摘要：介紹了傳統(tǒng)軌道交通能源管理系統(tǒng)的構成及功能，指出現有能源管理系統(tǒng)在節(jié)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(tǒng)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(jié)能控制策略，實施多系統(tǒng)協同控制，大限度地降低能耗，發(fā)展為自動控制節(jié)能的智慧能源管理系統(tǒng)。

關鍵詞：能源管理系統(tǒng)；分類分項分戶；自動節(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(huán)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(jié)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(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、降低生產成本的需要，又是響應節(jié)能號召和全球減排溫室氣體的需要。

1能源管理系統(tǒng)的現狀

能源管理系統(tǒng)在很多城市軌道交通工程中已應用，能源管理系統(tǒng)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(tǒng)計、報表等。

1.1能源管理系統(tǒng)構成

能源管理系統(tǒng)架構包括能源管理系統(tǒng)、骨干網及現場數據采集表計。能源管理系統(tǒng)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(jiān)管。能源管理系統(tǒng)架構圖如圖2所示。

1.1.1能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)軟件，可實時顯示系統(tǒng)所有智能電、水表等的運行狀態(tài)及參數，查詢服務器歷史數據，進行統(tǒng)計、分析，生成各類能耗報表等。

1.1.2骨干網

將綜合監(jiān)控系統(tǒng)或通信系統(tǒng)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(tǒng)。

1.1.3現場表計

能源管理系統(tǒng)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(tǒng)。

1.2能源管理系統(tǒng)功能

能源管理系統(tǒng)對末端設備的能耗與能效數據進行采集、存儲、統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計及報表功能

能源管理系統(tǒng)對采集的數據進行能源的分類、分項和分戶統(tǒng)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(jiān)測功能

能源管理系統(tǒng)可以實時監(jiān)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(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、刪除設置的被監(jiān)控電表記錄，查詢設置的電表增量限額。

2能源管理系統(tǒng)在節(jié)能工作中的局限性

現有的城市軌道交通能源管理系統(tǒng)多用于遠程抄表、能源數據監(jiān)測、統(tǒng)計等，并沒有在能源管理和節(jié)能控制方面很好地發(fā)揮作用。

2.1管理粗放統(tǒng)計粗略

現有的能源管理系統(tǒng)管理粗放，運行參數與能耗統(tǒng)計不準確、不精細，缺乏對實際能耗使用細節(jié)的關注，能耗數據與運行參數流于形式，存在能耗管理盲區(qū)。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(jié)能控制脫節(jié)

現有能源管理系統(tǒng)的主要作用是對能源數據進行采集、統(tǒng)計，只監(jiān)測不管控，能源管理與節(jié)能控制脫節(jié)。

2.2.1環(huán)控設備運行狀態(tài)與客流量脫節(jié)

據統(tǒng)計，大多數城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)按大設計值處于長期滿負荷運行狀態(tài)，無法根據客流量調節(jié)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(fā)熱量遠低于額定負荷，而空調系統(tǒng)按額定負荷發(fā)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(tài)

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(qū)照明全天運行時段均處于高照度，而無節(jié)能管控措施。

3基于大數據平臺的智慧能源管理系統(tǒng)

針對能源管理系統(tǒng)在節(jié)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(tǒng)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(jié)能控制策略。

3.1能源管理系統(tǒng)分類分項分戶模型的建立

能源管理系統(tǒng)分類、分項、分戶模型的建立應從便于能源的統(tǒng)計、對比分析、節(jié)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(jié)能管控提供決策依據。能源管理系統(tǒng)發(fā)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(qū)分、管理各類能源消耗，并為節(jié)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(yè)用電、物業(yè)用電等小項。通風空調系統(tǒng)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(jié)能空間，此類需要進行節(jié)能分析的用電負荷，應劃分用電細項進行統(tǒng)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(tǒng)計、節(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)大數據平臺

城市軌道交通應構建線網級能源管理系統(tǒng)，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(tǒng)同時與AFC（AutomaticFareCollection，自動收費）系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、BAS（BuildingAutomattem，樓宇自動化系統(tǒng)）等互聯互通，將運營數據（客流、車次）、環(huán)控數據、車站數據等納入能源管理系統(tǒng)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(jié)能工作。能耗評價指標如表1所示。

3.4智慧能源管理系統(tǒng)

根據科學、合理的能源管理系統(tǒng)評價指標，制定合理的節(jié)能控制策略，與綜合監(jiān)控系統(tǒng)聯動，對列車運行模式、環(huán)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(tài)，達到自動控制節(jié)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(huán)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(qū)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(tǒng)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(yè)數據服務。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監(jiān)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(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(jiān)測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)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(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化、信息化技術，實現從能源數據采集、過程監(jiān)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(tǒng)的統(tǒng)一調度，優(yōu)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(jié)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(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)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(zhí)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(tǒng)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(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監(jiān)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(jiān)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(qū)域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數據監(jiān)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(jié)能減掛的效果。

監(jiān)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(fā)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(tǒng)計分析，并將發(fā)現的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)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(jiān)管等目標。原先針對“九小場所"和?；飞a企業(yè)無法有效監(jiān)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(tǒng)化"、用電管理“精細化"的實際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

5結論

云平臺的發(fā)展和應用為城市軌道交通的綜合承載和數據共享提供了有力的技術支撐，具備建立能源管理系統(tǒng)大數據平臺的條件。但基于能源管理大數據平臺的節(jié)能控制策略尚不完善，需要多系統(tǒng)協同做進一步研究。

城軌交通，智慧先行?！吨袊鞘熊壍澜煌ㄖ腔鄢擒壈l(fā)展綱要》指出智能能源系統(tǒng)體系是智慧城軌建設藍圖的目標之一。未來能源管理系統(tǒng)的發(fā)展方向必將是相關系統(tǒng)互聯互通，制定合理的自動化控制策略，實施多系統(tǒng)協同控制，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)展成為自動控制節(jié)能的智慧能源管理系統(tǒng)。

參考文獻：

［1］ 中國城市軌道交通協會.城市軌道交通 2019 年度統(tǒng)計和分析報告［R/OL］

［2］ 宋新啟.地鐵能源管理系統(tǒng)設計.

［3］ 湛維昭.實現電能管控功能的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的研究

［4］ 董存祥.基于綜合監(jiān)控系統(tǒng)的城軌交通節(jié)能研究［J］.

［5］ 韓冶.城市軌道交通能源管理系統(tǒng)設計方案［J］.

［6］ 王文格，胡偉然，羅 蘭，朱雨婷.城市軌道交通智慧能源管理系統(tǒng)