楊超華

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,201103,上海∥工程師)

能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)在軌道交通中的應(yīng)用

楊超華

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,201103,上?！喂こ處?

能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)可以為城市軌道交通節(jié)能管理工作提供強大的數(shù)據(jù)支持,并逐步在國內(nèi)城市軌道交通中得到廣泛應(yīng)用。介紹了智能表計集中設(shè)置時的設(shè)置方案;根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的基本架構(gòu),分別闡述了其站級、線路級及網(wǎng)絡(luò)級系統(tǒng)的功能、設(shè)置位置及組成;分析了能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的總體功能及應(yīng)用效果。

城市軌道交通; 節(jié)能; 能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)

Author′s address Shanghai Shentong Metro Research & Consultancy Co.,Ltd,201103,Shanghai,China

隨著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，其用電量也逐年增長。如2014年上海軌道交通總用電量已經(jīng)達到15億kWh。只有加快能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的建設(shè),并進一步完善系統(tǒng)相關(guān)功能的開發(fā),并以此來替代人工統(tǒng)計工作,才能適應(yīng)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢,充分發(fā)揮能源管理信息化帶來的成果。

1 城市軌道交通能源消費結(jié)構(gòu)及供應(yīng)方式

城市軌道交通主要消耗的是電能。電能消耗約占能源消耗總量的99%左右。城市軌道交通消耗的電能主要由牽引能耗和動力照明能耗兩部分構(gòu)成。牽引能耗主要是列車在運行過程中消耗的電能;動力照明能耗則是車站機電設(shè)備在運營過程中消耗的電能。地下線路和地上線路的牽引能耗分別約占總用電量的50%～60%和60%～70%;地下線路和地上線路的動力及照明能耗分別約占總用電量的40%～50%和30%～40%。地下線路的能源消耗結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 城市軌道交通地下線路能源消費結(jié)構(gòu)示意圖

城市軌道交通供電系統(tǒng)一般采用集中供電方式,主要由主變電所、中壓網(wǎng)絡(luò)、牽引變電所、降壓變電所、接觸網(wǎng)等組成。主變電所從城市電網(wǎng)獲取兩路獨立電源;然后,將獨立電源降壓后,通過AC 35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)傳輸給牽引變電所及降壓變電所。其中,牽引變電所將AC 35 kV電能轉(zhuǎn)換成DC 1 500 V電能后通過接觸網(wǎng)為列車供電;降壓變電所將35 kV電能降壓成400 V電能后為車站機電設(shè)備供電。城市軌道交通能源供應(yīng)方式如圖2所示。鑒于城市軌道交通以電能消耗為主,并且一般采用集中供電方式,故能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)可以依托供電系統(tǒng)的架構(gòu)來建設(shè)。

2 智能表計設(shè)置方案

智能表計是能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的重要終端設(shè)

圖2 城市軌道交通能源供應(yīng)方式示意圖

備。其設(shè)置方案均與能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的監(jiān)測管理范圍等密切相關(guān)。整個系統(tǒng)依托供電系統(tǒng)的架構(gòu)來建設(shè),如果智能表計分散設(shè)置于各設(shè)備終端,則建設(shè)投資巨大,維護管理也有諸多不便。故智能表計可以集中設(shè)置于各變電所內(nèi)。這樣不僅能實現(xiàn)對列車牽引能耗數(shù)據(jù)及車站各主要機電系統(tǒng)的動力、照明能耗數(shù)據(jù)的采集,也規(guī)避了上述缺點。

2.1 變電所設(shè)置

(1) 為統(tǒng)計整條線路的能耗數(shù)據(jù),且在主變電所共享情況下區(qū)分本線路能耗與其他線路能耗,一般在主變電所35 kV進線及向其它線路供電的饋線回路設(shè)置智能表計。

(2) 為統(tǒng)計整條線路的牽引能耗,一般在牽引變電所35 kV開關(guān)至整流變壓器饋線回路設(shè)置智能表計。

(3) 為統(tǒng)計各個車站的動力及照明能耗,一般在降壓變電所或跟隨變電所的35 kV開關(guān)至配電變壓器饋線回路設(shè)置智能表計。

2.2 車站設(shè)置

(1) 由于地下車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及自動扶梯所消耗的電能約占車站動力及照明能耗的70%～80%。故在降壓變電所的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用電回路、冷水機組用電回路、照明用電回路及自動扶梯用電回路設(shè)置智能表計。其中，若照明回路設(shè)有集中母線,則只需在總開關(guān)回路集中設(shè)置智能表計。

