沈文杰

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055）

在節(jié)能減排的大背景下，各種能源監(jiān)測系統(tǒng)紛紛涌現(xiàn)，實踐證明，能源管理在企業(yè)中發(fā)揮著重要的基礎(chǔ)保證作用，完善的監(jiān)測工作是節(jié)能減排的最原始依據(jù)，對采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析，進行成本核算，對浪費進行改正，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。但目前普遍的能源監(jiān)測系統(tǒng)只做到了對能源進行二級計量，但二級計量方式基本只是對能源系統(tǒng)總量或局部總量的進行計量，提供的能耗數(shù)據(jù)只是局部區(qū)域、多個設(shè)備或者某個時段的用能數(shù)據(jù)，沒有做到實時同步統(tǒng)計測量，無法做到實時監(jiān)測與管理能源消耗過程，對于負載設(shè)備能源消耗過程數(shù)據(jù)缺乏細節(jié)數(shù)據(jù)，其主要缺陷主要有以下幾點：

1）無法對末端負載設(shè)備用能過程細節(jié)進行及時測量和效果評估。

2）用能數(shù)據(jù)無法與效果進行聯(lián)動分析和比較，無法對用能過程能耗進行分解。

3）能源數(shù)據(jù)精度差，不能據(jù)此來分析整體用能設(shè)備的能耗過程和效率情況。

綜上所述，目前絕大多數(shù)節(jié)能措施缺乏細節(jié)能耗和相應(yīng)技術(shù)分析比較作為支撐，在節(jié)能措施采取后也缺乏相應(yīng)細節(jié)能耗數(shù)據(jù)進行比對和管理，無法考核所使用的節(jié)能措施是否達到預(yù)期效果。因此實現(xiàn)從能源二級計量進一步提升到末端全負荷計量以實現(xiàn)對整體設(shè)施和系統(tǒng)的能效監(jiān)測，成為行業(yè)關(guān)注的焦點。

1 能源管理系統(tǒng)組成

能源管理系統(tǒng)（EMS）是一套整體的管理思想和方法，在滿足設(shè)施功能要求的同時，為了使用能損耗最小，能源所發(fā)揮出的效率最高而對用能設(shè)備和整個用能情況進行監(jiān)測、比較與分析的節(jié)能辦法。

在軌道交通快速發(fā)展的今天，對車站風(fēng)、水、電和其他能源系統(tǒng)的運行管理和能效管理控制顯得格外重要，每個車站都有大量用能設(shè)備，如何合理的管理這些設(shè)備群組，使其用最低的能量發(fā)揮最大的效益，是目前京津冀一體化大背景下地鐵建設(shè)及運營過程中爭先探索的首要問題。

能源管理系統(tǒng)包括對損耗的各種分項數(shù)據(jù)的收集、能耗過程和狀況的在線監(jiān)測、能效分析管理、能耗成本分攤和趨勢預(yù)測，并通過對耗電設(shè)備及工藝參數(shù)的調(diào)整等，實現(xiàn)對軌道交通用能設(shè)備的整體能耗狀況進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)節(jié)能管理和節(jié)能改造。

地鐵中用能設(shè)備主要有動力（含末端用電、通排風(fēng)、給排水、屏蔽門、AFC等）、照明等各類能源設(shè)施和設(shè)備，通過以太網(wǎng)、光纖等通信方式實現(xiàn)對各個子系統(tǒng)的綜合在線監(jiān)測管理，就構(gòu)成了能源管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計遵循“監(jiān)測—分析—管控”的思路，依據(jù)分布式采集、統(tǒng)一性分析、電腦監(jiān)視、資源與信息共享的原則，組成一個標準化的集散型管理控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)采用分層分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，按照功能劃分，從上到下可分成管理應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場測控層，拓撲圖如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)拓撲圖

1.1 管理應(yīng)用層

能源管理系統(tǒng)的綜合管理工作站及各個子系統(tǒng)工作站稱為管理應(yīng)用層。能夠提供地鐵中作為分析用能指標的管理應(yīng)用模塊，包括能耗分類/分項/分區(qū)域管理、用電設(shè)備分布式管理、能效評估分析、能源質(zhì)量分析、能耗信息反饋、用能設(shè)備優(yōu)化使用等模塊，這些功能可以靈活組合，可擴展、可兼容。同時，在管理應(yīng)用層可通過以太網(wǎng)與其他高級應(yīng)用系統(tǒng)如BAS、FAS等系統(tǒng)進行銜接，共享數(shù)據(jù)與信息。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

