城市軌道交通能源管理系統(tǒng)研究

馬學鵬 夏國臣

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城市軌道交通能源管理系統(tǒng)研究

馬學鵬 夏國臣

（珠海派諾科技股份有限公司，519085，珠?！蔚谝蛔髡撸砉こ處煟?/p>

介紹了城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的軟硬件架構，以及能效系統(tǒng)在軌道交通中的作用。介紹了系統(tǒng)的組成、功能及其整體架構。該系統(tǒng)可將原本分散的車站級能效數(shù)據(jù)集中管理，使能耗數(shù)據(jù)透明化、公開化，使節(jié)能目標可控化、可行化，使節(jié)能效果最大化。

城市軌道交通；能源管理系統(tǒng)；能效數(shù)據(jù)

First-author’s addressZhuhai Pilot Technology Co.，Ltd.，519085，Zhuhai，China

交通是我國的三大能源消耗大戶之一。目前，我國規(guī)劃建設城市軌道交通的大中型城市超過60座，其中有10余城市的軌道交通已經(jīng)投入運營。依據(jù)現(xiàn)有發(fā)展規(guī)劃，在未來30年內，我國將有超過500條軌道交通線路投入運營。相比傳統(tǒng)城市公共交通工具，雖然城市軌道交通運輸?shù)膯挝蝗藛T能源消耗是傳統(tǒng)公共交通的1/9，但其運營總能耗卻非常驚人。據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，2009年廣州地鐵運營的用電總量為3億多kW·h（3條線）；2011年成都地鐵運營的用電總量為8 000萬kW·h（1條線）。若采用實用有效的技術方法，都可以取得較好的節(jié)能效果。

現(xiàn)有城市軌道交通自動化系統(tǒng)主要包括行車調度系統(tǒng)、供電調度系統(tǒng)和環(huán)控調度系統(tǒng)，分別對行車安全、供電安全和機電設備運行進行管理，但并沒有專門對能源數(shù)據(jù)進行管理、分析和挖掘的自動化軟件系統(tǒng)，運營方主要依賴經(jīng)驗和人工對龐大的能源數(shù)據(jù)進行粗放型管理。據(jù)調查，幾乎所有地鐵運營方都無法準確提供任何一條運營線路的細化能源數(shù)據(jù)，對能源數(shù)據(jù)的管理只能到每月的宏觀值，對于能源消耗與機電設備特性、人流密度、環(huán)境參數(shù)等的關系更是無法進行挖掘。所以，運營過程中浪費、低效用能等現(xiàn)象非常普遍，能源管理缺少精確化、科學的量化考核工具。

目前，部分地鐵運營公司、設計院和建設方已認識到專用的城市軌道交通能源管理系統(tǒng)對地鐵能源管理的重要性，并已開展相關的試點工作。

1 能源管理系統(tǒng)的硬件組成及功能

1.1 整體架構

能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡結構采用分布式結構，由中心端管理級計算機網(wǎng)絡（以下簡為“中心端管理級”）、主干通信傳輸網(wǎng)、車站管理級計算機網(wǎng)絡（以下簡為“車站管理級”）、現(xiàn)場控制級網(wǎng)絡等組成。中心端管理級采用千兆以太網(wǎng)，可連接軌道交通主干通信傳輸網(wǎng)或通過防火墻連接公眾通信網(wǎng)絡，并提供數(shù)據(jù)上傳到更高一級管理部門的網(wǎng)絡接口。中心端管理級允許通過公眾通信網(wǎng)絡構建的傳輸通道進行外部網(wǎng)絡訪問，由能源管理系統(tǒng)平臺服務器提供WebService服務。中心端管理級與車站管理級之間采用TCP/IP協(xié)議的主干通信傳輸網(wǎng)構建傳輸通道。現(xiàn)場控制級網(wǎng)絡由通信管理機與采集儀表以分布式結構構建，采用RS 485總線網(wǎng)絡，通信管理機提供的專用數(shù)據(jù)上傳IP網(wǎng)絡接口。系統(tǒng)整體網(wǎng)絡拓撲圖如圖1所示。

系統(tǒng)分為中心端管理級和車站管理級兩個層次，本文將詳細介紹二者的硬件架構。

1.2 中心端管理級硬件架構

中心端管理級網(wǎng)絡拓撲圖如圖2所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)整體網(wǎng)絡拓撲圖

圖2 中心端管理級網(wǎng)絡拓撲圖

（1）中心端管理級服務器采用雙機冗余熱備，配置2臺工控機作為操作或監(jiān)視/維護的工作站，配置防火墻、路由器、打印機、后備時間不小于1 h的在線式不間斷電源、磁盤陣列，并配置大屏幕或大屏幕投影系統(tǒng)。磁盤陣列采用異地備份存儲方式，可保證數(shù)據(jù)存儲的安全性和長久性。

（2）中心端管理級設置在運營控制中心（OCC），負責監(jiān)管能源管理系統(tǒng)設備以及能耗數(shù)據(jù)的匯總、處理、統(tǒng)計、分析等信息化管理。

