地铁能源管理系统的研究.doc

地铁能源管理系统的研究
时间：2011-4-15  来源：<现代城市轨道交通>
摘要：地铁能源管理系统以空调系统、通风系统、照明系统、给排水系统、供配电系统、电扶梯等为主要管理对象，通过Lonworks 现场控制网络集成各类计量装置与监控终端，实现地铁车站及沿线附属建筑能耗数据实时在线采集和分类、分项、分户计量，并且根据地铁车站及沿线附属建筑具有固定的运营时间以及车站人流量按时间规律分布的特点，对各种用能设备进行自动化监控与节能控制，实现节能减排、降低运营成本、提高地铁能源自动化管理水平。
关键词：地铁；能源管理系统；现场控制网络；节能
地铁是高技术、高造价、高运营成本的地下交通。目前在世界范围内，除香港地铁之外，地铁都是一个高亏损、高补贴的行业。以南京地铁1号线为例，该地铁线路自投入运行以来，仅电费一项就占运营直接成本的20%。为了降低运营成本，南京地铁运营公司从各个方面和环节采取节能措施，但由于没有能耗数据的支撑和全面系统化的能源管理手段，深入节能挖潜工作遇到了瓶颈。为此，建立地铁能源管理系统已经是刻不容缓、势在必行的迫切需要。
1 地铁能源管理系统结构
1.1 系统总体结构
地铁能源管理系统由能源管理中心、远程传输网络、现场子系统组成。地铁能源管理系统采用可靠、稳定的“分布式控制网络系统技术”，具有拓扑结构灵活、传输介质和方式多样、传输速度快、抗干扰能力强等优点，Lonworks 现场子系统采用P-CSMA/CD 技术可实时通信，网络的LONTALK 通信协议符合国际标准，可实现产品的互换性，网络极容易扩充、修改和维护，此外，Lonwork s 网络与In ternet 无缝连接，可以实现远程监控与远程操作。
1.2 现场子系统
地铁车站的现场子系统采用Lonworks 双绞线传输方式；沿线附属建筑的现场子系统可采用Lonwork s 双绞线传输与电力线载波传输相结合的方式，现场子网由网络控制器、多功能电力监控终端、三相/ 单相电能表、采集终端、智能水表、智能气表、可编程智能网关、通用监控终端等组成。
2 系统功能
2.1 自动化监控
2.1.1 变电所
（1）0.4 kV 进出线监控。通过电力监控终端监控低压总进线、母联及低压出线回路的三相电流、三相电压、功率因数、有功功率、无功功率、频率等参数，监测各开关状态和故障，控制断路器或交流接触器分合闸。
（2）变压器监控。通过变压器温控仪智能接口采集数据，监测变压器的温度和变电所风机状态，必要时能对变电所风机实施远程遥控，监视变压器高温报警。
（3）电容补偿器监控。通过电容补偿控制器智能接口采集数据，监控电容柜中电容器组的投入、切除。
（4）蓄电池监测。监测蓄电池电压、电流、电池余量等参数，监视蓄电池工作状态和故障报警。
（5）变电所环境监测。通过烟感、温感和红外探测器等对变电所的环境进行监测；通过通用监控终端对变电所内至少一路照明回路实施监控；通过监控终端对变电所内通风风机实施监控；在监控中心通过控制安装在变电所内的摄像机，对变电所内的现场状况、开关位置、面板表读数进行监视。当有异常情况时和相应摄像点联动，进行录像。
2.1.2 用电设备
（1）电力参数监测。实时监测设备的电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率、频率等电力参数，发现异常则予以报警，提示管理人员及时处理。
（2）运行状态监测。实时监测设备的工作状态（启动，停机，工频/ 变频），便于管理人员了解设备的实时运行状态。
（3）定时控制。根据地铁的运行管理模式，对设备分合闸定时控制，避免在非工作时间设备仍在开启状态，造成能源的浪费。
（4）远程分合闸控制。允许管理人员对设备分合闸远程控制，同时系统自动记录操作人和操作行为。
2.2 用能计量
地铁车站涉及的能源种类是电和水。各个车站变电所低压总进线的电量之和即为车站总用电（扣除变压器损耗）；各个变压器的低压出线按照明插座、空调、动力和特殊进行分项计量。车站各路进水管之和即为车站的总用水量。
地铁沿线附属建筑涉及的能源种类是电、水、燃气等。通过相应的计量装置实现分类、分项、分户计量。
2.3 用能诊断
以实时监测的有功功率、电量、功率因数等数据为依据，进行用能质量诊断，并且有针对性地优化配电系统。此外，在各个用能点和分支管路上安装计量表，并与总用能值比对，建立用能平衡监测系统，从而尽早发现跑、冒、滴、漏等异常状况，还可以了解电能的线损，及时发现偷电行为或漏水、漏油、漏气现象，避免能源的损失和无谓的浪费。
2.4 能源质量监测
以电能质量监测为例，通过实时监测每个回路的电压、功率因数、频率、谐波等电力参数，发现能源质量异常，则予以报警，提示管理人员及时处理，从而确保提供给设备高质量的能源，提高设备使用寿命，降低设备成本。
2.5 节能控制
2.5.1 空调与通风系统
