浅谈城市轨道交通智慧能源管理系统

摘要：介绍了传统轨道交通能源管理系统的构成及功能，指出现有能源管理系统在节能工作中的局限，提出能源数据应进行精细化采集，构建多系统协同管控的能源管理大数据平台，建立科学的能耗评价指标，制定合理的自动化节能控制策略，实施多系统协同控制，大限度地降低能耗，发展为自动控制节能的智慧能源管理系统。

关键词：能源管理系统；分类分项分户；自动节能控制；智慧能源管理系统

0引言

城市轨道交通在中国人民的生产、生活中已成为无法取代的新型交通方式。截至2019年，中国已有40个城市开通城市轨道交通，运营线路208条，运营线路总长度6736.2km。由于轨道交通运量巨大，其能源消耗也相当惊人。与此同时，中国面临非常严峻的能源安全和环境压力。在2021年的工作报告中，“做好碳达峰、碳中和工作”被列为2021年重点任务之一。轨道交通作为用能大户，其节能工作是一项长期、艰巨的任务。城市轨道交通能源消耗种类主要包括电、水、燃气、油、冷量等，其中，电能消耗大，占总能源消耗的85%～98%。能源消耗种类占比如图1所示。能耗成本控制是地铁运营成本控制的重要环节。建立完善的能源管理体系既是企业减少自身能源消耗、降低生产成本的需要，又是响应节能号召和全球减排温室气体的需要。

1能源管理系统的现状

能源管理系统在很多城市轨道交通工程中已应用，能源管理系统初设立的目的主要是实现远程抄表，减少运营人工成本，并用于能源数据的采集、统计、报表等。

1.1能源管理系统构成

能源管理系统架构包括能源管理系统、骨干网及现场数据采集表计。能源管理系统通过全线骨干网，从各车站、场段、主变电所和控制等现场表计自动获取能源数据，实现对全线能源数据的集中监管。能源管理系统架构图如图2所示。

1.1.1能源管理系统

能源管理系统设主备数据服务器、磁盘阵列、交换机、工作站、打印机等设备。主备数据服务器、磁盘阵列用于处理、存储全线能源管理系统的历史数据，能源管理工作站作为数据库服务器的客户端，在工作站上通过能源管理系统软件，可实时显示系统所有智能电、水表等的运行状态及参数，查询服务器历史数据，进行统计、分析，生成各类能耗报表等。

1.1.2骨干网

将综合监控系统或通信系统骨干网作为底层设备与能源管理的通信通道，将底层表计数据上传至能源管理系统。

1.1.3现场表计

能源管理系统根据能源的种类配置相应的能源计量表计，如电表、水表等智能表计，采集电能、水能等能源数据，表计应具有通信功能，将数据通过骨干网上传至能源管理系统。

1.2能源管理系统功能

能源管理系统对末端设备的能耗与能效数据进行采集、存储、统计，并形成报表，为地铁运营管理工作提供了有效的能耗计量工具和能源管理工具。

1.2.1数据采集及存储功能

能源管理系统通过网络自动采集终端智能表计各类数据，并将采集到的原始数据以一定的间隔周期上传并存储至数据库。

1.2.2数据统计及报表功能

能源管理系统对采集的数据进行能源的分类、分项和分户统计，以报表、柱状图、饼图、趋势曲线等形式显示能源数据和信息。各站分户用电占比如图3所示。

1.2.3实时监测功能

能源管理系统可以实时监测电表的三相电流/电压、频率、有功/无功功率、功率因数、有功电能、电表综合变比等实时数据。

1.2.4能耗异常监控功能

能源管理系统可查询系统监控到的电表和用电异常记录，可新增、修改、删除设置的被监控电表记录，查询设置的电表增量限额。

2能源管理系统在节能工作中的局限性

现有的城市轨道交通能源管理系统多用于远程抄表、能源数据监测、统计等，并没有在能源管理和节能控制方面很好地发挥作用。

2.1管理粗放统计粗略

现有的能源管理系统管理粗放，运行参数与能耗统计不准确、不精细，缺乏对实际能耗使用细节的关注，能耗数据与运行参数流于形式，存在能耗管理盲区。部分工程采用继电保护装置的测量功能采集能耗数据，负载率较低时能耗数据无法显示。

