地铁车站能源管理系统设计应用

沈文杰

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

在节能减排的大背景下，各种能源监测系统纷纷涌现，实践证明，能源管理在企业中发挥着重要的基础保证作用，完善的监测工作是节能减排的最原始依据，对采集到的基础数据进行分析，进行成本核算，对浪费进行改正，提高企业经济效益。但目前普遍的能源监测系统只做到了对能源进行二级计量，但二级计量方式基本只是对能源系统总量或局部总量的进行计量，提供的能耗数据只是局部区域、多个设备或者某个时段的用能数据，没有做到实时同步统计测量，无法做到实时监测与管理能源消耗过程，对于负载设备能源消耗过程数据缺乏细节数据，其主要缺陷主要有以下几点：

1）无法对末端负载设备用能过程细节进行及时测量和效果评估。

2）用能数据无法与效果进行联动分析和比较，无法对用能过程能耗进行分解。

3）能源数据精度差，不能据此来分析整体用能设备的能耗过程和效率情况。

综上所述，目前绝大多数节能措施缺乏细节能耗和相应技术分析比较作为支撑，在节能措施采取后也缺乏相应细节能耗数据进行比对和管理，无法考核所使用的节能措施是否达到预期效果。因此实现从能源二级计量进一步提升到末端全负荷计量以实现对整体设施和系统的能效监测，成为行业关注的焦点。

1 能源管理系统组成

能源管理系统（EMS）是一套整体的管理思想和方法，在满足设施功能要求的同时，为了使用能损耗最小，能源所发挥出的效率最高而对用能设备和整个用能情况进行监测、比较与分析的节能办法。

在轨道交通快速发展的今天，对车站风、水、电和其他能源系统的运行管理和能效管理控制显得格外重要，每个车站都有大量用能设备，如何合理的管理这些设备群组，使其用最低的能量发挥最大的效益，是目前京津冀一体化大背景下地铁建设及运营过程中争先探索的首要问题。

能源管理系统包括对损耗的各种分项数据的收集、能耗过程和状况的在线监测、能效分析管理、能耗成本分摊和趋势预测，并通过对耗电设备及工艺参数的调整等，实现对轨道交通用能设备的整体能耗状况进行统一管理，实现节能管理和节能改造。

地铁中用能设备主要有动力（含末端用电、通排风、给排水、屏蔽门、AFC等）、照明等各类能源设施和设备，通过以太网、光纤等通信方式实现对各个子系统的综合在线监测管理，就构成了能源管理系统。

系统设计遵循“监测—分析—管控”的思路，依据分布式采集、统一性分析、电脑监视、资源与信息共享的原则，组成一个标准化的集散型管理控制系统。系统实现采用分层分布式的网络结构，按照功能划分，从上到下可分成管理应用层、网络通信层和现场测控层，拓扑图如图1所示。

图1 能源管理系统拓扑图

1.1 管理应用层

能源管理系统的综合管理工作站及各个子系统工作站称为管理应用层。能够提供地铁中作为分析用能指标的管理应用模块，包括能耗分类/分项/分区域管理、用电设备分布式管理、能效评估分析、能源质量分析、能耗信息反馈、用能设备优化使用等模块，这些功能可以灵活组合，可扩展、可兼容。同时，在管理应用层可通过以太网与其他高级应用系统如BAS、FAS等系统进行衔接，共享数据与信息。

1.2 网络通信层

这一层主要将现场采集到的各种设备状态、能耗数据等信息进行归类汇总并分析、处理，按规则进行记录并缓存，并将数据传送至管理应用层。另外还可根据对数据的分析结果进行计算，并生成控制命令，或接收上一层的控制命令下发至现场受控设备，以实现遥控功能。网络通信层所用的主要设备有通信子站、面板及各设备系统的局部主控站等，通信设备在设计时应将接口预留好，以满足后期系统容量不足时需要扩容的需求。

1.3 现场测控层

这一层处在能源管理的末端，同时也是基础数据的来源。建立一种通用的模块化的模式，将各种智能仪表安装在用电设备上口，实时监测设备的运行状态和能耗状况，采集设备的运行状态与参数，如电压、电流、功率等，并根据上层的命令来修改设备工作方式，多次循环往复，寻找到各能源系统的最优运行模式，并予以保持。现场测控层的设备主要包括智能仪器仪表，流量计以及各类传感器等。

2 地铁车站的能源管理系统设计

在了解能源管理系统的架构之后，就需要对地铁车站进行有针对性的设计，以实现能源管理系统的功能。地铁车站内的能源管理系统组成一般包含一个工作主站、几个分区子站以及分布式末端子站。