1.3 車站管理級硬件架構

車站管理級網(wǎng)絡拓撲圖如圖3所示。

（1）車站管理級服務器采用雙機冗余熱備，配置1臺工控機作為操作或監(jiān)視/維護的工作站、1臺打印機、1個車站以太網(wǎng)交換機（帶路由功能）。

（2）車站管理級的底層計量儀表采集裝置可接入智能電表、智能水表，智能燃氣表、智能燃油表、智能冷（熱）量表等采集設備，采集數(shù)據(jù)經(jīng)通信管理機上傳到車站管理級數(shù)據(jù)庫服務器。系統(tǒng)采用雙通信管理機熱備份機制，保證數(shù)據(jù)采集的可靠性。

（3）根據(jù)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡節(jié)點與接入設備數(shù)量及其可接入設備最大容量的85%~90%計算網(wǎng)絡控制器配置數(shù)量。每個網(wǎng)絡控制器接入預留不低于10%，易于擴展。

圖3 車站管理級網(wǎng)絡拓撲圖

1.4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)最終將為軌道交通運營中心提供1個整體的能效管理方案，其主要功能包括：

（1）中心端管理級長期保存能效數(shù)據(jù)。

（2）車站管理級數(shù)據(jù)能夠通過主干通信傳輸網(wǎng)上傳和導入導出。

（3）提供數(shù)據(jù)Web發(fā)布，用戶無需安裝任何客戶端或應用軟件，即可瀏覽相關數(shù)據(jù)。

（4）中心端管理級通過Web地圖對線路各個子站進行監(jiān)控和管理。

（5）為OCC提供統(tǒng)一格式的分布式報表，如整條線路能耗報表、單車站能耗報表、車輛基地/段能耗報表等。

（6）提供安全保證機制，數(shù)據(jù)和管理功能能夠按用戶級別進行分類顯示。

（7）提供數(shù)據(jù)驗證機制，通過身份驗證機制和加密傳輸機制保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全和正確。

（8）遠程數(shù)據(jù)終端能夠實時保存本地數(shù)據(jù)1個月，并能依據(jù)傳輸策略實時傳輸數(shù)據(jù)到中心端管理級。傳輸間隔嚴格執(zhí)行國家、行業(yè)、地方相關設計標準和規(guī)范的要求。

2 能源管理系統(tǒng)的軟件組成與功能

城市軌道交通能源管理系統(tǒng)軟件部分主要分為車站管理級軟件和中心端管理級軟件。車站管理級和中心端管理級軟件系統(tǒng)均采用B/S模式，自適應瀏覽器瀏覽。底層數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Standard Server 2008關系型數(shù)據(jù)庫。Web Server采用微軟IIS平臺。開發(fā)語言.Net的主要開發(fā)工具為Microsoft Visual Studio 2010版本。

圖4為整個能源管理系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)架構圖。依照數(shù)據(jù)流向，能源管理系統(tǒng)分為采集層、傳輸層、主控層和應用層等4個主要部分。

圖4 軌道交通能源管理系統(tǒng)原理圖

采集層主要是對能耗數(shù)據(jù)進行采集和存儲，包括各個子站的電、水、氣、暖、可再生等各種能源數(shù)據(jù)，由前端采集程序和前置通信管理機按設定的采集周期，實時在線采集、存儲能耗計量器具和各類智能終端的數(shù)據(jù)與信息。采集層的數(shù)據(jù)存儲在子站級的數(shù)據(jù)庫服務器，并通過傳輸層將能源數(shù)據(jù)遠程主動上傳到中心端服務器。

主控層是中心端管理級的主站對，軌道交通中所有子站的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，對子站的能耗進行分項、分類、分戶統(tǒng)計，并通過各種數(shù)學模型、算法對能耗數(shù)據(jù)進行分析、評估，從而整體分析軌道交通能耗；長期跟蹤分析每個子站的整體用能狀況，診斷并考核每個子站的能耗指標，為整體的節(jié)能方案提供可靠的數(shù)據(jù)支持；嚴格按照國家、行業(yè)、地方相關設計標準和規(guī)范的要求來制定軌道交通能耗指標體系，采用符合國家標準的通信協(xié)議如DL/T645-2007、CJ/T188-2004、GB/T19582-2008等協(xié)議。通過設備計算、子站計算、中心端計算三種方式對軌道交通各個子站的能耗進行合理劃分和集中計算，確定整體使用效率。

2.1 數(shù)據(jù)分級管理

城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的基本思路是采用車站管理級和中心端管理級的分級管理方式：在車站管理級，監(jiān)視一個或若干個車站能源管理系統(tǒng)設備，以及收集相應車站能耗數(shù)據(jù)；在中心端管理級，對各個車站的能源數(shù)據(jù)進行匯總分析，通過數(shù)學分析模型建立車站能耗標準，作為評估各個車站能耗水平的標準，通過標準制定節(jié)能方案，并下達到各個車站進行實際實施，從而降低整個軌道交通的整體能耗，從根本上達到節(jié)能的目標。分級管理的具體評估內容如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)分項管理

