城市轨道交通能源管理系统的应用方案

王德发

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063）

摘　要：中国已成为世界上城市轨道交通发展最快的国家，轨道交通如何节约能耗、降低成本是运营单位长期思考的问题，而能源管理系统的应用在降低轨道交通运行能耗、节约运营成本方面具有越来越突出的作用。本文结合无锡地铁2号线中电能计量及能源管理系统的设计方案，阐述城市轨道交通中电能计量的一般设计方法和存在的问题，并在此基础上探讨能源管理系统在城市轨道交通中的应用方案。研究指出，能源管理系统必须结合轨道交通管理制度建设才能从根本上解决轨道交通节能问题。

关键词：交通运输系统工程；城市轨道交通；电能计量；能源管理

近年来，随着我国经济水平的迅猛发展，各城市轨道交通也在迅速发展。截至2014年底，全国已开通轨道交通的城市达到22个，线路101条，总里程达3155km。在轨道交通数量迅速增加的同时，相关设备的能耗也在大幅增加运营成本，其中通风空调、电扶梯、照明是车站主要消耗能源的系统[1]。

电能计量作为能耗管理的重要手段，在降低运营成本、增强企业竞争力方面发挥重要作用。在早期轨道交通中，只在电源进线和变压器一次侧装设了有功电能表，仅能区分牵引用电量和动力用电量[2]。2000年之后，各轨道交通对用电管理的要求越来越高，从开始的少数主要负荷设置计量电表，到近几年出现的能源管理系统，电能管理方面逐渐从粗放式管理向精细化管理方向发展。

1　轨道交通电能计量的设计方案

1.1　一般设计方案

在电能计量方面，行业暂时没有统一标准，各条线路的装表率也不尽相同，未设置能源管理系统的轨道交通线路，参考无锡地铁的实施方案，其电能表计一般设置如下。

（1）110kV处电能计量。

在110kV变电所电缆进线处设有电能计量，可以测量整条线路所消耗的电能，主要用于供电部门电费的核算。

（2）35kV侧电能计量。

1）馈线到物业开发独立变电所的35kV开关柜设有电能计量，可以计量车站独立大规模物业开发的总用电量，数据由电力监控直接上传至综合监控系统。

2）馈线至车站动力变压器及整流变压器的35kV开关柜不设电能计量。

（3）车站级变电所设置的电能计量。

1）400V开关柜总进线（即动力变压器出口处）设有多功能仪表，可以计量车站所有的动力照明总用电量，数据由电力监控直接上传至综合监控系统。

作者简介：王德发，高级工程师，从事轨道交通低压配电、FAS、BAS、ACS的设计与研究。

2）400V开关柜内三级负荷总开关处设有多功能仪表，可以计量车站所有三级负荷所消耗的电能，数据由电力监控直接上传至综合监控系统。

3）400V开关柜馈线至商铺的回路设有多功能仪表，可以对商铺消耗的总电能进行计量，数据由电力监控直接上传至综合监控系统。

4）400V开关柜馈线至车站照明的回路设有多功能仪表，可以对车站总的照明用电量（除广告照明）的总电能进行计量，数据由电力监控直接上传至综合监控系统。

（4）环控电控柜处设置的计量。

环控柜进线处设有多功能仪表，可以计量车站风机、风阀总的用电量；超过30kW的馈线回路设有多功能仪表，对30kW以上的回路可以计量其用电量，数据无上传功能。

（5）末端配电箱处设置的计量。

动力照明在银行配电箱、商用通信配电箱、站内小商铺配电箱（每个商铺可以独立计量）、广告照明配电箱内设有电度表。

（6）对于大规模独立物业开发，动力照明可以对每个独立的商铺进行电能计量。

1.2　改进方案

考虑到一般设计方案只能满足最基本的计量需求，对于需要进一步了解轨道交通能耗构成，找到电能消耗的规律，进而采取一定措施来降低能耗的轨道交通线路，电能计量可考虑如下方案。

（1）VRV、通风空调设备、电扶梯在轨道交通中耗电量非常大，在设计中考虑装设计量电表。据有关轨道交通统计，车站VRV及通风空调系统耗电量占整个车站动力耗电量的50％左右。随着社会的发展，为了满足乘客的舒适度要求，在新建轨道交通中大量是扶梯、电梯、人行步道等，使得动力用电的比重的显著增加。

（2）一个地下车站变电所，有100个左右的出线回路，如果每个回路都设计量表计，将是一笔很大的投资。但通过分析可以知道，有些回路长期处于备用状态，如消防泵、人防风机、排烟风机、废水泵等，年用电量很少，不装电表对总用电量的统计误差不超过5％，因此以上回路可不装设计量电表[2]。

2　轨道交通能源管理系统的设计方案

设置计量仪表只能对耗电量进行计量，得到的数据仍然需要人工处理，要实现更高效的管理、分析功能，必须借助能源管理系统。

2.1　能源管理系统的结构

能源管理系统可对低压设备消耗的电能进行分项计量，其软件运行于Windows操作系统，支持数百种各种硬件设备，并支持各种常用电力通信规约。其网络结构[3]如图1所示。