2.1 能源管理系统主站

一般设置在综合监控室，相当于整个能源系统的大脑。这个主站内需要设置系统服务器一套（主/备双机系统），应用软件采用EMS系统的专用软件，对正常工作状态下的数据监测和末端用电设备状态进行集中反馈，对事故的全过程进行记录与分析，对开关分合动作进行统计分析，并处理多个系统或多个区域之间的数据共享等功能；除此之外还需配置1台打印机，可以将系统软件生成的各种图表、图形、故障分析曲线等打印出来；同时为保障供电的可靠性，需设置一台UPS设备，可以保证供电的可靠性；在通信方面，主站可以与下面的各局部操作站以光纤形式相连接。

2.2 分区操作站

由于地铁车站规模较大，尤其是换乘站，只采用一个主站进行管理，网络系统繁杂，采集计算量太大，为了便利车站运行人员的管理需要，可根据车站规模的大小，设置2～3个区域工作站，用来完成对各个分区设备的能源监控与管理。这样划区域进行监测并上传，可避免大量数据拥堵，可以提高系统的反应速度和系统识别的准确性。

2.3 分布式通信子站

通信子站一般设置在降压变电所内的高低压柜以及各个设备的配电箱或控制箱附近，向上一层是通过光纤与各区域子站相连接，向下一层则是通过屏蔽电缆与设备末端的智能仪表相连接，起到贯通上下的作用，对于集中采集分布于各处的水系统设备、配电系统设备、光伏发电系统、柴油发电动机等的各项指标数据进行汇总。

2.4 主干通信数据网

数据传输网络一般由单模光纤构成，从而完成主站、各区域子站与各末端分布子站间数据传输。可以使用光纤收发器来完成光电信号的转换。对于末端测控层数据网络则采用屏蔽双绞线将末端设备的损耗信息情况与末端子站相连接，形成末端的传输网络。

2.5 测控层硬件设备

测控层处于各系统的末端设备，对末端设备的负载能耗信息进行监测，所涉及到的设备主要是智能设备监测模块，一般采用冗余CPU硬件设备来适应大数据库的在线监测功能，通过总线通信进行上传。

2.6 与各系统的衔接

也是出于节能的考虑，目前全国各地铁站大部分都设计了光伏发电系统。能源管理系统可通过通信子站并经过数据传输网络与光伏设备预留接口进行数据传输，可以将光伏发电系统内设备的各项指标、电能质量、谐波含量等数据进行实时上传。

地铁车站内暖通空调专业设置了水系统，该系统含有较多的大容量用电设备，比如冷冻泵、冷却泵等，能源管理系统在末端设备子站级可通过数据总线采集水系统中各设备的运行数据，对这些大设备进行统一监测，同时可上传至工作主站对各设备进行监测。

3 地铁车站中能源管理系统的作用

能源管理系统目的在于实现设备的绿色节能运行，在运营管理中树立先进的理念，努力降低设备损耗，提高设备效能，通过能源管理系统，可以不断完善其数学模型，优化电气设备的控制算法，最终为地铁运营管理人员提供更加优质的能源管理与监控平台，使得数量众多、种类不一的地铁车站能够各自节能减排，汇集到整个京津冀地区，能耗降低的总量便是客观的，为地铁建设的可持续发展提供了有效的基础和依据。

3.1 系统具体功能

1）对高低压变配电所有回路进行实时全面的采集数据，包括设备运行参数，变压器温度，环网柜、母联柜、低压柜的开关状态。

2）对采集到的各类参数、变压器负荷率等进行分类统计对比、进行原因分析，对重要配电回路的电能质量进行监测，保证整个供电系统的的可靠性，对各设备的安全运行提供了一道保障。

3）能够提供与其他系统如 BAS、FAS等的接口，可以进行数据共享。

4）结合地铁车站的用能特点或生产工艺流程，对设备的用能过程进行在线分析，及时准确的发现系统的能耗改进点，并针对其运行工况制定管理控制策略，相互对比，以达到最佳运行水平。

5）对重点设备进行重点分析，及时发现设备的异常运行状态，并提示进行检修维护，增加设备的运行寿命，提高系统整体的安全可靠性。

6）对各项能耗指标进行分区、分项、分类统计，同比、环比交叉比较，并以柱状图（2D/3D）、饼图、曲线等直观方式切换显示。并生成各类分析报表，便于运营管理人员的节能减排管理工作。

