黃明才，方漫然

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南京地鐵線網(wǎng)能源管理中心

黃明才，方漫然

（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，南京 210012）

南京地鐵線網(wǎng)化運(yùn)營(yíng)后，根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)線路能源管理系統(tǒng)情況，規(guī)劃建立了車站級(jí)、線路級(jí)和線網(wǎng)中心級(jí)3級(jí)的企業(yè)能源管理系統(tǒng)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)能源科學(xué)化管理和分析。線網(wǎng)能源管理中心建設(shè)首先要統(tǒng)一能耗數(shù)據(jù)模型，選擇接入系統(tǒng)的能耗參數(shù)，確定中心級(jí)和線路級(jí)之間的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)接入方案。線網(wǎng)能源管理中心系統(tǒng)硬件主要是服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)為一個(gè)分層、分布的大型系統(tǒng)，采用6層架構(gòu)設(shè)計(jì)、規(guī)劃了5個(gè)功能模塊、配置了3類服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析、限額管理、定額管理和用能指標(biāo)管理等多項(xiàng)功能，提高了南京地鐵能源精細(xì)化管理水平。

城市軌道交通；地鐵線網(wǎng)；能管中心；能源管理

地鐵具有耗電量大、運(yùn)行成本高的行業(yè)特點(diǎn)，能源消費(fèi)是地鐵運(yùn)營(yíng)成本的一項(xiàng)主要支出。隨著南京軌道交通線網(wǎng)的迅速擴(kuò)展，3號(hào)線、10號(hào)線、S1機(jī)場(chǎng)線、S8寧天線陸續(xù)投入運(yùn)營(yíng)，南京地鐵能耗飛速增長(zhǎng)，2015年電耗達(dá)到4.288 8×108kW·h。為了提高企業(yè)節(jié)能減排效率，南京地鐵先后完成了1、2號(hào)線能源管理系統(tǒng)的建設(shè)工作，并在新線同步建設(shè)了能源管理系統(tǒng)。但是由于設(shè)計(jì)及招標(biāo)等方面的原因，各線能源管理系統(tǒng)由不同的承包商承建，所采用的系統(tǒng)硬件與軟件差異較大，在表計(jì)設(shè)置、能管軟件界面、系統(tǒng)功能、能耗報(bào)表等各個(gè)方面存在較大差異。

隨著運(yùn)營(yíng)能源管理工作的深入，考慮后續(xù)線路能源管理系統(tǒng)的增加，需要合理規(guī)劃企業(yè)能源管理系統(tǒng)架構(gòu)，全面監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)能源消耗情況，實(shí)現(xiàn)能源科學(xué)化管理和分析，決定建設(shè)線網(wǎng)能源管理中心。

1 總體架構(gòu)

南京地鐵能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)由車站級(jí)、線路級(jí)和線網(wǎng)中心級(jí)3級(jí)結(jié)構(gòu)組成。車站級(jí)主要設(shè)備為數(shù)據(jù)采集器、多功能電表等，負(fù)責(zé)具體用電回路參數(shù)的采集、存儲(chǔ)及上傳。線路級(jí)主要設(shè)備為數(shù)據(jù)服務(wù)器、web服務(wù)器和工作站，通過(guò)運(yùn)行能管軟件可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)所有電表運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，查詢服務(wù)器歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，生成各類能耗報(bào)表[1]。線網(wǎng)中心級(jí)主要進(jìn)行線網(wǎng)各線能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析，對(duì)整個(gè)公司的用電進(jìn)行全面管理[2]。車站級(jí)、線路級(jí)已經(jīng)在各個(gè)線路建設(shè)完成，本項(xiàng)目重點(diǎn)是線網(wǎng)中心級(jí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建設(shè)，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 平臺(tái)建設(shè)基礎(chǔ)

線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)需將現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線、10號(hào)線、S1機(jī)場(chǎng)線、S8寧天線6條線路能源數(shù)據(jù)接入，并留有足夠的空間接入后續(xù)線路的能源數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在建設(shè)前需要統(tǒng)一能耗分類、分項(xiàng)及分戶模型，明確傳輸協(xié)議、傳輸參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)接入方案。

