安科瑞 陳聰

摘要：介紹了傳統(tǒng)軌道交通能源管理系統(tǒng)的構(gòu)成及功能，指出現(xiàn)有能源管理系統(tǒng)在節(jié)能工作中的局限，提出能源數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行精細(xì)化采集，構(gòu)建多系統(tǒng)協(xié)同管控的能源管理大數(shù)據(jù)平臺(tái)，建立科學(xué)的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，制定合理的自動(dòng)化節(jié)能控制策略，實(shí)施多系統(tǒng)協(xié)同控制，大限度地降低能耗，發(fā)展為自動(dòng)控制節(jié)能的智慧能源管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：能源管理系統(tǒng)；分類(lèi)分項(xiàng)分戶；自動(dòng)節(jié)能控制；智慧能源管理系統(tǒng)

0引言

城市軌道交通在中國(guó)人民的生產(chǎn)、生活中已成為無(wú)法取代的新型交通方式。截至2019年，中國(guó)已有40個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)線路208條，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度6736.2km。由于軌道交通運(yùn)量巨大，其能源消耗也相當(dāng)驚人。與此同時(shí)，中國(guó)面臨非常嚴(yán)峻的能源安全和環(huán)境壓力。在2021年的工作報(bào)告中，“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”被列為2021年重點(diǎn)任務(wù)之一。軌道交通作為用能大戶，其節(jié)能工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期、艱巨的任務(wù)。城市軌道交通能源消耗種類(lèi)主要包括電、水、燃?xì)狻⒂?、冷量等，其中，電能消耗大，占總能源消耗?5%～98%。能源消耗種類(lèi)占比如圖1所示。能耗成本控制是地鐵運(yùn)營(yíng)成本控制的重要環(huán)節(jié)。建立完善的能源管理體系既是企業(yè)減少自身能源消耗、降低生產(chǎn)成本的需要，又是響應(yīng)節(jié)能號(hào)召和全球減排溫室氣體的需要。

1能源管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀

能源管理系統(tǒng)在很多城市軌道交通工程中已應(yīng)用，能源管理系統(tǒng)初設(shè)立的目的主要是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，減少運(yùn)營(yíng)人工成本，并用于能源數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等。

1.1能源管理系統(tǒng)構(gòu)成

能源管理系統(tǒng)架構(gòu)包括能源管理系統(tǒng)、骨干網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集表計(jì)。能源管理系統(tǒng)通過(guò)全線骨干網(wǎng)，從各車(chē)站、場(chǎng)段、主變電所和控制等現(xiàn)場(chǎng)表計(jì)自動(dòng)獲取能源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全線能源數(shù)據(jù)的集中監(jiān)管。能源管理系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

1.1.1能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)設(shè)主備數(shù)據(jù)服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、交換機(jī)、工作站、打印機(jī)等設(shè)備。主備數(shù)據(jù)服務(wù)器、磁盤(pán)陣列用于處理、存儲(chǔ)全線能源管理系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，能源管理工作站作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的客戶端，在工作站上通過(guò)能源管理系統(tǒng)軟件，可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)所有智能電、水表等的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，查詢服務(wù)器歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，生成各類(lèi)能耗報(bào)表等。

1.1.2骨干網(wǎng)

將綜合監(jiān)控系統(tǒng)或通信系統(tǒng)骨干網(wǎng)作為底層設(shè)備與能源管理的通信通道，將底層表計(jì)數(shù)據(jù)上傳至能源管理系統(tǒng)。

1.1.3現(xiàn)場(chǎng)表計(jì)

能源管理系統(tǒng)根據(jù)能源的種類(lèi)配置相應(yīng)的能源計(jì)量表計(jì)，如電表、水表等智能表計(jì)，采集電能、水能等能源數(shù)據(jù)，表計(jì)應(yīng)具有通信功能，將數(shù)據(jù)通過(guò)骨干網(wǎng)上傳至能源管理系統(tǒng)。