這一層主要將現(xiàn)場采集到的各種設(shè)備狀態(tài)、能耗數(shù)據(jù)等信息進行歸類匯總并分析、處理，按規(guī)則進行記錄并緩存，并將數(shù)據(jù)傳送至管理應(yīng)用層。另外還可根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析結(jié)果進行計算，并生成控制命令，或接收上一層的控制命令下發(fā)至現(xiàn)場受控設(shè)備，以實現(xiàn)遙控功能。網(wǎng)絡(luò)通信層所用的主要設(shè)備有通信子站、面板及各設(shè)備系統(tǒng)的局部主控站等，通信設(shè)備在設(shè)計時應(yīng)將接口預(yù)留好，以滿足后期系統(tǒng)容量不足時需要擴容的需求。

1.3 現(xiàn)場測控層

這一層處在能源管理的末端，同時也是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源。建立一種通用的模塊化的模式，將各種智能儀表安裝在用電設(shè)備上口，實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)和能耗狀況，采集設(shè)備的運行狀態(tài)與參數(shù)，如電壓、電流、功率等，并根據(jù)上層的命令來修改設(shè)備工作方式，多次循環(huán)往復(fù)，尋找到各能源系統(tǒng)的最優(yōu)運行模式，并予以保持。現(xiàn)場測控層的設(shè)備主要包括智能儀器儀表，流量計以及各類傳感器等。

2 地鐵車站的能源管理系統(tǒng)設(shè)計

在了解能源管理系統(tǒng)的架構(gòu)之后，就需要對地鐵車站進行有針對性的設(shè)計，以實現(xiàn)能源管理系統(tǒng)的功能。地鐵車站內(nèi)的能源管理系統(tǒng)組成一般包含一個工作主站、幾個分區(qū)子站以及分布式末端子站。

2.1 能源管理系統(tǒng)主站

一般設(shè)置在綜合監(jiān)控室，相當(dāng)于整個能源系統(tǒng)的大腦。這個主站內(nèi)需要設(shè)置系統(tǒng)服務(wù)器一套（主/備雙機系統(tǒng)），應(yīng)用軟件采用EMS系統(tǒng)的專用軟件，對正常工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)監(jiān)測和末端用電設(shè)備狀態(tài)進行集中反饋，對事故的全過程進行記錄與分析，對開關(guān)分合動作進行統(tǒng)計分析，并處理多個系統(tǒng)或多個區(qū)域之間的數(shù)據(jù)共享等功能；除此之外還需配置1臺打印機，可以將系統(tǒng)軟件生成的各種圖表、圖形、故障分析曲線等打印出來；同時為保障供電的可靠性，需設(shè)置一臺UPS設(shè)備，可以保證供電的可靠性；在通信方面，主站可以與下面的各局部操作站以光纖形式相連接。

2.2 分區(qū)操作站

由于地鐵車站規(guī)模較大，尤其是換乘站，只采用一個主站進行管理，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)繁雜，采集計算量太大，為了便利車站運行人員的管理需要，可根據(jù)車站規(guī)模的大小，設(shè)置2～3個區(qū)域工作站，用來完成對各個分區(qū)設(shè)備的能源監(jiān)控與管理。這樣劃區(qū)域進行監(jiān)測并上傳，可避免大量數(shù)據(jù)擁堵，可以提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度和系統(tǒng)識別的準確性。

2.3 分布式通信子站

通信子站一般設(shè)置在降壓變電所內(nèi)的高低壓柜以及各個設(shè)備的配電箱或控制箱附近，向上一層是通過光纖與各區(qū)域子站相連接，向下一層則是通過屏蔽電纜與設(shè)備末端的智能儀表相連接，起到貫通上下的作用，對于集中采集分布于各處的水系統(tǒng)設(shè)備、配電系統(tǒng)設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)、柴油發(fā)電動機等的各項指標數(shù)據(jù)進行匯總。

2.4 主干通信數(shù)據(jù)網(wǎng)

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)一般由單模光纖構(gòu)成，從而完成主站、各區(qū)域子站與各末端分布子站間數(shù)據(jù)傳輸?？梢允褂霉饫w收發(fā)器來完成光電信號的轉(zhuǎn)換。對于末端測控層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)則采用屏蔽雙絞線將末端設(shè)備的損耗信息情況與末端子站相連接，形成末端的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.5 測控層硬件設(shè)備

測控層處于各系統(tǒng)的末端設(shè)備，對末端設(shè)備的負載能耗信息進行監(jiān)測，所涉及到的設(shè)備主要是智能設(shè)備監(jiān)測模塊，一般采用冗余CPU硬件設(shè)備來適應(yīng)大數(shù)據(jù)庫的在線監(jiān)測功能，通過總線通信進行上傳。