2.1 能耗分類、分項(xiàng)及分戶模型

在進(jìn)行線網(wǎng)能源管理中心建設(shè)時(shí)，首先要統(tǒng)一各線的能耗數(shù)據(jù)模型，并要求所有線路進(jìn)行統(tǒng)一應(yīng)用，從而在分項(xiàng)與分項(xiàng)、車站與車站、線路與線路之間進(jìn)行比較分析。根據(jù)南京地鐵的實(shí)際能耗以及用能設(shè)備的組成情況，按照地鐵能源管理要求，統(tǒng)一能耗分類、分項(xiàng)及分戶模型[3]。

2.2 線網(wǎng)平臺(tái)接入?yún)?shù)選擇

目前各個(gè)線路都采用多功能計(jì)量表，可采集包括功率、電流、電壓、功率因數(shù)等20多個(gè)參數(shù)，初步統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有6線的表計(jì)超過(guò)1萬(wàn)只。考慮到后續(xù)線路的陸續(xù)接入，最終接入表計(jì)要超過(guò)4萬(wàn)只，各個(gè)線路關(guān)系約1 000條，地鐵全線的線路關(guān)系約1.7萬(wàn)條。每個(gè)采集頻次下，變量、線路關(guān)系都在數(shù)據(jù)庫(kù)中產(chǎn)生1條記錄，約占用25B空間。采集頻次設(shè)定為10 min，即每個(gè)變量、關(guān)系每天產(chǎn)生144條記錄。按上述數(shù)據(jù)估算，每增加1個(gè)變量每年需要53 GB的存儲(chǔ)空間。因此線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)需要控制接入?yún)?shù)的數(shù)量，根據(jù)日常工作經(jīng)驗(yàn)，線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)主要針對(duì)能耗進(jìn)行分析，所以采用最簡(jiǎn)方式：只接入線路各類能耗有功功率和實(shí)時(shí)負(fù)荷，其他參數(shù)不上傳線網(wǎng)平臺(tái)，需要在線路能源管理系統(tǒng)上查詢、分析。

2.3 線網(wǎng)平臺(tái)與線路系統(tǒng)的通信協(xié)議

各個(gè)線路能源管理系統(tǒng)不同，后續(xù)線路能源管理系統(tǒng)也會(huì)存在差別，線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)與線路能源管理系統(tǒng)需要建立統(tǒng)一的通信協(xié)議[4]，本項(xiàng)目中各線路能源管理系統(tǒng)與中心平臺(tái)之間采用TCP 連接方式進(jìn)行交互，默認(rèn)端口為9999（端口可配置）。有效數(shù)據(jù)內(nèi)容為經(jīng)過(guò)AES（128 位）加密后的XML數(shù)據(jù)，包括站點(diǎn)信息、表計(jì)信息及變量信息，傳輸頻率為10 min，子站每隔10 min向主站傳輸1次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間也為10 min。

2.4 數(shù)據(jù)接入方案

各個(gè)線路能源管理系統(tǒng)服務(wù)器都放置在相應(yīng)線路的調(diào)度中心，地理位置較遠(yuǎn)，尚無(wú)專網(wǎng)連接，但是線路能源管理系統(tǒng)軟件普遍采用B/S架構(gòu)，通過(guò)web服務(wù)器接入公司OA網(wǎng)絡(luò)，所以本項(xiàng)目中線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)與線路能源管理系統(tǒng)之間通過(guò)企業(yè)OA網(wǎng)絡(luò)連接，兩者之間的數(shù)據(jù)接入采用數(shù)據(jù)庫(kù)層接入方案，設(shè)立中間數(shù)據(jù)庫(kù)，由線路能源管理系統(tǒng)按照約定格式，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存放入中間數(shù)據(jù)庫(kù)中。線網(wǎng)級(jí)能源管理平臺(tái)訪問(wèn)中間數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)。方案如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)層采集方案

使用該方案由線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)中間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、部署中間數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、開(kāi)發(fā)和部署數(shù)據(jù)采集程序，線路能源管理系統(tǒng)只需開(kāi)發(fā)、部署數(shù)據(jù)錄入程序，雙方工作范圍明確，對(duì)運(yùn)維中出現(xiàn)的各項(xiàng)問(wèn)題能及時(shí)定位和處理，工作效率高。

3 系統(tǒng)建設(shè)