1.2能源管理系統(tǒng)功能

能源管理系統(tǒng)對(duì)末端設(shè)備的能耗與能效數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)，并形成報(bào)表，為地鐵運(yùn)營(yíng)管理工作提供了有效的能耗計(jì)量工具和能源管理工具。

1.2.1數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)功能

能源管理系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)采集終端智能表計(jì)各類(lèi)數(shù)據(jù)，并將采集到的原始數(shù)據(jù)以一定的間隔周期上傳并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及報(bào)表功能

能源管理系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行能源的分類(lèi)、分項(xiàng)和分戶統(tǒng)計(jì)，以報(bào)表、柱狀圖、餅圖、趨勢(shì)曲線等形式顯示能源數(shù)據(jù)和信息。各站分戶用電占比如圖3所示。

1.2.3實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

能源管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電表的三相電流/電壓、頻率、有功/無(wú)功功率、功率因數(shù)、有功電能、電表綜合變比等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1.2.4能耗異常監(jiān)控功能

能源管理系統(tǒng)可查詢系統(tǒng)監(jiān)控到的電表和用電異常記錄，可新增、修改、刪除設(shè)置的被監(jiān)控電表記錄，查詢?cè)O(shè)置的電表增量限額。

2能源管理系統(tǒng)在節(jié)能工作中的局限性

現(xiàn)有的城市軌道交通能源管理系統(tǒng)多用于遠(yuǎn)程抄表、能源數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)等，并沒(méi)有在能源管理和節(jié)能控制方面很好地發(fā)揮作用。

2.1管理粗放統(tǒng)計(jì)粗略

現(xiàn)有的能源管理系統(tǒng)管理粗放，運(yùn)行參數(shù)與能耗統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確、不精細(xì)，缺乏對(duì)實(shí)際能耗使用細(xì)節(jié)的關(guān)注，能耗數(shù)據(jù)與運(yùn)行參數(shù)流于形式，存在能耗管理盲區(qū)。部分工程采用繼電保護(hù)裝置的測(cè)量功能采集能耗數(shù)據(jù)，負(fù)載率較低時(shí)能耗數(shù)據(jù)無(wú)法顯示。

2.2能源管理與節(jié)能控制脫節(jié)

現(xiàn)有能源管理系統(tǒng)的主要作用是對(duì)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)，只監(jiān)測(cè)不管控，能源管理與節(jié)能控制脫節(jié)。

2.2.1環(huán)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與客流量脫節(jié)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)按大設(shè)計(jì)值處于長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法根據(jù)客流量調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行，甚至存在過(guò)度供冷等問(wèn)題。

2.2.2個(gè)別設(shè)備房溫度過(guò)低

個(gè)別設(shè)備房機(jī)電設(shè)備低負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)熱量遠(yuǎn)低于額定負(fù)荷，而空調(diào)系統(tǒng)按額定負(fù)荷發(fā)熱量運(yùn)行，造成設(shè)備房溫度過(guò)低。

2.2.3照明設(shè)備全天處于高照度狀態(tài)

軌道交通列車(chē)行車(chē)密度在全天運(yùn)行中存在很大差異，公共區(qū)照明全天運(yùn)行時(shí)段均處于高照度，而無(wú)節(jié)能管控措施。

3基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的智慧能源管理系統(tǒng)

針對(duì)能源管理系統(tǒng)在節(jié)能工作中存在的問(wèn)題，應(yīng)對(duì)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化采集，構(gòu)建多系統(tǒng)協(xié)同管控的能源管理大數(shù)據(jù)平臺(tái)，建立科學(xué)的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，制定合理的自動(dòng)化節(jié)能控制策略。