2.2　能源管理系统的功能

（1）前台人机交互界面。设计适合客户要求的交互界面；标准图元库，方便调用组合；实时数据采集和显示；数据信息的自动逻辑计算和处理；设备参数远程更改设定。

（2）信息处理。利用采集信息及特定方法进行计算；统计总功率、最大需量；采集功率因数、设定上下限；记录负荷状况分析电能质量。

（3）曲线及报表管理设置功能。客户要求的电参量的趋势曲线；正/反向有/无功电度的历史趋势；设计满足客户需求的各种报表；自动生成电能计量的日、月、年报表；可根据常用的MSExcel设置模板并生成相应报表，使用户轻松使用；查询任意时刻报表、显示并打印。

（4）后台数据库管理。应用广泛的数据库软件如Access、MSSQL；建立开放式据库；存储指定年限或所有的数据信息；软件系统实现的动态链接库；实时数据信息更新安全可靠；支持C/S、B/S方式，实现数据远传。

（5）多级权限用户管理密码登录后台，保证设置安全；高权限对低权限管理，分级操作，各权限均具修改密码功能。

（6）网络功能，双机热备功能，支持双机、双网、双设备等冗余，并采用热备份的形式确保系统稳定可靠的运行，配置简单、方便。网络上任意一台机器可指定为I/O服务器（即前置机），网络上的其他机器可方便地从该机器上获取数据。

2.3　能源管理系统在轨道交通中的应用方案

根据国家《公共建筑能耗监测系统技术规程》及江苏省工程建设标准《城市轨道交通能源管理系统技术规程》[4]的要求，公共建筑应设置能量分类分项计量。结合轨道交通自身的特点，确定无锡地铁2号线能源管理系统采用如图2所示方案。

（1）全线选取几个典型的高架站、地下站和换乘站设置能源管理系统。考虑到各车站的相似性，没必要每个车站都设置，选取几个典型的代表车站即可。

（2）在变电所400V出线和环控电控柜风机出线端设置带通信功能的多功能仪表。除人防供电电源外，其他回路均应装设电表，以做到统计数据不漏项。

（3）能源管理系统末端网关放置于400V开关柜及环控柜内，网关与多功能仪表采用RS485总线连接。

（4）数据网络控制器及能源管理主机可以放置于400V开关柜室或控制室，单独设置一面能源管理系统控制柜。

（5）对于非全线设置的能源管理系统，可不设置中央级，各车站独立运行。

3　能源管理系统应用展望

能源管理系统是一套集电能测量、管理、分析功能于一体的系统，轨道交通运营公司结合自身的情况，可通过此系统制定出一整套节能措施。然而，如何将节能措施在基层有效落实，则涉及运营部门的管理制度建设问题。

管理制度建设的基本原则是将用电指标层层分解，最终下放到用电单位，做到“以需定量，以量定管”，真正实现“谁用电谁管理”。在硬件设备的建设上，需实现对轨道交通能源计量管理的动态监测。充分利用网络化等新技术，实现能源数据采集、过程控制、能耗分析、能耗管理全过程的自动化、高效化和科学化管理，满足现代化轨道交通的复杂需求。同时使能源管理由传统的台账式静态人工管理转变为电网动态计算机自动管理，提高管理的效率和质量。在软件系统的建设上，应结合各城市轨道交通的实际需求，开发出高效、精确、节能的能源管理系统软件。通过制定合理的能耗目标，将用电指标分配到个人或者小组，并实时跟踪各单位能耗情况进行反馈和调节。只有把科学的管理手段与现代化的高新技术相结合，才能达到科学用电合理用电，解决现代轨道交通的节能问题。

4　结论

目前，国内各城市轨道交通均处于亏损状态，有效的“节流”对降低运营成本非常重要。电能计量不仅仅是装几块电表，更重要的是如何根据所测数据，总结出各系统、各设备用电的一般规律，从而制定出科学、合理的节能措施。本文针对城市轨道交通提出的能源管理系统应用方案，能够有效地实时监测和分析各系统的电能消耗情况，提高用电的科学管理，达到节能节电的目标。在今后的轨道交通中，要不断加强能耗数据分析和总结，建设安全、舒适、节能型现代轨道交通。

参考文献

[1]王德发.浅谈地铁低压配电系统节能设计[J].城市建设理论研究，2012（9）：236-237.

[2]沈镜青，顾庆宜，白永保.电能管理在北京地铁中的应用[J].都市快轨交通，2010，23：95-97.

[3]马学鹏，夏国臣.城市轨道交通能源管理系统研究[J].城市轨道交通研究，2014（4）：102-107.

[4]DGJ 32/TJ 132—2011城市轨道交通能源管理系统技术规程[S].2011.