以空调系统的夏季工况为例，由于地铁车站人流量在每天不同时段有很大的变化，所以，空调和通风系统应该跟据实时客流量、车站环境、室内外温度等参数，调节空调系统设备的运行状态（启/ 停、工频/变频运行），避免“大流量小温差”或“定流量”的浪费能源现象，而且系统设备不是一直以全功率、满负荷的方式运行，也从一定程度上提高了设备的使用寿命。相应的节能控制环节是：①制冷机节能控制；②冷冻泵/ 冷却泵节能控制；③冷却塔节能控制；④空调机/ 新风机节能控制；⑤空调未端节能控制；⑥TVF 风机节能控制；⑦根据温度、湿度和CO2 检测器提供的参数，自动开启/关闭通风系统，从而在保证地铁站具有较高空气质量的前提下，减少站内冷空气的损失。
2.5.2 照明系统
通常，地铁车站的照明是在其运营时间（如6:00～23:00）段内开启的，在高峰段外的期间，可以根据人流量情况，进行分组控制，开启部分灯具。照明灯具的开/关状态及电力参数（电压、电流、有功功率等）也都要实时地传送到监管中心，以便于值班人员对照明系统进行监控。具体节能控制内容有：①照明分组/ 分区节能控制；②照明定时节能控制；③照明线性调光节能控制；④照明分级调光节能控制
2.5.3 给排水系统
地铁车站给排水系统的主要任务是满足地下铁道消防及生产、生活用水的需求。对于给排水系统，要实时监测水池、水箱的水位和各类水泵的工作状态，通过计算机控制及时地调整系统中水泵的运行台数，以达到供水量和需水量、来水量和排水量之间的平衡，实现泵房的最佳运行状态，实现高效率，低能耗的最优化控制。其节能控制内容有：①水泵节能控制；②水箱节能控制；③水管网节能控制。
2.5.4 电梯
地铁车站通常为2层建筑（站厅层、站台层），有的车站还设有商业层，通常乘客需要乘坐扶梯或升降电梯到达自己的目的层，所以，大量电梯每天都在运营时间内满负荷运行，其节能控制内容如下：①自动测量所载乘客重量；②自动调节电梯的电机出力与所载重量相匹配。
2.5.5 供配电系统
（1）电力负荷节能控制。①电力负荷的实时监测、计算、预测、管理；②电力负荷控制。
（2）供电电压的节能控制。确保供电电压在设计定额以内。
（3）低压电网功率因数节能控制。①能够实时监测地铁车站配电低压电网功率因数、变压器三相平衡度、补偿电容器投切状态；②功率因数自动补偿、降低线损。
（4）低压电网谐波监测与节能控制。①谐波源（谐波电流和谐波电压）监测；②谐波抑制、吸收。
2.5.6 办公设备
地铁车站工作人员的办公设备节能控制内容包括：①电开水炉节能控制；②复印机节能控制；③桌面办公设备节能控制。
2.6 系统软件
（1）数据统计和分析。①按照能耗统计报表要求，对采集到的数据进行统计计算；②按照日、月、年和时段计算分类、分项和分户能耗数据以及能耗均值。
（2）数据查询和显示。①用棒直图显示按日、月、年和时段的电度、用水量累积值；②用趋势曲线显示电压、电流等模拟量的变化情况；③用饼图显示分类、分项能耗的比例。
（3）报表和打印。根据用户管理需求生成各类报表并可自动打印存档。报表种类包括：①分类、分项、分户能耗的日报表、月报表、年报表；②分类、分项、分户能耗的同比和环比报表；③分类、分项、分户能耗的排序报表；④按能耗指标计算的排序报表；⑤报警记录报表；⑥运行事件报表；⑦其他用户自定义报表。
（4）报警功能。为了在第一时间发现各类故障并在最短时间内抢修好，本系统将所有故障报警设置为带时标、自动上传、自动存储，为系统操作人员提供可追溯功能，以便于结合存储的历史数据分析报警产生的原因。①故障报警（事件报警）：包括设备故障报警（设备异常跳闸、其他故障报警等）；设备操作记录（操作人员换班登录、操作记录等）。②超限报警：包括功率超限、电压异常等。
（5）网络管理。网络管理功能对所有监测中的仪表进行报警管理，一旦仪表出现异常情况，在网络管理画面都可以立刻显示出，并且可以手动对报警信息进行处理。

3　实施项目
在南京地铁1号线应用该系统，对全线16个地铁车站、2个主所、地铁大厦和小行车辆段的用能分类、分项、分户监测，共配置了1 024块多功能电力监控终端、60 块智能水表、30台网络控制器和35台智能网关，能源管理中心设置在地铁大厦5楼的OCC 内。系统结构图见图1。目前，实施的系统已经积累了一些能耗数据，经用能诊断、节能潜力分析等，发现了诸如变压器负荷率低、供电线路功率因数低、管理不到位（部分大功率设备和照明回路在非工作时间未关闭）、空调系统定流量方式运行（冷冻水泵、冷却水泵满负荷运行）等不节能情况。后续，我们将对这些情况加以调研和考证，提出相应的节能改造解决方案，提高能源利用效率，降低运营成本。
4　结束语
地铁能源管理系统一方面为运营管理工作提供了实时能耗数据和设备实时运行状态，另一方面为能源管理提供了技术手段和指导方向，使地铁能源管理工作不再盲目、片面，而是有的放矢、系统化的。特别是通过在南京地铁1 号线实际应用地铁能源管理系统，使我们找到了运营节能管理工作中的不足，同时也为后续新线建设及老线改造的设计工作、管理模式提供了参考依据。

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