淺談天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通電能管理系統(tǒng)研究及選型

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定201801

【摘要】：介紹天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通項(xiàng)目建設(shè)電能管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、功能組成和實(shí)施方案。在借鑒其他城市軌道交通項(xiàng)目電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通建設(shè)的具體情況，對(duì)系統(tǒng)組網(wǎng)方案、測(cè)量表計(jì)設(shè)置原則、與通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)和照明節(jié)能系統(tǒng)的集成配合等方面進(jìn)行了方案研究，并提出了天津?yàn)I海新區(qū)城市軌道交通電能管理系統(tǒng)方案。

【關(guān)鍵詞】：電能管理;城市軌道交通;節(jié)能;工程建設(shè)

0引言

截至 2018 年年底，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有 35 個(gè)城市共開通運(yùn)營(yíng)5761.4 km 的城市軌道交通線路。城市軌道交通車輛運(yùn)行及設(shè)備系統(tǒng)均采用電能，隨著更多的城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)，如何節(jié)約電能是一個(gè)非常重要的研究課題。目前廣州、杭州、南京等一些城市的軌道交通項(xiàng)目通過設(shè)置多功能電表計(jì)量各用電設(shè)備的用電情況，通過電能管理軟件分析能耗情況提出相應(yīng)節(jié)能方案，并獲得了明顯節(jié)能效益，但在實(shí)施和運(yùn)營(yíng)中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。國(guó)家發(fā)改委《發(fā)改基礎(chǔ)[2015]2098號(hào)》文批復(fù)天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè) B1、Z2、Z4線3個(gè)軌道交通項(xiàng)目3個(gè)項(xiàng)目均設(shè)置了電能管理系統(tǒng)。本文針對(duì)目前已經(jīng)實(shí)施的電能管理系統(tǒng)中存在的缺陷和問題，研究解決方案，提出了適合天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通建設(shè)的電能管理系統(tǒng)方案和實(shí)施方案。希望為天津?yàn)I海新區(qū)后續(xù)建設(shè)項(xiàng)目以及其他城市電能管理系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

1已經(jīng)實(shí)施的電能管理系統(tǒng)存在的問題

1.1表計(jì)的配置數(shù)量不足、精度不夠

電能計(jì)量器具配各率偏低，對(duì)能源系統(tǒng)的計(jì)量覆蓋范圍不到位，不能完整、準(zhǔn)確反映電能系統(tǒng)的分類、分項(xiàng)、分戶能耗信息，不滿足電能的供給與使用包括損耗的平衡分析條件。表計(jì)精度不夠.無法滿足電能分析對(duì)比的要求。

1.2 缺乏統(tǒng)一規(guī)劃各個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一

一個(gè)城市各個(gè)項(xiàng)目的電能管理系統(tǒng)建設(shè)缺乏總體規(guī)劃，建設(shè)時(shí)每個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)不一致,并且信息采集的間隔、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)交換格式與表達(dá)方式呈現(xiàn)多樣化特征，導(dǎo)致互聯(lián)可通信息存在交耳問題，對(duì)后續(xù)建立該城市線網(wǎng)級(jí)的電能管理系統(tǒng)形成了巨大的障礙。

1.3 系統(tǒng)組網(wǎng)方案與招標(biāo)實(shí)施方案不科學(xué)

電能管理系統(tǒng)與供電系統(tǒng)開關(guān)柜設(shè)備、電力監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)存在接口。根據(jù)電能管理系統(tǒng)與上面幾個(gè)系統(tǒng)的關(guān)系以及如何接人骨干網(wǎng),可以設(shè)置不同的組網(wǎng)方案和打包方案。如果組網(wǎng)方案或者打包方案不合理,會(huì)導(dǎo)致接口過多,并且無法充分發(fā)揮專業(yè)電能管理系統(tǒng)廠家的作用。

1.4 重監(jiān)測(cè)、輕應(yīng)用

目前實(shí)施的電能管理系統(tǒng)更多在于采集數(shù)據(jù)，采集以后的數(shù)據(jù)應(yīng)用到設(shè)備控制形成的節(jié)能措施較少。

2 濱海新區(qū)軌道交通電能管理系統(tǒng)方案

2.1系統(tǒng)構(gòu)成

電能管理系統(tǒng)由線路級(jí)電能管理系統(tǒng)、站級(jí)電能采集系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通道組成。(圖 1)