3.1能源管理系統(tǒng)分類(lèi)分項(xiàng)分戶模型的建立

能源管理系統(tǒng)分類(lèi)、分項(xiàng)、分戶模型的建立應(yīng)從便于能源的統(tǒng)計(jì)、對(duì)比分析、節(jié)能考核及貿(mào)易結(jié)算等角度考慮，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)按照時(shí)段、日、月、年計(jì)算分類(lèi)、分項(xiàng)和分戶能耗數(shù)據(jù)以及均值（人均、單位面積均、車(chē)均等），為節(jié)能管控提供決策依據(jù)。能源管理系統(tǒng)發(fā)展路線如圖4所示。

3.1.1能源分類(lèi)

能源分類(lèi)主要指能源消耗的種類(lèi)，包括電力、燃?xì)狻⑷加?、燃煤、熱力以及水資源等。

3.1.2能源分項(xiàng)

能源分項(xiàng)是指根據(jù)各類(lèi)能源的主要用途劃分進(jìn)行采集和整理，其目的是區(qū)分、管理各類(lèi)能源消耗，并為節(jié)能分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

能源分項(xiàng)主要分為車(chē)輛牽引用電和動(dòng)力照明用電，動(dòng)力照明用電又可分為通風(fēng)空調(diào)用電、動(dòng)力用電、設(shè)備用電、照明用電、商業(yè)用電、物業(yè)用電等小項(xiàng)。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備所消耗的電能約占整個(gè)車(chē)站動(dòng)力耗電量的50%，存在很大的節(jié)能空間，此類(lèi)需要進(jìn)行節(jié)能分析的用電負(fù)荷，應(yīng)劃分用電細(xì)項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。用電分項(xiàng)模型如圖5所示。

3.1.3能源分戶

能源分戶的主要目的是實(shí)現(xiàn)能耗統(tǒng)計(jì)、節(jié)能考核、貿(mào)易結(jié)算等，能源分戶可按不同能源消耗主體如車(chē)站、控制、車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)及主變電所等進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和整理，其中，車(chē)輛段及停車(chē)場(chǎng)的每一處獨(dú)立單體可為一統(tǒng)計(jì)小戶。

為了便于軌道交通各車(chē)站的能源消耗對(duì)比分析，車(chē)站大戶用電一般指動(dòng)力照明用電，不包括牽引用電。

3.2建立能源管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)

城市軌道交通應(yīng)構(gòu)建線網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)，除了根據(jù)分類(lèi)、分項(xiàng)、分戶模型采集各線能源數(shù)據(jù)外，能源管理系統(tǒng)同時(shí)與AFC（AutomaticFareCollection，自動(dòng)收費(fèi)）系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、BAS（樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)）等互聯(lián)互通，將運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)（客流、車(chē)次）、環(huán)控?cái)?shù)據(jù)、車(chē)站數(shù)據(jù)等納入能源管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)（見(jiàn)圖6），以報(bào)表、趨勢(shì)圖、柱形圖、餅圖等的形式顯示線路、車(chē)站、設(shè)備等的能耗趨勢(shì)，并計(jì)算出單位客運(yùn)周轉(zhuǎn)量、單位運(yùn)營(yíng)里程、單位面積等的能耗數(shù)據(jù)。

3.3建立能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)是能耗數(shù)據(jù)分析工作的直觀體現(xiàn)，也是檢驗(yàn)?zāi)茉垂芾砉ぷ鞯闹匾罁?jù)[7]。只有建立科學(xué)的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，才能更好地指導(dǎo)節(jié)能工作。能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

3.4智慧能源管理系統(tǒng)

根據(jù)科學(xué)、合理的能源管理系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，制定合理的節(jié)能控制策略，與綜合監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，對(duì)列車(chē)運(yùn)行模式、環(huán)控設(shè)備、照明設(shè)備等進(jìn)行自動(dòng)控制，及時(shí)、準(zhǔn)確地調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到自動(dòng)控制節(jié)能的目的。

a)在非高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)段，適當(dāng)控制列車(chē)運(yùn)行速度，采用大小交路套跑的行車(chē)組織模式控制列車(chē)運(yùn)營(yíng)，降低單位運(yùn)營(yíng)里程牽引電耗；b)根據(jù)客流情況和環(huán)控?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整通風(fēng)、空調(diào)設(shè)備運(yùn)行工況，降低單位客運(yùn)量電耗；c)根據(jù)列車(chē)車(chē)次自動(dòng)控制公共區(qū)照明設(shè)備啟停，降低運(yùn)營(yíng)線公里電耗。

