據，在多功能電表面板設報警燈，報警閾值設定由多功能電表的人機界面實現。

3.2 融合系統結構方案

電氣火災監控系統與能源管理系統融合后，融合系統的結構與常規的地鐵能源管理系統大體保持一致，由中心級管理系統、車站級管理系統、現場控制級和聯系三者的通信網絡構成。相比原能源管理系統，主要區別在于車站級管理系統需增設電氣火災監控器，所配置的電氣火災監控器應具備解析多功能電表上傳數據的功能。融合后的系統結構圖如圖3所示。

圖3 融合后的系統結構圖

3.3 融合系統接口方案

電氣火災監控系統與能源管理系統融合后，該系統在中心級與綜合監控系統、OA系統的物理接口方案與常規的地鐵能源管理系統保持一致。由于電氣火災監控數據的信息上傳，其軟件接口略有變化。該系統在車站級由電氣火災監控器與FAS系統接口，其接口方案與常規電氣火災監控系統方案相同。

3.4 融合系統的技術優勢

地鐵電氣火災監控系統與能源管理系統融合為一套系統，具備以下優勢：

1) 融合系統設備配置數量相對減少，無需單獨配置電氣火災監控探測器，其原有的功能由多功能電表實現，電氣火災監控無需單獨組網，現場網絡接線大大減少，因而工程投資減少。

2) 地鐵電氣火災監控系統的探測器通常接6～10個傳感器，在融合系統中每只多功能電表僅接1個剩余電流傳感器或者1組(3個)測溫式傳感器，其可靠性和可用性也得到提升。

3) 可減少電氣火災監控系統誤報警情況，提高報警后的排查效率。對于監測回路固有漏電流造成的誤報警，可通過在多功能電表輸入饋線回路的相關信息進而生成固有漏電補償量(需多功能電表運算芯片支持)。各監測回路的剩余電流測量信息可隨多功能電表采集的電量信息一同上傳至控制中心，可結合融合系統大數據對報警回路進行智能分析，給出可能造成報警的原因和排查方案，為下一步排查工作提供技術指導。

4) 由于電纜的老化會導致回路固有漏電流逐漸增大，借助中心級系統強大的歷史數據存儲功能，通過定期分析監測回路剩余電流變化趨勢判別各監測回路的電纜老化情況，以便適時更換。

4 結語

推進地鐵行業高質量發展需要不斷提升機電設備系統整體技術裝備水平，穩步推進自動化和智能化，以減少運營維護的工作量。因此，推進機電設備系統融合將是大勢所趨。本文闡述了電氣火災監控系統和能源管理系統的系統構成、結構和配置方案，結合兩系統底層數據采集的共同點，提出將上述兩套系統融為一套系統的設計方案。該融合設計方案技術優勢明顯，完全具備在工程實踐中探索應用的可行性。根據國家應急管理部最新的相關規定，電氣火災監控系統產品不再納入強制性產品認證范圍，轉入消防產品自愿性認證范圍。這一政策變化為地鐵電氣火災監控系統融入能源管理系統提供了良好的契機。