天津濱海新區(qū)軌道交通電能管理系統(tǒng)研究

張 健，左 燕

（1.天津濱海新區(qū)軌道交通投資發(fā)展有限公司，天津 300457；2.中鐵六院集團公司電氣化設計院分公司，天津 300250）

0 引言

截至2018 年年底，國內(nèi)已經(jīng)有35 個城市共開通運營5761.4 km 的城市軌道交通線路。城市軌道交通車輛運行及各設備系統(tǒng)均采用電能，隨著更多的城市軌道交通項目建設，如何節(jié)約電能是一個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目通過設置多功能電表計量各用電設備的用電情況，通過電能管理軟件分析能耗情況提出相應節(jié)能方案，并獲得了明顯節(jié)能效益，但在實施和運營中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。國家發(fā)改委《發(fā)改基礎【2015】2098 號》文批復天津濱海新區(qū)建設B1、Z2、Z4 線3 個軌道交通項目，3 個項目均設置了電能管理系統(tǒng)。本文針對目前已經(jīng)實施的電能管理系統(tǒng)中存在的缺陷和問題，研究解決方案，提出了適合天津濱海新區(qū)軌道交通建設的電能管理系統(tǒng)方案和實施方案。希望為天津濱海新區(qū)后續(xù)建設項目以及其他城市電能管理系統(tǒng)建設提供參考。

1 已經(jīng)實施的電能管理系統(tǒng)存在的問題

1.1 表計的配置數(shù)量不足、精度不夠

電能計量器具配備率偏低，對能源系統(tǒng)的計量覆蓋范圍不到位，不能完整、準確反映電能系統(tǒng)的分類、分項、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。表計精度不夠，無法滿足電能分析對比的要求。

1.2 缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，各個項目數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一

一個城市各個項目的電能管理系統(tǒng)建設缺乏總體規(guī)劃，建設時每個項目的數(shù)據(jù)格式標準不一致，并且信息采集的間隔、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)交換格式與表達方式呈現(xiàn)多樣化特征，導致互聯(lián)互通信息存在交互問題，對后續(xù)建立該城市線網(wǎng)級的電能管理系統(tǒng)形成了巨大的障礙[1]。

1.3 系統(tǒng)組網(wǎng)方案與招標實施方案不科學

電能管理系統(tǒng)與供電系統(tǒng)開關柜設備、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)與上面幾個系統(tǒng)的關系以及如何接入骨干網(wǎng)，可以設置不同的組網(wǎng)方案和打包方案。如果組網(wǎng)方案或者打包方案不合理，會導致接口過多，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、輕應用

目前實施的電能管理系統(tǒng)更多在于采集數(shù)據(jù)，采集以后的數(shù)據(jù)應用到設備控制形成的節(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)構成

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

線路級電能管理系統(tǒng)設在控制中心，對全線的車站、場段、主變電所等區(qū)域所消耗電能進行分類計量和在線監(jiān)測。同時建立針對能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比及用能設備系統(tǒng)實時用能狀態(tài)的集中監(jiān)管平臺，實現(xiàn)對地鐵線路能耗監(jiān)測、用能監(jiān)管和節(jié)能管理3 個層面的管理應用[2]。

站級電能采集系統(tǒng)由監(jiān)控工作站（含主機、顯示器等）、通信控制器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機以及相關附件等構成。站級電能采集系統(tǒng)是監(jiān)測、分析站點供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的工具，通過采集智能監(jiān)測儀表的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對站點供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量參數(shù)測量、監(jiān)測分析和計量管理等功能。

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：第一種是電能管理獨立自成系統(tǒng)；第二種是集成到電力監(jiān)控系統(tǒng)；第三種是集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)。這3 種方案的對比詳見表1。

天津濱海新區(qū)軌道交通項目均設計了綜合監(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)線路級和站級（除測量電表）集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)，測量電表與開關柜合并打包，最大限度減少接口。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，招標時通過設置電能管理系統(tǒng)業(yè)績門檻的方式，要求綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商對電能管理系統(tǒng)二次招標，招標專業(yè)的電能管理系統(tǒng)廠家輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成商。

