浅谈能耗管理系统在城市轨道交通中的应用

时间：2023-08-04

1、背景
在城市轨道交通运营中，用能消耗主要包括：电能消耗和水能消耗，其中以电力消耗为主，占总能耗的一半，主要有车辆牵引用电、照明用电、空调用电、电梯用电等。其次就是水，主要有生产、生活用水及空调制冷用水累计量等。轨道交通作为能源消耗的大户，节约使用能源，降低基本耗损，意味着降低生产经营成本。为此，为实现科学、有序地用能，在城市轨道交通采用能耗管理系统，该系统是集远程抄表系统和监测管理系统为一体，来实现对城市轨道交通的供电系统、供水系统、通风空调系统、照明系统等能耗设备实时数据采集监控。通过采集各被监测点的历史能耗数据，为轨道交通运营单位准确了解分析能耗情况，提供及时的数据，并为各部门建立起各设备的标准能耗指标，如：电力质量及能耗数据的采集与分析、能耗的消耗情况、动力设备用电、空调用电、照明用电等用电设备的运行情况和能效情况。另外，能耗管理系统可按照不同的维度进行轨道交通能耗分析，以数据采集、精细化管理、发现问题、找出漏洞为主要方向，对能耗数据进行设计、公示、发布，并结合数据挖掘对比设备实际能耗值和标准指标值，用以来发现存在的各类用能浪费问题，从而实现如下目标：
1）按典型能耗模型对现有计量点进行分类，然后进行能耗计量和采集。
2）建立科学的且适合于建筑物的数学分析模型，如预算模型、区域能耗模型、能耗指标模型等。
3）管理流程计算机化，不断提升轨道交通运营单位对于动力设备、节能工作的管理能力。
4）提供完善的能耗费用成本分析功能，帮助轨道交通运营的用能管理部门及主管准确掌握每年能耗费用成本明细。
5）提供精细化的单位能耗指标，如办公室人均用能等，并依此进行同比环比分析，找出不合理用能部门。
2、设计原则
能耗监管平台是一套完整的针对轨道交通运营单位的能源消耗进行监测与综合管理的系统平台，其设计遵循下列原则：
1）城市轨道交通综合监控系统的能耗管理功能，需考虑与既有能耗管理系统互联互通，实现全线统一的能源管理，并能够对本车站的能耗进行分类、分项、分户计量，并向综合监控系统上传各类能耗数据。
2）能耗管理系统对本车站主要用电负荷、用水情况分类统计分析，根据各用电负荷特点，对各种用能设备进行节能管理分析及预留节能控制功能。
3）能耗管理系统可作为本车站管理层的分析、决策使用的工具，也能作为各用电、用水单位的考核工具。
4）电力监控系统的各类电力仪表信息纳入能耗管理系统，能耗管理系统集成于综合监控系统，由综合监控系统实现车站级界面显示。
5）以地铁车站为计量单位，实现车站用电、用水的总计量，同时实现用电分项计量，对各计量回路实现三相电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、有功和无功电度、频率等电力参数的实时监测。
3、系统网络架构组成
城市轨道交通能耗管理系统由线路级、车站级、现场级三层网络架构组成，如图1所示为系统架构组成。
线路级系统设置于各线路的控制系统内，综合监控系统实现监控，是整个能耗管理平台进行数据交换的重要节点，能提供能耗管理系统实时运行界面和历史数据查询服务。主要硬件设备有服务器、工作站、存储设备以及通信网络设备等，用于现场能耗数据的处理、存储以及通信。
车站级系统主要设置于各车站、车辆段基地的变电所内及环控电控室内，该系统集成在综合监控系统中，对现场环控系统的通风空调系统及水系统进行联动节能监视，并采集供电系统、动力照明系统、环控系统等用能数据，经综合监控系统提供的传输通道，上传至综合监控系统服务器，实现对本站车站级监视功能，并在综合监控界面进行可视化展示，主要硬件由能耗管理系统工作站、综合监控通信服务器、交换机、打印机等设备组成。
现场级系统设置于能源管理设备房内，对现场设备以组网的方式进行网络能耗数据进行采集、存储、计算等处理，主要硬件由多功能表（水表、电表等）、串口服务器及相互间的通信网络组成，多功能表通过双绞线构成的现场通信总线与综合监控系统串口服务器实现双向通信。
4、系统软件架构组成及功能

能耗管理系统软件负责实时监视轨道交通现场能耗运行情况，并可对能耗数据（水、电）、各类电力参数进行统计分析。为保证能耗参数监视的实时性，能耗软件人机界面设计采用C/S 架构，系统软件架构自下而上为数据采集层、数据存储层、基础服务层、应用层和数据展示层，如图2所示为能耗管理系统软件组成及功能。