2.6 與各系統(tǒng)的銜接

也是出于節(jié)能的考慮，目前全國各地鐵站大部分都設(shè)計了光伏發(fā)電系統(tǒng)。能源管理系統(tǒng)可通過通信子站并經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與光伏設(shè)備預(yù)留接口進行數(shù)據(jù)傳輸，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的各項指標、電能質(zhì)量、諧波含量等數(shù)據(jù)進行實時上傳。

地鐵車站內(nèi)暖通空調(diào)專業(yè)設(shè)置了水系統(tǒng)，該系統(tǒng)含有較多的大容量用電設(shè)備，比如冷凍泵、冷卻泵等，能源管理系統(tǒng)在末端設(shè)備子站級可通過數(shù)據(jù)總線采集水系統(tǒng)中各設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，對這些大設(shè)備進行統(tǒng)一監(jiān)測，同時可上傳至工作主站對各設(shè)備進行監(jiān)測。

3 地鐵車站中能源管理系統(tǒng)的作用

能源管理系統(tǒng)目的在于實現(xiàn)設(shè)備的綠色節(jié)能運行，在運營管理中樹立先進的理念，努力降低設(shè)備損耗，提高設(shè)備效能，通過能源管理系統(tǒng)，可以不斷完善其數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化電氣設(shè)備的控制算法，最終為地鐵運營管理人員提供更加優(yōu)質(zhì)的能源管理與監(jiān)控平臺，使得數(shù)量眾多、種類不一的地鐵車站能夠各自節(jié)能減排，匯集到整個京津冀地區(qū)，能耗降低的總量便是客觀的，為地鐵建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供了有效的基礎(chǔ)和依據(jù)。

3.1 系統(tǒng)具體功能

1）對高低壓變配電所有回路進行實時全面的采集數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運行參數(shù)，變壓器溫度，環(huán)網(wǎng)柜、母聯(lián)柜、低壓柜的開關(guān)狀態(tài)。

2）對采集到的各類參數(shù)、變壓器負荷率等進行分類統(tǒng)計對比、進行原因分析，對重要配電回路的電能質(zhì)量進行監(jiān)測，保證整個供電系統(tǒng)的的可靠性，對各設(shè)備的安全運行提供了一道保障。

3）能夠提供與其他系統(tǒng)如 BAS、FAS等的接口，可以進行數(shù)據(jù)共享。

4）結(jié)合地鐵車站的用能特點或生產(chǎn)工藝流程，對設(shè)備的用能過程進行在線分析，及時準確的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的能耗改進點，并針對其運行工況制定管理控制策略，相互對比，以達到最佳運行水平。

5）對重點設(shè)備進行重點分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常運行狀態(tài)，并提示進行檢修維護，增加設(shè)備的運行壽命，提高系統(tǒng)整體的安全可靠性。

6）對各項能耗指標進行分區(qū)、分項、分類統(tǒng)計，同比、環(huán)比交叉比較，并以柱狀圖（2D/3D）、餅圖、曲線等直觀方式切換顯示。并生成各類分析報表，便于運營管理人員的節(jié)能減排管理工作。

3.2 能效分析

能源管理系統(tǒng)可將實際用能與計劃用能進行對比，進行能效分析，并可以預(yù)測在未來一段時間內(nèi)的用能趨勢，可以未雨綢繆，提前進行安排。首先，對變壓器、高壓柜、低壓柜、配電箱等處設(shè)置的智能儀表進行數(shù)據(jù)采集，對各總表或分表能耗數(shù)據(jù)的差異進行分析；其次，通過建立的數(shù)學(xué)模型，計算水、電等能源的損失情況，根據(jù)此數(shù)據(jù)計算能源管理所帶來的經(jīng)濟效益；再次，對能源利用情況分別進行年、月、日的管理，根據(jù)用能情況分析報告總結(jié)并發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常點，同時找出解決方案，形成能效分析報告，并對解決方案再進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析，經(jīng)過多次循環(huán)，找到最優(yōu)工作點；最后，幫助進行用能成本統(tǒng)計，實現(xiàn)運營管理人員的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低成本。

3.3 綜合報表

對各用能設(shè)備和系統(tǒng)運行參數(shù)進行匯總統(tǒng)計，并根據(jù)管理者的使用需求，生成系統(tǒng)文件，便于打印和保存?？缮赡?、季、月、日、時的耗能量、耗能費用以及能效匯總情況報表等。運營管理人員可根據(jù)自己的需要自定義各種報表的形式及內(nèi)容。對于所發(fā)生事件的記錄、故障報警等數(shù)據(jù)的報表，可以設(shè)置成定時和根據(jù)需要進行打印。

