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淺談城市軌道交通智慧能源管理系統

發布時間： 2024-07-23　　點擊次數： 315次

安科瑞陳聰

摘要：介紹了傳統軌道交通能源管理系統的構成及功能，指出現有能源管理系統在節能工作中的局限，提出能源數據應進行精細化采集，構建多系統協同管控的能源管理大數據平臺，建立科學的能耗評價指標，制定合理的自動化節能控制策略，實施多系統協同控制，大限度地降低能耗，發展為自動控制節能的智慧能源管理系統。

關鍵詞：能源管理系統；分類分項分戶；自動節能控制；智慧能源管理系統

0引言

城市軌道交通在中國人民的生產、生活中已成為無法取代的新型交通方式。截至2019年，中國已有40個城市開通城市軌道交通，運營線路208條，運營線路總長度6736.2km。由于軌道交通運量巨大，其能源消耗也相當驚人。與此同時，中國面臨非常嚴峻的能源安全和環境壓力。在2021年的工作報告中，“做好碳達峰、碳中和工作”被列為2021年重點任務之一。軌道交通作為用能大戶，其節能工作是一項長期、艱巨的任務。城市軌道交通能源消耗種類主要包括電、水、燃氣、油、冷量等，其中，電能消耗大，占總能源消耗的85%～98%。能源消耗種類占比如圖1所示。能耗成本控制是地鐵運營成本控制的重要環節。建立完善的能源管理體系既是企業減少自身能源消耗、降低生產成本的需要，又是響應節能號召和全球減排溫室氣體的需要。

1能源管理系統的現狀

能源管理系統在很多城市軌道交通工程中已應用，能源管理系統初設立的目的主要是實現遠程抄表，減少運營人工成本，并用于能源數據的采集、統計、報表等。

1.1能源管理系統構成

能源管理系統架構包括能源管理系統、骨干網及現場數據采集表計。能源管理系統通過全線骨干網，從各車站、場段、主變電所和控制等現場表計自動獲取能源數據，實現對全線能源數據的集中監管。能源管理系統架構圖如圖2所示。

1.1.1能源管理系統

能源管理系統設主備數據服務器、磁盤陣列、交換機、工作站、打印機等設備。主備數據服務器、磁盤陣列用于處理、存儲全線能源管理系統的歷史數據，能源管理工作站作為數據庫服務器的客戶端，在工作站上通過能源管理系統軟件，可實時顯示系統所有智能電、水表等的運行狀態及參數，查詢服務器歷史數據，進行統計、分析，生成各類能耗報表等。

1.1.2骨干網

將綜合監控系統或通信系統骨干網作為底層設備與能源管理的通信通道，將底層表計數據上傳至能源管理系統。

1.1.3現場表計

能源管理系統根據能源的種類配置相應的能源計量表計，如電表、水表等智能表計，采集電能、水能等能源數據，表計應具有通信功能，將數據通過骨干網上傳至能源管理系統。

1.2能源管理系統功能

能源管理系統對末端設備的能耗與能效數據進行采集、存儲、統計，并形成報表，為地鐵運營管理工作提供了有效的能耗計量工具和能源管理工具。

1.2.1數據采集及存儲功能

能源管理系統通過網絡自動采集終端智能表計各類數據，并將采集到的原始數據以一定的間隔周期上傳并存儲至數據庫。

1.2.2數據統計及報表功能

能源管理系統對采集的數據進行能源的分類、分項和分戶統計，以報表、柱狀圖、餅圖、趨勢曲線等形式顯示能源數據和信息。各站分戶用電占比如圖3所示。

1.2.3實時監測功能

能源管理系統可以實時監測電表的三相電流/電壓、頻率、有功/無功功率、功率因數、有功電能、電表綜合變比等實時數據。

1.2.4能耗異常監控功能

能源管理系統可查詢系統監控到的電表和用電異常記錄，可新增、修改、刪除設置的被監控電表記錄，查詢設置的電表增量限額。

2能源管理系統在節能工作中的局限性

現有的城市軌道交通能源管理系統多用于遠程抄表、能源數據監測、統計等，并沒有在能源管理和節能控制方面很好地發揮作用。

2.1管理粗放統計粗略

現有的能源管理系統管理粗放，運行參數與能耗統計不準確、不精細，缺乏對實際能耗使用細節的關注，能耗數據與運行參數流于形式，存在能耗管理盲區。部分工程采用繼電保護裝置的測量功能采集能耗數據，負載率較低時能耗數據無法顯示。