3.2 能效分析

能源管理系统可将实际用能与计划用能进行对比，进行能效分析，并可以预测在未来一段时间内的用能趋势，可以未雨绸缪，提前进行安排。首先，对变压器、高压柜、低压柜、配电箱等处设置的智能仪表进行数据采集，对各总表或分表能耗数据的差异进行分析；其次，通过建立的数学模型，计算水、电等能源的损失情况，根据此数据计算能源管理所带来的经济效益；再次，对能源利用情况分别进行年、月、日的管理，根据用能情况分析报告总结并发现设备的异常点，同时找出解决方案，形成能效分析报告，并对解决方案再进行数据采集、传输、分析，经过多次循环，找到最优工作点；最后，帮助进行用能成本统计，实现运营管理人员的组织结构优化，降低成本。

3.3 综合报表

对各用能设备和系统运行参数进行汇总统计，并根据管理者的使用需求，生成系统文件，便于打印和保存。可生成年、季、月、日、时的耗能量、耗能费用以及能效汇总情况报表等。运营管理人员可根据自己的需要自定义各种报表的形式及内容。对于所发生事件的记录、故障报警等数据的报表，可以设置成定时和根据需要进行打印。

3.4 电能质量分析

能源管理软件可以通过对采集到的参数以及谐波参数进行电能质量的分析，对波形记录进行与常规波形比较，分析结果可用来对有害的电能因素提出对策，进行整改，以消除对设备的损害。并且可以对电力系统进行预警提示，如电网谐波过大、设备运行效率过低、能耗突变等。

3.5 其他功能

还具备其他日常管理的功能，例如：工作票管理，打印操作票、交接班记录管理以及运营记录管理等，对设备的缺陷、运行状态、维修记录等均可进行监测。

应用软件具备开放性和兼容性，这样可保证其他系统与能源管理系统的融合与衔接。

4 对节能效果的评估

通过对地铁车站采用能源管理系统，利用系统软件对采集数据进行细化、量化，对末端设备的能耗与能效数据进行实时在线采集，为地铁运营管理工作提供了有效的能源管理工具和能耗计量工具，为进一步的节能减排，提高功效提供了应用措施，顺应节能减排大环境的要求，为地铁的可持续发展奠定基础，预期会收到良好的经济与社会效益。首先该系统为地铁站房提供主要用能设备的资源管理调度方案，总体规划成本模型、总体节能减排管理等；其次为分区管理提供设备的资源管理调度、分部分项分区域的节能减排管理、对用电设备使用的电能进行成本考核；再次对末端设备的节能监测、能源审计、综合能耗统计与测试、进行各设备能量平衡统计、管理评价。下面以空调能耗、照明能耗和冷热源能耗为例进行分析对比。

图2 空调分时能耗条形图

首先对空调分时能耗图进行分析，地下一层以及设备层的空调能耗从00∶00到24∶00并没有较大改变，从23∶00到次日05∶00这段时间，没有车辆运营，所以部分空调可以关毕，同时在白天采用智能控制系统，把空调开关与温度设定调节至最合理状态，估算每天能够节电约3000kW·h。

车站中照明节能也是重要的一个环节，地下一层照明在 23∶00—05∶00非运营时间与白天无太大差别，设备层照明每天基本固定不变，站台照明在夜间一直开启，通过设定照明智能系统对照度以及照明设备的控制，预计每天节能约为600kW·h。

对冷热源能耗情况进行分析，可以发现冷热源在运营时段的能耗略小于非运营时段的能耗，这说明存在部分不合理能耗，通过能耗智能管理系统，从末端负荷变化情况出发，动态的调整制冷及供热设备，可以达到15%以上的节能，由于冷热源系统设备耗电量大，估算每天节能约为8000kW·h。

图3 照明分时能耗条形图

5 结论

目前全国范围内都在积极推进节能减排、提高能效，京津冀一体化带来的轨道交通建设运营也必然需要适应节能的大潮，实践证明，能源管理系统不仅仅可以为地铁设备运行带来最直接的经济效益，同时也是大势所趋，能带来良好的社会效益，作为大型基础设施以及大型公共建筑建设管理，对能耗要求是必不可少的，京津冀一体化发展，必然带来轨道交通的大规模建设，每一座车站都进行节能设计，用能管理，这样汇总起来将是客观的经济效益。能源管理系统提供了节能的基础数据以及管理方法，在直观的数据以及比较下，校正设备的运行模式，使其按照最经济合理的方式提供最优质的服务。

[1] GB 50189—2005. 公共建筑节能设计标准[S].

[2] 徐义. 建筑电气系统综合节能[J]. 现代建筑电气,2010(2): 1-4, 22.

[3] 吴超. 能源管理三级计量项目中各种网络的综合应用[J]. 机械与电子, 2010, 7(S1): 306-308.