線路級(jí)電能管理系統(tǒng)設(shè)在控制中心，對(duì)全線的車站、場(chǎng)段主變電所等區(qū)域所消耗電能進(jìn)行分類計(jì)量和在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)建立針對(duì)能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比及用能設(shè)備系統(tǒng)實(shí)時(shí)用能狀態(tài)的集中監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵線路能耗監(jiān)測(cè)、用能監(jiān)管和節(jié)能管理3個(gè)層面的管理應(yīng)用。

站級(jí)電能采集系統(tǒng)由監(jiān)控工作站(含主機(jī)、顯示器等)、通信控制器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)以及相關(guān)附件等構(gòu)成。站級(jí)電能采集系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)、分析站點(diǎn)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的工具,通過采集智能監(jiān)測(cè)儀表的數(shù)據(jù).實(shí)現(xiàn)對(duì)站點(diǎn)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)量、監(jiān)測(cè)分析和計(jì)量管理等功能。

2.2組網(wǎng)方案比選

電能管理系統(tǒng)有以下 3 種組網(wǎng)方案:第三種是集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)這3 種方案的對(duì)比詳見表1。

天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通項(xiàng)目均設(shè)計(jì)了綜合監(jiān)控系統(tǒng)，電力監(jiān)控系統(tǒng)也深度集成到了綜合監(jiān)控系統(tǒng)綜合考慮系統(tǒng)接口、后續(xù)調(diào)試，采用電能管理系統(tǒng)線路級(jí)和站級(jí)(除測(cè)量電表)集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)，測(cè)量電表與開關(guān)柜合并打包，*大限度減少接口。為解決綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商做電能管理系統(tǒng)不專業(yè)問題，招標(biāo)時(shí)通過設(shè)置電能管理系統(tǒng)業(yè)績(jī)門檻的方式，要求綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商對(duì)電能管理系統(tǒng)二次招標(biāo)，招標(biāo)專業(yè)的電能管理系統(tǒng)家輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商。

2.3 測(cè)量表計(jì)的設(shè)置原則

(1)確保采集全覆蓋。具體表計(jì)設(shè)置如下：

①車站變電所：進(jìn)線總開關(guān)、三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)：照明總開關(guān)、電扶梯饋線回路、環(huán)控設(shè)備饋線回路、廣告照明饋線回路、公安通信回路、公眾通信回路、商業(yè)預(yù)留回路、信號(hào)回路、站臺(tái)門回路；

②車站環(huán)控電控柜：空調(diào)機(jī)組、各類風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)等；

③車站弱電綜合UPS：弱電綜合UPS出線側(cè)各弱電系統(tǒng)回路；

④車輛段：各單體建筑總配電柜空調(diào)、照明、工藝檢修等分類負(fù)荷；

⑤主變電所：總配電箱進(jìn)線回路。

該設(shè)置原則覆蓋了各用電設(shè)備系統(tǒng)，并且分類分項(xiàng)分戶測(cè)量，便于統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。

1. 根據(jù)不同回路測(cè)試要求的不同，差異化設(shè)置測(cè)量表計(jì)，降低建設(shè)成本。在35 kV 電壓等級(jí)測(cè)量回路和對(duì)外商業(yè)單獨(dú)計(jì)量收費(fèi)的回路采用0.2S精度的表計(jì),其他回路采用0.5S 精度的表計(jì)。在滿足統(tǒng)計(jì)分析精度的前提下，盡量降低建設(shè)成本。

2. 盡量采用多回路測(cè)量?jī)x表,降低建設(shè)成本。目前大部分城市項(xiàng)目的測(cè)量方案為一個(gè)回路裝設(shè)一個(gè)測(cè)量?jī)x表，因?yàn)闇y(cè)量覆蓋面廣,一般一個(gè)項(xiàng)目需要裝設(shè) 2000 多塊表計(jì)。眾多表計(jì)本身就是一個(gè)比較大的建設(shè)成本，并且因?yàn)楸碛?jì)需要裝設(shè)在開關(guān)柜、環(huán)控柜、總配柜里面,導(dǎo)致占用柜子很大的空間，也間接增加了成本。如果采用多回路測(cè)量?jī)x表，單塊表計(jì)可以串接多個(gè)測(cè)量模塊，距離較遠(yuǎn)時(shí)還可以加裝中繼器擴(kuò)大單塊表計(jì)的測(cè)量回路范圍(圖 2)。在保證同樣的測(cè)量覆蓋范圍的情況下，可以減少表計(jì)的數(shù)量，大大降低建設(shè)成本。