(2) 由于城市軌道交通一般會設(shè)置UPS(不間斷電源)整合系統(tǒng)，為除了信號系統(tǒng)以外的弱電系統(tǒng)供電，故為了統(tǒng)計車站弱電系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù),一般只需在降壓變電所的UPS整合系統(tǒng)用電回路設(shè)置智能表計。

(3) 為實現(xiàn)對非軌道交通用電的監(jiān)測,一般在降壓變電所的三類負荷總開關(guān)回路及商業(yè)用電回路等設(shè)置智能表計。

(4) 對于不經(jīng)常使用的用電回路或僅在事故或火災(zāi)狀態(tài)下使用的用電回路則不考慮設(shè)置智能表計,如維修電源、防淹門、消防設(shè)備等。

2.3 車輛基地設(shè)置

車輛基地低壓用電負荷點比較分散,可根據(jù)車輛基地的規(guī)模及功能要求按建筑實體配置智能表計。

3 能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的基本架構(gòu)

為適應(yīng)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)劃發(fā)展的需求,能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)推薦采用站級、線路級及網(wǎng)絡(luò)級三級架構(gòu)(如圖3所示)。其中,站級系統(tǒng)設(shè)置于車站變電所內(nèi);線路級系統(tǒng)設(shè)置于OCC(運行控制中心)內(nèi);網(wǎng)絡(luò)級系統(tǒng)設(shè)置于COCC(線網(wǎng)指揮中心)附近。這樣的架構(gòu)與城市軌道交通供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及其他監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)基本相似,便于實現(xiàn)設(shè)備用房、電源,以及數(shù)據(jù)傳輸通道等資源的共享。

3.1 站級系統(tǒng)

站級系統(tǒng)是能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)與智能表計之間的重要紐帶。站級系統(tǒng)一般設(shè)置于各車站、控制中心及車輛基地的變電所控制室內(nèi),并由直流電源屏或交流電源屏提供電源。站級能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)一般選用工業(yè)控制計算機作為主設(shè)備。由于降壓變電所內(nèi)一般會預(yù)留一定比例的備用回路,故站級系統(tǒng)也需要為將來新增智能表計的接入預(yù)留一定接口與容量。

3.2 線路級系統(tǒng)

線路級系統(tǒng)是本線路能耗數(shù)據(jù)的匯聚點,也是站級系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)級系統(tǒng)之間的重要紐帶。線路級系統(tǒng)一般設(shè)置于本線路的OCC內(nèi),并由UPS提供電源。線路級系統(tǒng)主要由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、維護工作站,以及交換機、防火墻等設(shè)備組成。由于其他監(jiān)控系統(tǒng)一般也會將其中央級系統(tǒng)設(shè)置于OCC內(nèi),故線路級系統(tǒng)還需為其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接入預(yù)留一定接口與容量。

圖3 城市軌道交通能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)級系統(tǒng)

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)級系統(tǒng)可使能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)更好地適應(yīng)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需求。網(wǎng)絡(luò)級能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)一般設(shè)置于COCC附近。網(wǎng)絡(luò)級系統(tǒng)主要由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器、維護工作站,以及交換機、正反向隔離裝置、防火墻等設(shè)備組成。為提高整個系統(tǒng)的可靠性,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及通信服務(wù)器應(yīng)考慮冗余設(shè)置。

4 能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的功能分析

由于能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的用戶數(shù)量多而分散,并且隨著新線的接入系統(tǒng)需要不斷升級;故系統(tǒng)一般采用瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)。這樣客戶端可以不用安裝任何軟件,只要通過瀏覽器就可以訪問系統(tǒng)。除此之外,根據(jù)日常節(jié)能管理工作的經(jīng)驗,能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)至少應(yīng)具備以下功能:

(1) 故障報警功能。能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的設(shè)備眾多,為減少日常維護工作量,系統(tǒng)本身應(yīng)對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)視與報警,并能精確定位故障范圍,如是工控機故障還是智能表計故障;還能區(qū)分故障類型,如是通信故障還是設(shè)備故障。

