喻 奇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢∥高級(jí)工程師)

為實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排的戰(zhàn)略，推動(dòng)地鐵行業(yè)節(jié)能降耗，提升用能效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，各地紛紛增設(shè)地鐵能源管理系統(tǒng)[1]。地鐵運(yùn)營(yíng)消耗的能源通常包括電、水、燃?xì)狻⑷加偷?，其中絕大部分為電能的消耗，因此地鐵能源管理系統(tǒng)的重中之重即電能管理。

依據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018版)的規(guī)定：城市軌道交通車站屬于室外消防用水量大于25 L/s的其他公共建筑，其非消防用電負(fù)荷宜設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)[2]。JGJ 243—2011《交通建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》也規(guī)定，城市軌道交通地下車站應(yīng)設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

地鐵電能管理系統(tǒng)相關(guān)底層數(shù)據(jù)的采集涉及的設(shè)備包含中壓開(kāi)關(guān)柜、低壓開(kāi)關(guān)柜、環(huán)控柜或配電柜，而電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)底層數(shù)據(jù)采集涉及的設(shè)備包括低壓開(kāi)關(guān)柜、環(huán)控柜或配電柜。由此可見(jiàn)，地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)涉及的底層設(shè)備包含在能源管理系統(tǒng)涉及的底層設(shè)備范圍內(nèi)。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的功能在于對(duì)電氣火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警[4]，其系統(tǒng)可靠性要求與能源管理系統(tǒng)基本相同，因而在工程設(shè)計(jì)中將電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)融入能源管理系統(tǒng)具備可行性。本文擬研究?jī)上到y(tǒng)的融合設(shè)計(jì)方案。

1 電氣火災(zāi)監(jiān)控方案簡(jiǎn)介

1.1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.1.2條的規(guī)定：電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)由下列部分或全部設(shè)備組成：① 電氣火災(zāi)監(jiān)控器；② 剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器；③ 測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器[5]。

根據(jù)地鐵的特點(diǎn)，電氣火災(zāi)監(jiān)控器通常設(shè)置于地鐵車站控制室、控制中心和車輛基地的消防控制室。剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器由剩余電流傳感器和信號(hào)處理單元組成，剩余電流傳感器一般為剩余電流互感器，信號(hào)處理單元的作用為接收剩余電流傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[6]。測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器由測(cè)溫傳感器和信號(hào)處理單元組成，測(cè)溫傳感器一般由熱敏電阻或紅外測(cè)溫元件等組成，信號(hào)處理單元的作用為接收溫度參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[7]。典型地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 典型地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)探測(cè)器設(shè)置方案

根據(jù)GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器應(yīng)設(shè)置在低壓配電系統(tǒng)首端為基本原則，宜設(shè)置在第一級(jí)配電柜(箱)出線端[5]。結(jié)合地鐵的特點(diǎn)，變電所的400 V開(kāi)關(guān)柜非消防負(fù)荷饋線回路均需配置剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，部分城市地鐵在第二級(jí)配電的環(huán)控柜或配電箱非消防負(fù)荷饋線回路也配置剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器。對(duì)于采用剩余電流式傳感器難以解決誤報(bào)警問(wèn)題的饋線回路，通常改用測(cè)溫傳感器的方案，可選用多傳感器組合式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器接入系統(tǒng)。在地鐵工程建設(shè)實(shí)踐中，一臺(tái)電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器通常接6～10個(gè)傳感器，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地下二層地鐵車站通常需設(shè)置20～30臺(tái)電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器。

1.3 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)外部接口

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在地鐵的機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)中屬于相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，通常只與FAS系統(tǒng)(火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))接口，用于預(yù)警信息的傳遞，提醒運(yùn)營(yíng)人員及早檢查和防范。

2 能源管理系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介

2.1 能源管理系統(tǒng)的構(gòu)成

由于城市軌道交通能源管理系統(tǒng)尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各地執(zhí)行的地方標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異，如北京市要求按DB11T 1486—2017《軌道交通節(jié)能技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，上海市按DG/TJ 08-2232—2017《城市軌道交通工程技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，江蘇省則按DGJ32/TJ 132—2011《城市軌道交通能源管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行，未制定地方標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)差別更大。

各地方標(biāo)準(zhǔn)的具體要求雖然不盡相同，但是線路級(jí)能源管理系統(tǒng)的構(gòu)成基本相同，均由中心級(jí)管理系統(tǒng)、車站級(jí)管理系統(tǒng)(或管理單元)、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)以及聯(lián)系三者的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。典型地鐵能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 典型地鐵能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