2.2能源管理與節能控制脫節

現有能源管理系統的主要作用是對能源數據進行采集、統計，只監測不管控，能源管理與節能控制脫節。

2.2.1環控設備運行狀態與客流量脫節

據統計，大多數城市軌道交通環控系統按大設計值處于長期滿負荷運行狀態，無法根據客流量調節設備運行，甚至存在過度供冷等問題。

2.2.2個別設備房溫度過低

個別設備房機電設備低負荷運行，發熱量遠低于額定負荷，而空調系統按額定負荷發熱量運行，造成設備房溫度過低。

2.2.3照明設備全天處于高照度狀態

軌道交通列車行車密度在全天運行中存在很大差異，公共區照明全天運行時段均處于高照度，而無節能管控措施。

3基于大數據平臺的智慧能源管理系統

針對能源管理系統在節能工作中存在的問題，應對能源數據進行精細化采集，構建多系統協同管控的能源管理大數據平臺，建立科學的能耗評價指標，制定合理的自動化節能控制策略。

3.1能源管理系統分類分項分戶模型的建立

能源管理系統分類、分項、分戶模型的建立應從便于能源的統計、對比分析、節能考核及貿易結算等角度考慮，對采集到的數據按照時段、日、月、年計算分類、分項和分戶能耗數據以及均值（人均、單位面積均、車均等），為節能管控提供決策依據。能源管理系統發展路線如圖4所示。

3.1.1能源分類

能源分類主要指能源消耗的種類，包括電力、燃氣、燃油、燃煤、熱力以及水資源等。

3.1.2能源分項

能源分項是指根據各類能源的主要用途劃分進行采集和整理，其目的是區分、管理各類能源消耗，并為節能分析提供基礎數據。

能源分項主要分為車輛牽引用電和動力照明用電，動力照明用電又可分為通風空調用電、動力用電、設備用電、照明用電、商業用電、物業用電等小項。通風空調系統設備所消耗的電能約占整個車站動力耗電量的50%，存在很大的節能空間，此類需要進行節能分析的用電負荷，應劃分用電細項進行統計。用電分項模型如圖5所示。

3.1.3能源分戶

能源分戶的主要目的是實現能耗統計、節能考核、貿易結算等，能源分戶可按不同能源消耗主體如車站、控制、車輛段、停車場及主變電所等進行能耗數據的統計和整理，其中，車輛段及停車場的每一處獨立單體可為一統計小戶。

為了便于軌道交通各車站的能源消耗對比分析，車站大戶用電一般指動力照明用電，不包括牽引用電。

3.2建立能源管理系統大數據平臺

城市軌道交通應構建線網級能源管理系統，除了根據分類、分項、分戶模型采集各線能源數據外，能源管理系統同時與AFC（AutomaticFareCollection，自動收費）系統、信號系統、BAS（樓宇自動化系統）等互聯互通，將運營數據（客流、車次）、環控數據、車站數據等納入能源管理系統大數據平臺（見圖6），以報表、趨勢圖、柱形圖、餅圖等的形式顯示線路、車站、設備等的能耗趨勢，并計算出單位客運周轉量、單位運營里程、單位面積等的能耗數據。

3.3建立能耗評價指標

能耗評價指標是能耗數據分析工作的直觀體現，也是檢驗能源管理工作的重要依據[7]。只有建立科學的能耗評價指標，才能更好地指導節能工作。能耗評價指標如表1所示。

3.4智慧能源管理系統

根據科學、合理的能源管理系統評價指標，制定合理的節能控制策略，與綜合監控系統聯動，對列車運行模式、環控設備、照明設備等進行自動控制，及時、準確地調整設備運行狀態，達到自動控制節能的目的。

a)在非高峰運營時段，適當控制列車運行速度，采用大小交路套跑的行車組織模式控制列車運營，降低單位運營里程牽引電耗；b)根據客流情況和環控數據自動調整通風、空調設備運行工況，降低單位客運量電耗；c)根據列車車次自動控制公共區照明設備啟停，降低運營線公里電耗。

4 Acrel-EIOT能源物聯網云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯網開放平臺是一套基于物聯網數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯網傳感器，選配網關，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業數據服務。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數據訪問。