線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)硬件設(shè)備比較簡(jiǎn)單，主要設(shè)備是服務(wù)器、光纖交換機(jī)和光纖存儲(chǔ)設(shè)備[5]。平臺(tái)軟件是項(xiàng)目的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)為一個(gè)分層、分布的大型系統(tǒng)，采用系統(tǒng)門戶、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)服務(wù)總線、數(shù)據(jù)采集中心6層架構(gòu)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖3），規(guī)劃用能監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、能效評(píng)估及輔助決策、用能安全管理等5個(gè)主模塊，配置了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)3類數(shù)據(jù)庫(kù)，保證了系統(tǒng)的可靠性及可擴(kuò)展性。

4 平臺(tái)主要功能

線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，具有圖形化的全中文人機(jī)界面、模塊化結(jié)構(gòu)、易于使用、配置靈活、操作便捷、人機(jī)交互簡(jiǎn)單清晰，便于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可直觀查詢各線路及各站點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)，并支持各線路、各站點(diǎn)能耗橫向?qū)Ρ?，以及展示各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

線網(wǎng)能源管理中心軟件界面包含首頁(yè)、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)指標(biāo)等多個(gè)模塊，除了線路級(jí)能源管理系統(tǒng)具備的基本功能外，還結(jié)合南京地鐵能源管理工作實(shí)際增加了部分功能。其中首頁(yè)概覽以區(qū)域化面板顯示南京地鐵總體用能情況；數(shù)據(jù)查詢模塊用于實(shí)時(shí)查詢各用能站點(diǎn)用電數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)指標(biāo)模塊主要用于橫向?qū)Ρ雀骶€路、各站點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)，并提供諸多報(bào)表配合展示[6]；定額管理模塊可以用于設(shè)定用能線路或站點(diǎn)的年、月能耗定額，支持計(jì)劃用量與實(shí)際用量對(duì)比，以及計(jì)劃費(fèi)用與實(shí)際費(fèi)用對(duì)比，使得用戶對(duì)用能額度了然于胸[7]。主要特色功能介紹如下。

4.1 數(shù)據(jù)查詢

線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)主要是針對(duì)線路、站點(diǎn)及各能耗類別的查詢，為了實(shí)現(xiàn)快速查詢，系統(tǒng)設(shè)置了分戶樹(shù)和分項(xiàng)樹(shù)，在分戶樹(shù)中可選擇線路、站點(diǎn)、基地和區(qū)間，分項(xiàng)樹(shù)則是按照統(tǒng)一制定的分項(xiàng)規(guī)則，選擇動(dòng)力照明和牽引用電，并可在動(dòng)力照明用電下繼續(xù)細(xì)分照明、通風(fēng)空調(diào)、動(dòng)力、特殊等分項(xiàng)，也可繼續(xù)往下分項(xiàng)。再結(jié)合時(shí)段的選擇，可快速實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)與分項(xiàng)能耗和負(fù)荷的查詢顯示，如圖4所示。

圖3 線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)軟件架構(gòu)

圖4 數(shù)據(jù)查詢

4.2 限額報(bào)警

通過(guò)制定異常用能規(guī)則，系統(tǒng)定時(shí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)用能是否達(dá)到設(shè)定閾值，超過(guò)設(shè)定時(shí)將進(jìn)行報(bào)警[8]。異常用能規(guī)則條件設(shè)定為兩類，一類為匯總用能，另一類是上漲百分比，選擇監(jiān)控時(shí)間段內(nèi)用能上限閾值，可選擇上周、上月、去年同期的匯總用能與同期比較，可以單獨(dú)設(shè)置上限值，也可單獨(dú)設(shè)置上漲百分比，或者使用兩者結(jié)合方式，滿足其中一個(gè)條件則進(jìn)行報(bào)警顯示，如圖5所示。

圖5 限額報(bào)警規(guī)則制定

通過(guò)該功能可對(duì)關(guān)鍵表計(jì)和關(guān)鍵用能設(shè)備進(jìn)行限額管理，出現(xiàn)報(bào)警及時(shí)進(jìn)行干預(yù)，現(xiàn)場(chǎng)核查表計(jì)，從而發(fā)現(xiàn)用能異常。