3.4 電能質(zhì)量分析

能源管理軟件可以通過對采集到的參數(shù)以及諧波參數(shù)進行電能質(zhì)量的分析，對波形記錄進行與常規(guī)波形比較，分析結(jié)果可用來對有害的電能因素提出對策，進行整改，以消除對設(shè)備的損害。并且可以對電力系統(tǒng)進行預(yù)警提示，如電網(wǎng)諧波過大、設(shè)備運行效率過低、能耗突變等。

3.5 其他功能

還具備其他日常管理的功能，例如：工作票管理，打印操作票、交接班記錄管理以及運營記錄管理等，對設(shè)備的缺陷、運行狀態(tài)、維修記錄等均可進行監(jiān)測。

應(yīng)用軟件具備開放性和兼容性，這樣可保證其他系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)的融合與銜接。

4 對節(jié)能效果的評估

通過對地鐵車站采用能源管理系統(tǒng)，利用系統(tǒng)軟件對采集數(shù)據(jù)進行細化、量化，對末端設(shè)備的能耗與能效數(shù)據(jù)進行實時在線采集，為地鐵運營管理工作提供了有效的能源管理工具和能耗計量工具，為進一步的節(jié)能減排，提高功效提供了應(yīng)用措施，順應(yīng)節(jié)能減排大環(huán)境的要求，為地鐵的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，預(yù)期會收到良好的經(jīng)濟與社會效益。首先該系統(tǒng)為地鐵站房提供主要用能設(shè)備的資源管理調(diào)度方案，總體規(guī)劃成本模型、總體節(jié)能減排管理等；其次為分區(qū)管理提供設(shè)備的資源管理調(diào)度、分部分項分區(qū)域的節(jié)能減排管理、對用電設(shè)備使用的電能進行成本考核；再次對末端設(shè)備的節(jié)能監(jiān)測、能源審計、綜合能耗統(tǒng)計與測試、進行各設(shè)備能量平衡統(tǒng)計、管理評價。下面以空調(diào)能耗、照明能耗和冷熱源能耗為例進行分析對比。

圖2 空調(diào)分時能耗條形圖

首先對空調(diào)分時能耗圖進行分析，地下一層以及設(shè)備層的空調(diào)能耗從00∶00到24∶00并沒有較大改變，從23∶00到次日05∶00這段時間，沒有車輛運營，所以部分空調(diào)可以關(guān)畢，同時在白天采用智能控制系統(tǒng)，把空調(diào)開關(guān)與溫度設(shè)定調(diào)節(jié)至最合理狀態(tài)，估算每天能夠節(jié)電約3000kW·h。

車站中照明節(jié)能也是重要的一個環(huán)節(jié)，地下一層照明在 23∶00—05∶00非運營時間與白天無太大差別，設(shè)備層照明每天基本固定不變，站臺照明在夜間一直開啟，通過設(shè)定照明智能系統(tǒng)對照度以及照明設(shè)備的控制，預(yù)計每天節(jié)能約為600kW·h。

對冷熱源能耗情況進行分析，可以發(fā)現(xiàn)冷熱源在運營時段的能耗略小于非運營時段的能耗，這說明存在部分不合理能耗，通過能耗智能管理系統(tǒng)，從末端負荷變化情況出發(fā)，動態(tài)的調(diào)整制冷及供熱設(shè)備，可以達到15%以上的節(jié)能，由于冷熱源系統(tǒng)設(shè)備耗電量大，估算每天節(jié)能約為8000kW·h。

圖3 照明分時能耗條形圖

5 結(jié)論

目前全國范圍內(nèi)都在積極推進節(jié)能減排、提高能效，京津冀一體化帶來的軌道交通建設(shè)運營也必然需要適應(yīng)節(jié)能的大潮，實踐證明，能源管理系統(tǒng)不僅僅可以為地鐵設(shè)備運行帶來最直接的經(jīng)濟效益，同時也是大勢所趨，能帶來良好的社會效益，作為大型基礎(chǔ)設(shè)施以及大型公共建筑建設(shè)管理，對能耗要求是必不可少的，京津冀一體化發(fā)展，必然帶來軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，每一座車站都進行節(jié)能設(shè)計，用能管理，這樣匯總起來將是客觀的經(jīng)濟效益。能源管理系統(tǒng)提供了節(jié)能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及管理方法，在直觀的數(shù)據(jù)以及比較下，校正設(shè)備的運行模式，使其按照最經(jīng)濟合理的方式提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

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