（2）應用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統集成商、小型物業、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業能耗、智能燈塔、電力運維等領域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實現對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環境友好。在智能化方面實現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設備運行（包括歷史和實時參數，并根據實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現從能源數據采集、過程監控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產以及使用的全過程有機結合起來，運用的數據處理與分析技術，進行離線生產分析與管理，實現全廠能源系統的統一調度，優化能源介質平衡、有效利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權限分配，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執行開戶、銷戶、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表：提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導出。

預付費看板

充電樁管理

通過物聯網技術，對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監控、運營分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

智能照明

智能照明通過物聯網技術對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態進行不間斷地數據監測，也可以實現定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節能減掛的效果。

監控頁面

安全用電

安全用電采用的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員，指導企業實現一時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現“防患于未然”的目的。

智慧消防

通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。補了原先針對“九小場所”和危化品生產企業無法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統化”、用電管理“精細化”的實際需求。

（5）系統硬件配置

類型	型號	外觀	產品功能
能源物聯網云平臺	Acrel-EIOT		提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數據訪問
智能網關	AWT100-4G		1路下行485，上行可選配4G、WIFI、網口
智能網關	ANet-1E2S1-4G		上行：以太網、4G 下行：RS485
物聯網電表	ARTU系列		可擴展DIDO以及多路模擬量輸入輸出單元。通訊方式：RS485接口，Modbus協議。可擴展2G、Lora、LoRAWAN、NB-IoT、4G、以太網
無線測溫	ARTM-Pn		可監測電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、電能，可接收60個無線溫度傳感器溫度
無線測溫	ATC600	$C:\Users\wangshihui\Desktop\智能配電產品圖品2019.12.13\ARTM\ATC\ATC600\7E7A9790.jpg7E7A9790$	ATC600有2種工作模式：終端(-C)、中繼(-Z)，可根據項目布局選擇配置。可接收240個無線溫度傳感器溫度
光伏監控	AGF		光伏電池串開路報警，可以配合組串電壓進行綜合判斷；帶3路開關量狀態監測，用于采集直流斷路器、防雷器等輸出空接點狀態；一次電流采用穿孔方式接入，安裝方便，安全性高；測量元件采用霍爾傳感器，隔離測量大電流20A；電壓測量功能可測量母線電壓高DC1500V
電力監控	AEM96		三相電力參數測量、電壓和電流的相角、四象限電能計量、復費率、大需量、歷史電能統計、開關量事件記錄、歷史極值記錄、31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）、開關量、報警輸出通訊方式：RS485接口，支持Modbus-RTU協議
	AEM72		三相電力參數測量、電壓和電流的相角、四象限電能計量、復費率、大需量、歷史電能統計、開關量事件記錄、歷史極值記錄、31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）、開關量、報警輸出通訊方式：RS485接口，支持Modbus-RTU協議
	ACR系列		三相所有電力參數、大需量記錄（ACR320EFL）、分時電能統計及12月電能統計、日期時間顯示、LCD顯示、RS485通訊，事件記錄。通訊方式：RS485，Prifibus-DP、以太網
	APM系列		全電量測量，四象限電能，復費率電能，儀表內部溫度測量，總有功、總無功、總視在電能脈沖輸出、秒脈沖等可選。三相電流、有功功率、無功功率、視在功率實時需量及大需量(包含時間戳)。電流、線電壓、相電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、電流總諧波、電壓總諧波的本月極值和上月極值(包含時間戳)。中文顯示，有功電能0.2s級。通訊方式：RS485，Prifibus-DP、以太網
物聯網電表	DDS		有功、無功電能計量，電參量測量：U、I、P、Q、S、PF、F，LCD顯示，RS485通訊，MODBUS-RTU和DL/T645協議