4.3 定額管理

該模塊主要結(jié)合南京地鐵車站能耗定額管理工作，用于設(shè)置車站能耗定額，查看實(shí)際用能與定額用能的差距，對(duì)發(fā)生超額用電的車站進(jìn)行分析，對(duì)車站用能定額管理工作執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)督。在“能源目標(biāo)管理編輯”中編輯車站每月定額指標(biāo)，在實(shí)際運(yùn)行中，與實(shí)際用電量約定額指標(biāo)進(jìn)行比較，如圖6所示，計(jì)劃用量以曲線顯示，實(shí)際用量以柱狀展示，兩者對(duì)比清晰，對(duì)于實(shí)際值大于設(shè)定值，代表超出定額，以紅色柱體標(biāo)識(shí)；實(shí)際值小于設(shè)定值，代表節(jié)能，以藍(lán)色柱體標(biāo)識(shí)。圖形下方以表格形式顯示實(shí)際值與設(shè)定值，系統(tǒng)計(jì)算實(shí)際值與設(shè)定值間的差額，實(shí)際值大于設(shè)定值的數(shù)值以紅色字體標(biāo)識(shí)。

圖6 定額管理顯示界面

4.4 用能指標(biāo)管理

南京地鐵建立了9個(gè)用能指標(biāo)，分別為單位建筑面積動(dòng)力電耗、單位建筑面積照明電耗、單位建筑面積空調(diào)電耗、每車公里牽引電耗、每乘次牽引電耗、每乘次動(dòng)力電耗、每人公里牽引電耗、每人公里動(dòng)力電耗、每人公里總電耗[9]。能管中心軟件平臺(tái)目前主要通過(guò)計(jì)算導(dǎo)出這些指標(biāo)值，通過(guò)同比和環(huán)比的分析，對(duì)指標(biāo)異常的線路、車站、分項(xiàng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢查，提出整改措施。后續(xù)準(zhǔn)備進(jìn)行能耗大數(shù)據(jù)的聚類研究，建立符合南京地鐵的用能指標(biāo)體系[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

南京地鐵線網(wǎng)能源管理中心平臺(tái)已經(jīng)建成使用，目前可查詢、分析1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線、10號(hào)線、S1機(jī)場(chǎng)線、S8寧天線6條線路的能源數(shù)據(jù)，從而方便地實(shí)現(xiàn)了分項(xiàng)與分項(xiàng)、車站與車站、線路與線路之間能耗的比較分析、車站能耗定額管理、關(guān)鍵用能設(shè)備的限額報(bào)警等功能，為能源管理人員進(jìn)行能耗管理提供極大的幫助。后續(xù)隨著新建線路能耗數(shù)據(jù)的接入，各線能耗數(shù)據(jù)的積累，能耗數(shù)據(jù)挖掘方法的完善，對(duì)南京地鐵能源管理工作將發(fā)揮更大的作用。

[] 黃明才, 李廣剛. 南京地鐵1號(hào)線能源監(jiān)管系統(tǒng)[J]. 都市快軌交通, 2011, 24(3): 95-98.HUANG Mingcai, LI Guanggang. Energy management system of Nanjing metro line 1[J]. Urban rapid rail transit, 2011, 24(3): 95-98.

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[4] 聶秋平, 吳敏, 張超, 等. 鋼鐵企業(yè)能源中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 控制工程, 2011, 18(3): 424-428. NIE Qiuping, WU Min, ZHANG Chao, et al. Design of energy center system for an iron and steel enterprise[J]. Control engineering of China, 2011, 18(3): 424-428.

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[0] 南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司. 南京地鐵能耗大數(shù)據(jù)和環(huán)控節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究招標(biāo)文件[A]. 南京, 2015.

（編輯：曹雪明）

The Energy Management Center of the Nanjing Metro Network

HUANG Mingcai, FANG Manran

(Nanjing Metro Operation Limited Liability Company, Nanjing 210012)

After the Nanjing metro line achieved network operation, we, according to the existing operating line energy management system, planned the establishment of a three-level (station-level, line-level, and network-center-level) enterprise energy management system architecture to analyze and improve enterprise energy management. The construction of the network energy management center should first unify the energy consumption data model, select the energy consumption parameters of the access system, and determine the communication protocol and data access scheme between the center level and the line level. The system hardware is mainly a server and storage device. The system software is designed as a hierarchical and distributed large-scale system. It adopts a six-layer architecture design; plans five function modules; configures three types of servers; and implements the data query, statistical analysis, quota management, and energy management indicators, among many other functions, to meticulously improve the Nanjing metro energy management level.

urban railway; metro network; energy management center; energy management

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.022

U231

A

1672-6073(2018)04-0114-05

2017-07-14

2017-09-07

黃明才，男，雙學(xué)士學(xué)位，工程師，從事地鐵能源管理及節(jié)能技術(shù)研究應(yīng)用方面的工作，37856867@qq.com