1. 每個(gè)項(xiàng)目采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分類分項(xiàng)模型。濱海新區(qū) 3 個(gè)城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目雖然時(shí)序不同，但是在建設(shè)第一個(gè)項(xiàng)目時(shí)就要站在整個(gè)線網(wǎng)的高度,統(tǒng)一各個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)模型,為后續(xù)不同線路的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析奠定基礎(chǔ)，也為后續(xù)建設(shè)線網(wǎng)級(jí)的電能管理系統(tǒng)做好鋪墊。

2.4 集成通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是各設(shè)備系統(tǒng)除車輛外用電*多的系統(tǒng)，一般約占整個(gè)用電量的 25%~30%。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能是電能管理節(jié)能的重點(diǎn)。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)以整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能為目標(biāo)(冷水機(jī)組+冷凍泵+冷卻泵+冷卻塔+空調(diào)末端)，綜合考慮各設(shè)備之間耦合關(guān)系和相互影響，在不同室外狀況以及系統(tǒng)負(fù)荷下，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)尋找空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的*佳能效控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局優(yōu)化控制。電能管理系統(tǒng)集成了空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)，通過電能管理系統(tǒng)電表所測(cè)數(shù)據(jù)?？梢詼?zhǔn)確查看空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)節(jié)省的電量，評(píng)價(jià)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能效果。

2.5 集成照明節(jié)能控制系統(tǒng)

低壓照明系統(tǒng)也是節(jié)能的一個(gè)重點(diǎn)，照明控制系統(tǒng)在車站區(qū)域增加調(diào)光控制器，人流量傳感器。通過傳感器配合電能管理系統(tǒng)進(jìn)行照明控制。利用專業(yè)電能管理系統(tǒng)廠家技術(shù)優(yōu)勢(shì),通過研究車站客流模式、運(yùn)營(yíng)模式(分季節(jié)和高峰時(shí)段)等數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，實(shí)現(xiàn)低壓照明設(shè)備的智能、精細(xì)控制,達(dá)到照明節(jié)能的目的。

3 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

3.1概述

  用戶端消耗著整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對(duì)用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動(dòng)。用戶端急需解決的研究?jī)?nèi)容主要包括：表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

   安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對(duì)用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項(xiàng)用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

3.2應(yīng)用場(chǎng)所

   （1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

   （2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；

   （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場(chǎng)所等）；

   （4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

   （5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；

   （6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭建筑等）。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。

2）電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表

系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況，即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯，維護(hù)計(jì)量體系的正確性。

3）詳細(xì)電參量查詢

在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?，鼠?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢(shì)曲線及24小時(shí)電壓趨勢(shì)曲線。

4）運(yùn)行報(bào)表

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、zhi定時(shí)間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報(bào)表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

5）變壓器運(yùn)行監(jiān)視

系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢(shì)，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

6）實(shí)時(shí)報(bào)警

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)事件等級(jí)發(fā)出告警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報(bào)警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

7）歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

8）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖、報(bào)表掌握進(jìn)線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時(shí)采取相應(yīng)的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測(cè)功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

系統(tǒng)支持對(duì)斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對(duì)于每次遙控操作，系統(tǒng)自動(dòng)生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測(cè)控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

10）用戶權(quán)限管理

系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態(tài)圖

系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

12）視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

13）用戶報(bào)告

用戶報(bào)告頁面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

14）APP支持

電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報(bào)警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

3.5系統(tǒng)硬件配置清單

4結(jié)論

濱海新區(qū)城市軌道交通電能管理系統(tǒng)方案,充分借鑒了已經(jīng)實(shí)施該系統(tǒng)的城市的經(jīng)驗(yàn)，避免了它們的不足：既保證了測(cè)量數(shù)據(jù)全覆蓋，又有效地控制了成本;既減少電能管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口,又能充分發(fā)揮電能管理系統(tǒng)專業(yè)廠家的優(yōu)勢(shì)。從第一個(gè)項(xiàng)目實(shí)施時(shí)就統(tǒng)一各個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn),為后續(xù)建立線網(wǎng)級(jí)的電能管理系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。同時(shí),集成通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)和照明節(jié)能系統(tǒng),在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與節(jié)能控制聯(lián)動(dòng)方面也做了探索和嘗試。

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作者簡(jiǎn)介：

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。