浅谈天津滨海新区轨道交通电能管理系统研究及选型

【摘要】介绍天津滨海新区轨道交通项目建设电能管理系统的系统架构、功能组成和实施方案。在借鉴其他城市轨道交通项目电能管理系统的基础上,结合天津滨海新区轨道交通建设的具体情况，对系统组网方案、测量表计设置原则、与通风空调节能系统和照明节能系统的集成配合等方面进行了方案研究，并提出了天津滨海新区城市轨道交通电能管理系统方案。

【关键词】：电能管理;城市轨道交通;节能;工程建设

引言

截至 2018 年年底，国内已经有 35 个城市共开通运营5761.4 km 的城市轨道交通线路。城市轨道交通车辆运行及设备系统均采用电能，随着更多的城市轨道交通项目建设，如何节约电能是一个非常重要的研究课题。目前广州、杭州、南京等一些城市的轨道交通项目通过设置多功能电表计量各用电设备的用电情况，通过电能管理软件分析能耗情况提出相应节能方案，并获得了明显节能效益，但在实施和运营中也发现了一些问题。国家发改委《发改基础[2015]2098号》文批复天津滨海新区建设 B1、Z2、Z4线3个轨道交通项目3个项目均设置了电能管理系统。本文针对目前已经实施的电能管理系统中存在的缺陷和问题，研究解决方案，提出了适合天津滨海新区轨道交通建设的电能管理系统方案和实施方案。希望为天津滨海新区后续建设项目以及其他城市电能管理系统建设提供参考。

1、已经实施的电能管理系统存在的问题

1.1表计的配置数量不足、精度不够

电能计量器具配各率偏低，对能源系统的计量覆盖范围不到位，不能完整、准确反映电能系统的分类、分项、分户能耗信息，不满足电能的供给与使用包括损耗的平衡分析条件。表计精度不够.无法满足电能分析对比的要求。

1.2 缺乏统一规划各个项目数据格式不统一

一个城市各个项目的电能管理系统建设缺乏总体规划，建设时每个项目的数据格式标准不一致,并且信息采集的间隔、数据类型、数据交换格式与表达方式呈现多样化特征，导致互联可通信息存在交耳问题，对后续建立该城市线网级的电能管理系统形成了巨大的障碍。

1.3 系统组网方案与招标实施方案不科学

电能管理系统与供电系统开关柜设备、电力监控系统、通信系统、综合监控系统存在接口。根据电能管理系统与上面几个系统的关系以及如何接人骨干网,可以设置不同的组网方案和打包方案。如果组网方案或者打包方案不合理,会导致接口过多,并且无法充分发挥专业电能管理系统厂家的作用。

1.4 重监测、轻应用

目前实施的电能管理系统更多在于采集数据，采集以后的数据应用到设备控制形成的节能措施较少。

2、滨海新区轨道交通电能管理系统方案

2.1系统构成

电能管理系统由线路级电能管理系统、站级电能采集系统及其数据传输的网络通道组成。(图 1)

线路级电能管理系统设在控制中心，对全线的车站、场段主变电所等区域所消耗电能进行分类计量和在线监测。同时建立针对能耗数据统计对比及用能设备系统实时用能状态的集中监管平台，实现对地铁线路能耗监测、用能监管和节能管理3个层面的管理应用。

站级电能采集系统由监控工作站(含主机、显示器等)、通信控制器、工业以太网交换机以及相关附件等构成。站级电能采集系统是监测、分析站点供电系统电能质量的工具,通过采集智能监测仪表的数据.实现对站点供电系统的电能质量参数测量、监测分析和计量管理等功能。

2.2组网方案比选

电能管理系统有以下 3 种组网方案:第三种是集成到综合监控系统这3 种方案的对比详见表1。

天津滨海新区轨道交通项目均设计了综合监控系统，电力监控系统也深度集成到了综合监控系统综合考虑系统接口、后续调试，采用电能管理系统线路级和站级(除测量电表)集成到综合监控系统，测量电表与开关柜合并打包，*大限度减少接口。为解决综合监控系统集成商做电能管理系统不专业问题，招标时通过设置电能管理系统业绩门槛的方式，要求综合监控系统集成商对电能管理系统二次招标，招标专业的电能管理系统家辅助综合监控系统集成商。

2.3 测量表计的设置原则

(1)确保采集全覆盖。具体表计设置如下：

①车站变电所：进线总开关、三级负荷总开关、母联开关：照明总开关、电扶梯馈线回路、环控设备馈线回路、广告照明馈线回路、公安通信回路、公众通信回路、商业预留回路、信号回路、站台门回路；