中心級(jí)管理系統(tǒng)通常設(shè)置于運(yùn)營(yíng)控制中心，主要功能為監(jiān)管能源管理系統(tǒng)設(shè)備及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、處理、分析、統(tǒng)計(jì)等。車站級(jí)管理系統(tǒng)可根據(jù)需要設(shè)置，監(jiān)管一個(gè)或若干個(gè)車站的能源管理系統(tǒng)設(shè)備及相應(yīng)車站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集、處理、分析、統(tǒng)計(jì)等，通常設(shè)置于車站控制室[8]。能源管理系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)線路的能耗數(shù)據(jù)為主，不進(jìn)行開(kāi)關(guān)設(shè)備的控制操作[9]。

中心級(jí)管理系統(tǒng)配置有系統(tǒng)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、工作站、以太網(wǎng)三層交換機(jī)、硬件防火墻、打印機(jī)等。主干通信網(wǎng)利用通信系統(tǒng)提供的專用傳輸通道組建，或采用綜合監(jiān)控系統(tǒng)單獨(dú)劃分的虛擬局域網(wǎng)(VLAN)。車站級(jí)管理系統(tǒng)設(shè)有通信管理機(jī)和工作站?，F(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，設(shè)備由各類能源計(jì)量表計(jì)和網(wǎng)絡(luò)控制器等組成。

2.2 能源管理系統(tǒng)電能計(jì)量表計(jì)配置方案

根據(jù)GB 17167—2006《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》的要求，用電功率不低于10 kW的主要次級(jí)用能單位和不低于100 kW的主要用能設(shè)備須加裝電能計(jì)量表[10]。對(duì)于地鐵能源管理系統(tǒng)的電能計(jì)量表計(jì)配置方案，各地執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)雖然不統(tǒng)一，但均高于國(guó)標(biāo)要求。

地鐵能源管理系統(tǒng)的電能計(jì)量表計(jì)配置通常分為三級(jí)：第一級(jí)在110 kV主變電所或者中壓開(kāi)閉所進(jìn)線開(kāi)關(guān)處；第二級(jí)在車站級(jí)變電所整流變壓器和配電變壓器對(duì)應(yīng)中壓饋線開(kāi)關(guān)處；第三級(jí)在400 V開(kāi)關(guān)柜進(jìn)線開(kāi)關(guān)和400 V饋線開(kāi)關(guān)處，部分地鐵城市在環(huán)控柜饋線回路也設(shè)電能計(jì)量表計(jì)。400 V開(kāi)關(guān)柜配置電能計(jì)量表計(jì)的饋線回路涉及照明、空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯及電扶梯、特殊系統(tǒng)用電(如站臺(tái)門、自動(dòng)售票檢票系統(tǒng)、變電所等)及商業(yè)相關(guān)用電等。用電功率不低于10 kW的環(huán)控柜饋線回路配置電能計(jì)量表計(jì)。由于配電箱過(guò)于分散且饋線回路負(fù)荷相對(duì)較小，通常不配置電能計(jì)量表計(jì)。對(duì)于專用消防負(fù)荷回路，由于其正常情況下不工作，僅在火災(zāi)情況或事故演練時(shí)工作，因而沒(méi)有必要配置電能計(jì)量表計(jì)。

2.3 能源管理系統(tǒng)接口

地鐵運(yùn)營(yíng)消耗的各種能源與具體運(yùn)營(yíng)情況、外部環(huán)境條件相關(guān)，須設(shè)置與之相關(guān)的機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)接口，才能對(duì)實(shí)際節(jié)能情況進(jìn)行合理的分析。能源管理系統(tǒng)與地鐵多個(gè)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，諸如信號(hào)系統(tǒng)的行車密度、AFC系統(tǒng)(自動(dòng)售檢票系統(tǒng))的客流量、BAS系統(tǒng)(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))的環(huán)境狀態(tài)和通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行情況、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的車站人流量等。工程實(shí)施當(dāng)中，為減少系統(tǒng)接口數(shù)量，通常與綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口以便獲得所需數(shù)據(jù)，與OA系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)各級(jí)運(yùn)營(yíng)管理人員通過(guò)Web方式進(jìn)行信息調(diào)閱。若當(dāng)?shù)卦O(shè)有線網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)，還需與線網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)接口，上傳各類能耗用量的統(tǒng)計(jì)信息。能源管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的物理接口位置應(yīng)配置硬件防火墻。

3 系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)研究

3.1 系統(tǒng)融合底層設(shè)計(jì)方案

地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)最大共同點(diǎn)在于底層信息數(shù)據(jù)采集的位置重合度高，都需在400 V開(kāi)關(guān)柜饋線回路或環(huán)控柜饋線回路設(shè)置采集裝置，而且對(duì)于純消防負(fù)荷都無(wú)需設(shè)置采集裝置。因此對(duì)于絕大多數(shù)低壓的饋線回路，既需配置電能計(jì)量表計(jì)，又需配置電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器。