4 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺(tái)，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺(tái)。用戶僅需購(gòu)買(mǎi)安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機(jī)和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

該平臺(tái)提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量分析、用電管理、預(yù)付費(fèi)管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報(bào)警和記錄、運(yùn)維管理等功能，并支持多平臺(tái)、多語(yǔ)言、多終端數(shù)據(jù)訪問(wèn)。

（2）應(yīng)用場(chǎng)所

本平臺(tái)適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運(yùn)維等領(lǐng)域。

（3）平臺(tái)結(jié)構(gòu)

（4）平臺(tái)功能

• 電力集抄

電力集抄模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實(shí)現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測(cè)'、遙信、遙控控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合檢測(cè)和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運(yùn)行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

• 能耗分析

能耗分析模塊采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過(guò)程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過(guò)程的自動(dòng)化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過(guò)程有機(jī)結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

• 預(yù)付費(fèi)管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對(duì)建筑、通訊管理機(jī)、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置；

3）用戶管理：對(duì)商鋪用戶執(zhí)行開(kāi)戶、銷(xiāo)戶、遠(yuǎn)程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對(duì)已開(kāi)戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對(duì)已開(kāi)戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報(bào)表：提供售電、售水財(cái)務(wù)報(bào)表、用能報(bào)表、報(bào)警報(bào)表等查詢，本系統(tǒng)所有的報(bào)表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出。

預(yù)付費(fèi)看板

• 充電樁管理

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時(shí)對(duì)各類(lèi)故障如充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營(yíng)的所有功能，包括城市級(jí)大屏、交易管理、財(cái)務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能。

充電樁看板

• 智能照明

智能照明通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，也可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開(kāi)關(guān)策略配置及后臺(tái)遠(yuǎn)程管理和移動(dòng)管理等，降低路燈設(shè)施的維護(hù)難度和成本，提升管理水平，并達(dá)到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁(yè)面

• 安全用電

安全用電采用的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災(zāi)探測(cè)器，對(duì)引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計(jì)分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時(shí)推送給企業(yè)管理人員，指導(dǎo)企業(yè)實(shí)現(xiàn)一時(shí)間的排查和治理，達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實(shí)現(xiàn)“防患于未然”的目的。

• 智慧消防

通過(guò)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。補(bǔ)了原先針對(duì)“九小場(chǎng)所”和危化品生產(chǎn)企業(yè)無(wú)法有效監(jiān)控的空白，適應(yīng)于所有公建和民建，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”、用電管理“精細(xì)化”的實(shí)際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)論

云平臺(tái)的發(fā)展和應(yīng)用為城市軌道交通的綜合承載和數(shù)據(jù)共享提供了有力的技術(shù)支撐，具備建立能源管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的條件。但基于能源管理大數(shù)據(jù)平臺(tái)的節(jié)能控制策略尚不完善，需要多系統(tǒng)協(xié)同做進(jìn)一步研究。

城軌交通，智慧先行。《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》指出智能能源系統(tǒng)體系是智慧城軌建設(shè)藍(lán)圖的目標(biāo)之一。未來(lái)能源管理系統(tǒng)的發(fā)展方向必將是相關(guān)系統(tǒng)互聯(lián)互通，制定合理的自動(dòng)化控制策略，實(shí)施多系統(tǒng)協(xié)同控制，發(fā)揮能源管理系統(tǒng)在節(jié)能工作中的巨大潛力，使能源管理系統(tǒng)發(fā)展成為自動(dòng)控制節(jié)能的智慧能源管理系統(tǒng)。

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