根據(jù)以往城市軌道交通能耗數(shù)據(jù)，牽引動車的能耗占車站總能耗的40%~50%，環(huán)控通風系統(tǒng)的能耗占車站總能耗的25%~35%，照明系統(tǒng)的能耗為車站總能耗的8%~12%，給排水等其他系統(tǒng)的能耗約占總能耗的3%~17%。由此可見，城市軌道交通能耗主要由牽引動力和環(huán)控通風系統(tǒng)產(chǎn)生。由于牽引動力用能是列車運行的主要保證，較難降低能耗，所以軌道交通的節(jié)能主要從環(huán)控通風系統(tǒng)和其他系統(tǒng)入手。

對城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的運營與維護的評估，其主要評估參數(shù)為運營維護記錄和節(jié)能措施實施；評估目標為與運營維護、節(jié)能措施實施前進行對比，監(jiān)測是否達到預期節(jié)能目標。

表1 城市軌道交通能源管理系統(tǒng)分級管理評估表

圖5、圖6分別為城市軌道交通能耗一級分項圖和城市軌道交通電能耗分項圖。

圖5 城市軌道交通能耗一級分項圖

圖6 城市軌道交通電能耗分項圖

2.3 中心端管理級軟件能效系統(tǒng)功能

（1）軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)配置相適應。

（2）面向能源管理中心管理層與能源信息化管理的軟件系統(tǒng)結構采用B/S結構。

（3）子站數(shù)據(jù)向中心端傳輸采用輪詢和主動上傳方式，數(shù)據(jù)自動存儲于中心端工作站數(shù)據(jù)庫服務器，數(shù)據(jù)傳輸基于TCP/IP、HTTP協(xié)議的SOAP及Lontalk等協(xié)議或規(guī)約。

（4）提供數(shù)據(jù)曲線功能，對具體車站、線路的用電量、冷量、水量、氣量等數(shù)據(jù)進行曲線描繪，預測趨勢。

（5）可以對具體車站、線路的能耗進行總加計算，比率計算，能效計算，最大、最小、平均值計算，負荷的最小、最小變化量計算；還可自定義計算：自定義計算公式，包括邏輯和條件、計算對象、周期、觸發(fā)條件等。

（6）可以對具體車站、線路的能耗進行按小時、日、月、季、年的分類、分項、分戶統(tǒng)計，以及工作時間和非工作時間的能耗統(tǒng)計等。

（7）可以對具體車站、線路的能耗進行質量分析、異常分析、平衡分析、節(jié)能潛力分析、排名分析等。

（8）建立三級能源指標體系：列車及車站動力照明運營能耗指標，線路運營能耗指標，網(wǎng)絡運營能耗指標。將指標細化為：客流量能耗，k W·h/人次；車輛周轉量能耗，kW·h/（車·km）；客運周轉量能耗，k W·h/（人·km）；動力照明能耗，k W·h/站；票務總收入指標能耗，k W·h/元；牽引系統(tǒng)單位能耗，kW·h/（千車·km）；車站動力照明系統(tǒng)單位能耗，kW·h/（站·d），綜合性單位能耗，k W·h/（千車· km）。

（9）提供軌道交通各種定制能耗報表，并提供報表自定義功能，提供線路的日、月、年報表；報表數(shù)據(jù)包含基本能耗指標和綠色能耗指標；提供軌道交通線路中主要用電系統(tǒng)的日報表、月報表、年報表；并對空調通風系統(tǒng)、隧道通風系統(tǒng)、電梯扶梯系統(tǒng)等項目進行劃分；提供報表打印導出功能。

（10）提供報警功能，對系統(tǒng)工作狀態(tài)、能耗異常狀態(tài)、網(wǎng)絡通信狀況、測量參數(shù)越限等提供動態(tài)監(jiān)測，對于報警事件，配合聲光彈出告警，并存入數(shù)據(jù)庫。

（11）提供歷史數(shù)據(jù)查詢，完整記錄中心端下所有車站內能耗節(jié)點測量信息，保存時間不少于3年，從而為數(shù)學模型建立提供基礎數(shù)據(jù)。

（12）提供線路及站點各種分析對象和能耗指標的能源分析工具。

（13）提供日、月、年評估報告，并支持打印導出功能。

（14）采用各種圖表動畫技術，具有良好的用戶體驗。

3 結語

通過城市軌道交通能源管理系統(tǒng)，可將原來分散的車站級能效數(shù)據(jù)進行集中管理，加強軌道交通各種類型能耗數(shù)據(jù)的集中性，使能耗數(shù)據(jù)透明化、公開化，使節(jié)能目標可控化、可行化。通過集中化的管理使節(jié)能效果最大化，這是軌道交通能效管理平臺的主要原則。

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On Urban Rail Transit Energy Management System

Ma Xuepeng，Xia Guochen

The architecture of hardware and software used in rail transit energy management system，the functions plaid by energy efficiency in rail transit are introduced，the composition and overall structure of this system are described，which will realize a centralized management of the scattered energy efficiency data，make the data transparent，control the energy-saving targets and maximize the energy-saving efficiency.

urban rail transit；energy management system；energy efficiency data

TK 018：U 231

2012-09-10）