電能計(jì)量表計(jì)需采集對(duì)應(yīng)回路的三相電壓和三相電流，電流的采集源自電流互感器二次輸入；對(duì)于電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，絕大多數(shù)回路選用剩余電流式傳感器，個(gè)別回路選用測(cè)溫式傳感器。剩余電流的采集源自剩余電流互感器二次輸入，利用電能計(jì)量表計(jì)代替電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器采集剩余電流互感器的輸入信息，技術(shù)上完全可以實(shí)現(xiàn)。地鐵能源管理系統(tǒng)配置的電能計(jì)量表計(jì)為多功能電表，可擴(kuò)展性強(qiáng)，只需在原表計(jì)基礎(chǔ)上增加一路電流測(cè)量輸入回路。

對(duì)于測(cè)溫式傳感器，可配備工業(yè)應(yīng)用最廣泛的4～20 mA變送器，并在常規(guī)多功能電表基礎(chǔ)上增配4～20 mA電流采集電路和運(yùn)算芯片，由多功能電表將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度測(cè)量參數(shù)信息并傳輸至通信管理機(jī)。

多功能電表可就地顯示剩余電流式傳感器和測(cè)溫式傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，在多功能電表面板設(shè)報(bào)警燈，報(bào)警閾值設(shè)定由多功能電表的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)。

3.2 融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)融合后，融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與常規(guī)的地鐵能源管理系統(tǒng)大體保持一致，由中心級(jí)管理系統(tǒng)、車站級(jí)管理系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)和聯(lián)系三者的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。相比原能源管理系統(tǒng)，主要區(qū)別在于車站級(jí)管理系統(tǒng)需增設(shè)電氣火災(zāi)監(jiān)控器，所配置的電氣火災(zāi)監(jiān)控器應(yīng)具備解析多功能電表上傳數(shù)據(jù)的功能。融合后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 融合后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 融合系統(tǒng)接口方案

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)融合后，該系統(tǒng)在中心級(jí)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)、OA系統(tǒng)的物理接口方案與常規(guī)的地鐵能源管理系統(tǒng)保持一致。由于電氣火災(zāi)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的信息上傳，其軟件接口略有變化。該系統(tǒng)在車站級(jí)由電氣火災(zāi)監(jiān)控器與FAS系統(tǒng)接口，其接口方案與常規(guī)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)方案相同。

3.4 融合系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)融合為一套系統(tǒng)，具備以下優(yōu)勢(shì)：

1) 融合系統(tǒng)設(shè)備配置數(shù)量相對(duì)減少，無(wú)需單獨(dú)配置電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，其原有的功能由多功能電表實(shí)現(xiàn)，電氣火災(zāi)監(jiān)控?zé)o需單獨(dú)組網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)接線大大減少，因而工程投資減少。

2) 地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的探測(cè)器通常接6～10個(gè)傳感器，在融合系統(tǒng)中每只多功能電表僅接1個(gè)剩余電流傳感器或者1組(3個(gè))測(cè)溫式傳感器，其可靠性和可用性也得到提升。

3) 可減少電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)誤報(bào)警情況，提高報(bào)警后的排查效率。對(duì)于監(jiān)測(cè)回路固有漏電流造成的誤報(bào)警，可通過(guò)在多功能電表輸入饋線回路的相關(guān)信息進(jìn)而生成固有漏電補(bǔ)償量(需多功能電表運(yùn)算芯片支持)。各監(jiān)測(cè)回路的剩余電流測(cè)量信息可隨多功能電表采集的電量信息一同上傳至控制中心，可結(jié)合融合系統(tǒng)大數(shù)據(jù)對(duì)報(bào)警回路進(jìn)行智能分析，給出可能造成報(bào)警的原因和排查方案，為下一步排查工作提供技術(shù)指導(dǎo)。

4) 由于電纜的老化會(huì)導(dǎo)致回路固有漏電流逐漸增大，借助中心級(jí)系統(tǒng)強(qiáng)大的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，通過(guò)定期分析監(jiān)測(cè)回路剩余電流變化趨勢(shì)判別各監(jiān)測(cè)回路的電纜老化情況，以便適時(shí)更換。

4 結(jié)語(yǔ)

推進(jìn)地鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展需要不斷提升機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)整體技術(shù)裝備水平，穩(wěn)步推進(jìn)自動(dòng)化和智能化，以減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)的工作量。因此，推進(jìn)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)融合將是大勢(shì)所趨。本文闡述了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和配置方案，結(jié)合兩系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)采集的共同點(diǎn)，提出將上述兩套系統(tǒng)融為一套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該融合設(shè)計(jì)方案技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，完全具備在工程實(shí)踐中探索應(yīng)用的可行性。根據(jù)國(guó)家應(yīng)急管理部最新的相關(guān)規(guī)定，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品不再納入強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證范圍，轉(zhuǎn)入消防產(chǎn)品自愿性認(rèn)證范圍。這一政策變化為地鐵電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)融入能源管理系統(tǒng)提供了良好的契機(jī)。