(2) 歷史數(shù)據(jù)查詢功能。能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)存儲了各條線路、各個車站的各種類型的能耗數(shù)據(jù),如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電量等。系統(tǒng)本身應(yīng)具備完善的模糊查詢功能,可以根據(jù)時間、線路、車站查詢用戶所需要的數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)對比功能。日常節(jié)能管理工作經(jīng)常涉及線路、車站、系統(tǒng)之間能耗數(shù)據(jù)的對比分析,故能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)還應(yīng)具備線路、車站等的相同數(shù)據(jù)類型之間的對比分析功能。

(4) 負荷率統(tǒng)計功能。城市軌道交通動力變壓器容量的選擇一直是困擾設(shè)計的難題。目前,國內(nèi)城市軌道交通動力變壓器的容量往往偏大,負荷率一般僅在30%左右。通過能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)可以很方便地實現(xiàn)對變壓器負荷率的統(tǒng)計,實際負荷率數(shù)據(jù)將對城市軌道交通動力變壓器容量的選擇起到重要的參考作用。

(5) 報表功能。日常節(jié)能管理工作具有一定的周期性,能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)節(jié)能工作的需要定期自動生成網(wǎng)絡(luò)、線路、車站的年、月、日能耗統(tǒng)計報表。

(6) 維護功能。系統(tǒng)還應(yīng)提供日常維護工具,用于編輯公式、定義信息點等,避免工作人員直接對數(shù)據(jù)庫進行操作。

5 能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果

能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的建立可實現(xiàn)城市軌道交通能源管理信息化的目標(biāo),為日常節(jié)能管理工作的有序開展提供數(shù)據(jù)支持與保障。

(1) 工作人員可通過能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)驗證節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果,避免盲目加裝節(jié)能裝置。以上海軌道交通某車站為例,該車站進行了照明節(jié)能改造,通過能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)節(jié)能改造后相比節(jié)能改造前該車站的負荷電流有明顯下降(如圖4、圖5所示),節(jié)能效果較顯著。

圖4 某車站1號動力變電站節(jié)能改造某月前負荷電流

圖5 某車站1號動力變電站節(jié)能改造后某月負荷電流

(2) 能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)能幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)并糾正不合理的用電行為,使能耗得到及時而有效的控制。一般情況下車站照明等設(shè)備在非運營時段均應(yīng)關(guān)閉,故此時的用電回路的負荷電流較運營時段應(yīng)有明顯下降(如圖6所示)。

圖6 某車站照明回路日負荷電流正常曲線

若非運營時段的負荷電流較運營時段無明顯下降(如圖7所示),則此時工作人員就可通過本系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)并糾正不合理的用電行為,使能耗得到及時而有效的控制。

圖7 某車站照明回路日負荷電流異常曲線

6 結(jié)語

由站級、線級、網(wǎng)級三級架構(gòu)組成的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)基本實現(xiàn)了城市軌道交通能源管理信息化的需求。隨著對城市軌道交通能耗指標(biāo)體系的深入研究,該系統(tǒng)將能耗數(shù)據(jù)與運營數(shù)據(jù)相結(jié)合形成能耗指標(biāo)(如客流量能耗指標(biāo)、車輛周轉(zhuǎn)量指標(biāo)及客運周轉(zhuǎn)量指標(biāo)等)。這對于日常節(jié)能管理工作有很大的幫助。如何將信號系統(tǒng)的行車信息、自動售檢票系統(tǒng)的客流信息、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的車站環(huán)境信息安全地接入能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)之中,將成為能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)下一步研究發(fā)展的方向。

[1] 上海申通地鐵集團有限公司.軌道交通能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)建設(shè)指導(dǎo)意見[R].上海:上海申通地鐵集團有限公司,2012.

[2] 王曉保.城市軌道交通系統(tǒng)節(jié)能措施及能耗評價體系分析[C]∥上海申通軌道交通研究咨詢有限公司.城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化探索與實踐論文集.北京:人民交通出版社,2010:69-75.

Application of Energy Consumption Monitoring & Management System in Rail Transit

YANG Chaohua

The energy consumption monitoring & management system provides a powerful data support to the management of energy conservation in rail transit,and has been widely applied in urbanl rail transit in China.An allocation scheme of smart indicators is introduced,based on the basic structure of energy consumption monitoring & management system,the architecture,functional requirements and effect of the smart indicators installed on different levels are described,the overall functions and application effect of the system are analyzed.

urban rail transit; energy saving; energy consumption monitoring and management system

TK 012:U231

10.16037/j.1007-869x.2016.12.028

2015-12-13)