②车站环控电控柜：空调机组、各类风机、冷水机组、冷冻泵、冷却泵和冷却塔风机等；

③车站弱电综合UPS：弱电综合UPS出线侧各弱电系统回路；

④车辆段：各单体建筑总配电柜空调、照明、工艺检修等分类负荷；

⑤主变电所：总配电箱进线回路。

该设置原则覆盖了各用电设备系统，并且分类分项分户测量，便于统计对比分析。

1. 根据不同回路测试要求的不同，差异化设置测量表计，降低建设成本。在35 kV 电压等级测量回路和对外商业单独计量收费的回路采用0.2S精度的表计,其他回路采用0.5S 精度的表计。在满足统计分析精度的前提下，尽量降低建设成本。

2. 尽量采用多回路测量仪表,降低建设成本。目前大部分城市项目的测量方案为一个回路装设一个测量仪表，因为测量覆盖面广,一般一个项目需要装设 2000 多块表计。众多表计本身就是一个比较大的建设成本，并且因为表计需要装设在开关柜、环控柜、总配柜里面,导致占用柜子很大的空间，也间接增加了成本。如果采用多回路测量仪表，单块表计可以串接多个测量模块，距离较远时还可以加装中继器扩大单块表计的测量回路范围(图 2)。在保证同样的测量覆盖范围的情况下，可以减少表计的数量，大大降低建设成本。

1. 每个项目采用统一的数据分类分项模型。滨海新区 3 个城市轨道交通建设项目虽然时序不同，但是在建设一个项目时就要站在整个线网的高度,统一各个项目的数据模型,为后续不同线路的数据进行对比分析奠定基础，也为后续建设线网级的电能管理系统做好铺垫。

2.4 集成通风空调系统节能系统

通风空调系统是各设备系统除车辆外用电*多的系统，一般约占整个用电量的 25%~30%。通风空调系统节能是电能管理节能的重点。通风空调系统节能系统以整个空调系统节能为目标(冷水机组+冷冻泵+冷却泵+冷却塔+空调末端)，综合考虑各设备之间耦合关系和相互影响，在不同室外状况以及系统负荷下，实时动态寻找空调系统运行的*佳能效控制参数，实现系统全局优化控制。电能管理系统集成了空调节能系统，通过电能管理系统电表所测数据。可以准确查看空调节能系统节省的电量，评价空调节能系统的节能效果。

2.5 集成照明节能控制系统

低压照明系统也是节能的一个重点，照明控制系统在车站区域增加调光控制器，人流量传感器。通过传感器配合电能管理系统进行照明控制。利用专业电能管理系统厂家技术优势,通过研究车站客流模式、运营模式(分季节和高峰时段)等数据进行挖掘，实现低压照明设备的智能、精细控制,达到照明节能的目的。

3、安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案

3.1概述

 用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

  安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

3.2应用场所

  （1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

  （2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

  （3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

  （4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

  （5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；

  （6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

3.3系统结构

3.4系统功能

1）实时监测

系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

2）电能统计报表

系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

3）详细电参量查询

在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

4）运行报表

系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、*定时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

5）变压器运行监视

系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

6）实时报警

系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

7）历史事件查询

系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

8）电能质量监测

系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

9）遥控操作

系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

10）用户权限管理

系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

11）通讯状态图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

12）视频监控

视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

13）用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

14）APP支持

电力运维手机支持“监控系统"、“设备档案"、“待办事项"、“巡检记录"和“缺陷记录"五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

3.5系统硬件配置清单

4、结论

滨海新区城市轨道交通电能管理系统方案,充分借鉴了已经实施该系统的城市的经验，避免了它们的不足：既保证了测量数据全覆盖，又有效地控制了成本;既减少电能管理系统与其他系统的接口,又能充分发挥电能管理系统专业厂家的优势。从一个项目实施时就统一各个项目的数据格式标准,为后续建立线网级的电能管理系统打下了基础。同时,集成通风空调节能系统和照明节能系统,在数据监测与节能控制联动方面也做了探索和尝试。

【参考文献】

1. 张健,左燕.天津滨海新区轨道交通电能管理系统研究[J].设备管理与维修,2019,0(15):28-30

2. 黄明才.南京地铁能耗数据模型[J].能源研究与利用,2018(1):50-53.

3. 沈文杰.地铁车站能源管理系统设计应用[J].电气技术,2015( 10):63-67

4. 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版

5. 
   

作者简介：魏健辉，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司。