2.3 測量表計的設置原則

（1）確保采集全覆蓋。具體表計設置如下：

①車站變電所：進線總開關、三級負荷總開關、母聯(lián)開關；照明總開關、電扶梯饋線回路、環(huán)控設備饋線回路、廣告照明饋線回路、公安通信回路、公眾通信回路、商業(yè)預留回路、信號回路、站臺門回路；

圖1 電能管理系統(tǒng)系統(tǒng)構成

表1 組網(wǎng)方案對比表

②車站環(huán)控電控柜：空調(diào)機組、各類風機、冷水機組、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔風機等；

③車站弱電綜合UPS：弱電綜合UPS 出線側各弱電系統(tǒng)回路；

④車輛段：各單體建筑總配電柜空調(diào)、照明、工藝檢修等分類負荷；

⑤主變電所：總配電箱進線回路[3]。

該設置原則覆蓋了各用電設備系統(tǒng)，并且分類分項分戶測量，便于統(tǒng)計對比分析。

（2）根據(jù)不同回路測試要求的不同，差異化設置測量表計，降低建設成本。在35 kV 電壓等級測量回路和對外商業(yè)單獨計量收費的回路采用0.2S 精度的表計，其他回路采用0.5S 精度的表計。在滿足統(tǒng)計分析精度的前提下，盡量降低建設成本。

（3）盡量采用多回路測量儀表，降低建設成本。目前大部分城市項目的測量方案為一個回路裝設一個測量儀表，因為測量覆蓋面廣，一般一個項目需要裝設2000 多塊表計。眾多表計本身就是一個比較大的建設成本，并且因為表計需要裝設在開關柜、環(huán)控柜、總配柜里面，導致占用柜子很大的空間，也間接增加了成本。如果采用多回路測量儀表，單塊表計可以串接多個測量模塊，距離較遠時還可以加裝中繼器擴大單塊表計的測量回路范圍（圖2）。在保證同樣的測量覆蓋范圍的情況下，可以減少表計的數(shù)量，大大降低建設成本。

（4）每個項目采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分類分項模型。濱海新區(qū)3 個城市軌道交通建設項目雖然時序不同，但是在建設第一個項目時就要站在整個線網(wǎng)的高度，統(tǒng)一各個項目的數(shù)據(jù)模型，為后續(xù)不同線路的數(shù)據(jù)進行對比分析奠定基礎，也為后續(xù)建設線網(wǎng)級的電能管理系統(tǒng)做好鋪墊。

圖2 多回路測量儀表原理

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

通風空調(diào)系統(tǒng)是各設備系統(tǒng)除車輛外用電最多的系統(tǒng)，一般約占整個用電量的25%～30%，通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能是電能管理節(jié)能的重點。通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)以整個空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能為目標（冷水機組+冷凍泵+冷卻泵+冷卻塔+空調(diào)末端），綜合考慮各設備之間耦合關系和相互影響，在不同室外狀況以及系統(tǒng)負荷下，實時動態(tài)尋找空調(diào)系統(tǒng)運行的最佳能效控制參數(shù)，實現(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)電表所測數(shù)據(jù)，可以準確查看空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)節(jié)省的電量，評價空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能效果[4]。

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)能的一個重點，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)進行照明控制。利用專業(yè)電能管理系統(tǒng)廠家技術優(yōu)勢，通過研究車站客流模式、運營模式（分季節(jié)和高峰時段）等數(shù)據(jù)進行挖掘，實現(xiàn)低壓照明設備的智能、精細控制，達到照明節(jié)能的目的。

3 結論

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)實施該系統(tǒng)的城市的經(jīng)驗，避免了它們的不足：既保證了測量數(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。從第一個項目實施時就統(tǒng)一各個項目的數(shù)據(jù)格式標準，為后續(xù)建立線網(wǎng)級的電能管理系統(tǒng)打下了基礎。同時，集成通風空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)和照明節(jié)能系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)監(jiān)測與節(jié)能控制聯(lián)動方面也做了探索和嘗試。