物聯網電表	DDSD		電能計量：總電能計量（反向計入正向），3個月歷史電能數據凍結存儲電參量測量：U、I、P、Q、S、PF、F測量LCD顯示：8位段式LCD顯示按鍵編程：3按鍵可編程設置密碼、通訊地址、波特率、復費率和通訊協議。脈沖輸出：L有功電能脈沖輸出復費率：4個時區、2個時段表、14個日時段、4個費率通訊：RS485接口，MODBUS-RTU、DL/T645-97、DL/T645-07協議、紅外通訊
物聯網電表	DTSD		電能計量：有功電能計量（正、反向）、無功電能計量（正、反向）、A、B、C分相正向有功電能電參量測量：U、I、P、Q、S、PF、F諧波測量：2~31次諧波電壓電流LCD顯示：8位段式LCD顯示、背光顯示按鍵編程：4按鍵可編程通信、變比等參數脈沖輸出：有功脈沖輸出、無功脈沖輸出、時鐘脈沖輸出LED報警：失壓、過壓報警復費率及附帶功能：有源開關量輸入、3開關量輸出、支持4個時區、2個時段表、14個日時段、4個費率、大需量及發生時間、上48月、上90日歷史凍結數據、日期、時間通訊：紅外通訊、RS485接口、同時支持Modbus、DL/T645測溫：支持3外置NTC測溫
物聯網電表	ADL200		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。總電能計量（反向計入正向），3個月歷史電能數據凍結存儲；8位段式LCD顯示；有功電能脈沖輸出；有功電能精度1級，無功電能2級。
	ACR10R		三相電流/電壓/頻率/功率因數，有功/無功/視在功率，四象限電能計量，大需量，復費率電能計量，總諧波含量、分次諧波（2-63次），事件記錄和報警功能。電能精度0.5級。通訊方式：RS485接口，支持Modbus-RTU協議
	ADL10-E		有功、無功電能計量，電參量測量：U、I、P、Q、S、PF、F，LCD顯示，RS485通訊，MODBUS-RTU和DL/T645協議
	ADL400		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。（正、反向）有功、無功電能計量；A、B、C分相正向有功電能計量；2-31次諧波電壓電流；12位段式LCD顯示、背光顯示，電能精度0.5s級。
	ADW200		4路三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量；電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量；電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量；當月及上三月的電壓、電流、功率極值記錄；大需量及上十二月歷史需量記錄；事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄；支持12路開關量輸入4路開關量輸出；支持12路測溫4路剩余電流測量；有功電能精度1級。通訊方式：RS485接口，支持Modbus-RTU協議
	ADW210		4路三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量；電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量；電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量；當月及上三月的電壓、電流、功率極值記錄；大需量及上十二月歷史需量記錄；事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄；支持12路開關量輸入4路開關量輸出；支持12路測溫4路剩余電流測量；有功電能精度1級。
	ADW300-4G		三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量；電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量；電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量；當月及上三月的電壓、電流、功率極值記錄；大需量及上十二月歷史需量記錄；事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄；支持4路開關量輸入、2路開關量輸出；支持4路測溫；支持1路剩余電流測量；支持本地顯示及按鍵設置；有功電能精度1級。通訊方式：支持RS485通訊、Lora無線通訊、4G通訊；WIFI通訊
預付費電表	DDSY-4G		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。有功電能計量（正、反向），A、B、C分相正向有功電能，支持4個時區、2個時段表、14個日時段、4個費率大需量及發生時間，實時需量，歷史凍結數據購電記錄；8位段式LCD顯示、背光顯示；有功電能脈沖輸出；有功電能精度1級，無功電能0.5s級。
預付費電表	DTSY-4G		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。有功電能計量（正、反向），A、B、C分相正向有功電能，支持4個時區、2個時段表、14個日時段、4個費率大需量及發生時間，實時需量，歷史凍結數據購電記錄；8位段式LCD顯示、背光顯示；有功電能脈沖輸出；有功電能精度1級，無功電能0.5s級。
直流電能表	DJSF1352		1.精度：1級或0.5級，帶±12V電壓輸出用于霍爾傳感器供電 2.測量：電壓、電流、功率、正反向電能，支持雙路計量。
電氣安全	ARCM300-Z		三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、cosΦ），視在電能、四象限電能計量，單回路剩余電流監測，4路溫度監測，2路繼電器輸出，2 路開關量輸入，支持斷電報警上傳
電氣安全	AAFD-DU		監測故障電弧、漏電、溫度兩路無源干接點（開關量）輸入兩路無源常開觸點（開關量）輸出
充電樁	ACX系列		充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電，
充電樁	AEV_AC007		額定功率7kW,單相三線制，防護等級IP65,具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用。通訊方式：4G、藍牙、Wifi
智慧照明	ASL200		遙控輸出兩路無源干接點（開關量）輸入兩路無源常開觸點（開關量）輸出