图1能耗管理系统架构

数据采集层

应用层

该层主要包含实时监测系统、能耗统计分析系统、能耗公示系统以及移动端能耗管理系统，满足能耗监测、统计、分析等应用需求。可以根据本线路的相关数据（客流人次、运营公里数、建筑面积、空调通风面积等）建立线路能效评估指标体系，可通过Web实时查看树状结构的指标体系，并且能够对各类能源在使用过程中的重要环节提供能源平衡统计分析，实现能源损耗的标自动提示与告警实时预警，为节能审计管理提供有关地铁线路的能耗数据统计结果汇总和分析结论，自动生成综合能效评估报告，辅助管理人员制定进一步的能源运行管理策略。

该层是人机对话的窗口，并基于地理导航图，逐级展示地铁全线、车站/区间/车辆段、建筑楼层（如站厅层、站台层）、设备系统（如通风空调、屏蔽门、扶梯提升）的分类能源实时用能信息。可以以数据、表格、曲线、饼图、动画等形式展示，方便管理人员直观了解当前监测对象的能耗消耗量、能耗变化趋势、区域用能分布情况，以便管理者做出科学决策。同时，该层可以以工作站电脑、手机、平板、大屏为载体显示终端，针对车站值班人员、运营维护人员、运营管理人员等不同类型用户的需求及权限，配置相应功能界面。

图2能耗管理系统软件组成及功能

表1电量计量装置配置

与动照系统接口
综合监控能耗管理系统与动照系统的接口，其接口位置位于每端通风空调电控柜能耗子系统主机通信接口处，接口类型为RS485或以太网，如图4所示。通过车站两端通风空调电控柜内交换机，读取车站通风空调电控柜的能耗信息，如：三相电压、三相电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电度、谐波等多项电能参数的实时测量，并在人机界面上进行存储及显示，详细用途及功能如表2所示。

图3综合监控系统与电能质量管理系统的接口

图4综合监控系统与动照系统的接口

图5综合监控系统与给排水系统接口

表2动照系统用途功能

与给排水系统接口
能耗管理系统具备给排水系统监控及节能运行的功能，接口类型为RS485，如图5所示。针对不同被控对象特点提供相应的监控及节能运行方案，通过对各种环境参数进行检测及各个能耗设备，包括但不限于：制冷机组、分水器、集水器、冷却塔风机的能耗计量及统计分析，详细用途及功能如表3所示。

表3给排水系统用途功能

6、安科瑞企业能源管控系统概述
安科瑞企业能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。
7、应用场所
钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。
8、系统结构
现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。
系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。
现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。
网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保服务器端数据不丢失。
平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。
平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

9、系统功能
平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。
9.1平台登录

在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

9.2大屏展示
用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

9.3首页
首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

9.4数据监控
对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。
能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。
能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；
配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。
实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；
数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；
检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；

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9.5视频
接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

9.6变压器监控
展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。

9.7仪表实时监控
展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。

9.8能源中控
将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

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9.9用能统计
从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

9.11产品单耗统计
与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

9.12绩效分析
对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。

9.14自定义能耗报表
用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。

9.15同比、环比
提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。

9.16分析报告
以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

9.17能耗设备用能
监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。

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27.2

9.18线损分析
根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。

9.19碳排放管理
按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。
9.20电能质量监测
实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。
9.21运维管理
系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。

9.22报警管理
针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。

9.23能耗抄表
可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。

9.24能耗分析自定义时间抄表
可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。

9.25容需量报表
提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。
9.26复费率报表
对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。

9.27文档管理
对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。

9.28 3D可视化大屏
对场景进行虚拟，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。

9.29 3D子系统
对各动力子系统进行虚拟，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。

9.30工业组态
可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。

9.31自定义驾驶舱

可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

9.32基础数据管理
对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。

9.33手机APP
APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图

10、系统硬件配置

11、结束
城市轨道交通能耗管理系统的应用，实现了轨道交通各系统之间的信息互联与资源共享。通过实时的跟踪、监控节能措施的实施效果，以数据说话。通过各类用电分析和节能效果评估报表客观、准确了解情况，及时发现可能出现的新问题并找到合理的解决措施，不断完善解决方案或提出新的解决方案，以提升城市轨道交通运营单位的节能管理水平，实现运营单位节能管理工作的持续改进并达到规划的节能效果。
参考文献
[1]一种城市轨道交通的能耗管理系统设计.庞家治.
[2]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.

[3]安科瑞企业能源管控平台.2020.08版.

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词条
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