2.2能源管理与节能控制脱节

现有能源管理系统的主要作用是对能源数据进行采集、统计，只监测不管控，能源管理与节能控制脱节。

2.2.1环控设备运行状态与客流量脱节

据统计，大多数城市轨道交通环控系统按大设计值处于长期满负荷运行状态，无法根据客流量调节设备运行，甚至存在过度供冷等问题。

2.2.2个别设备房温度过低

个别设备房机电设备低负荷运行，发热量远低于额定负荷，而空调系统按额定负荷发热量运行，造成设备房温度过低。

2.2.3照明设备全天处于高照度状态

轨道交通列车行车密度在全天运行中存在很大差异，公共区照明全天运行时段均处于高照度，而无节能管控措施。

3基于大数据平台的智慧能源管理系统

针对能源管理系统在节能工作中存在的问题，应对能源数据进行精细化采集，构建多系统协同管控的能源管理大数据平台，建立科学的能耗评价指标，制定合理的自动化节能控制策略。

3.1能源管理系统分类分项分户模型的建立

能源管理系统分类、分项、分户模型的建立应从便于能源的统计、对比分析、节能考核及贸易结算等角度考虑，对采集到的数据按照时段、日、月、年计算分类、分项和分户能耗数据以及均值（人均、单位面积均、车均等），为节能管控提供决策依据。能源管理系统发展路线如图4所示。

3.1.1能源分类

能源分类主要指能源消耗的种类，包括电力、燃气、燃油、燃煤、热力以及水资源等。

3.1.2能源分项

能源分项是指根据各类能源的主要用途划分进行采集和整理，其目的是区分、管理各类能源消耗，并为节能分析提供基础数据。

能源分项主要分为车辆牵引用电和动力照明用电，动力照明用电又可分为通风空调用电、动力用电、设备用电、照明用电、商业用电、物业用电等小项。通风空调系统设备所消耗的电能约占整个车站动力耗电量的50%，存在很大的节能空间，此类需要进行节能分析的用电负荷，应划分用电细项进行统计。用电分项模型如图5所示。

3.1.3能源分户

能源分户的主要目的是实现能耗统计、节能考核、贸易结算等，能源分户可按不同能源消耗主体如车站、控制、车辆段、停车场及主变电所等进行能耗数据的统计和整理，其中，车辆段及停车场的每一处独立单体可为一统计小户。

为了便于轨道交通各车站的能源消耗对比分析，车站大户用电一般指动力照明用电，不包括牵引用电。

3.2建立能源管理系统大数据平台

城市轨道交通应构建线网级能源管理系统，除了根据分类、分项、分户模型采集各线能源数据外，能源管理系统同时与AFC（AutomaticFareCollection，自动收费）系统、信号系统、BAS（BuildingAutomationSystem，楼宇自动化系统）等互联互通，将运营数据（客流、车次）、环控数据、车站数据等纳入能源管理系统大数据平台（见图6），以报表、趋势图、柱形图、饼图等的形式显示线路、车站、设备等的能耗趋势，并计算出单位客运周转量、单位运营里程、单位面积等的能耗数据。

3.3建立能耗评价指标

能耗评价指标是能耗数据分析工作的直观体现，也是检验能源管理工作的重要依据[7]。只有建立科学的能耗评价指标，才能更好地指导节能工作。能耗评价指标如表1所示。

3.4智慧能源管理系统

根据科学、合理的能源管理系统评价指标，制定合理的节能控制策略，与综合监控系统联动，对列车运行模式、环控设备、照明设备等进行自动控制，及时、准确地调整设备运行状态，达到自动控制节能的目的。

a)在非高峰运营时段，适当控制列车运行速度，采用大小交路套跑的行车组织模式控制列车运营，降低单位运营里程牵引电耗；b)根据客流情况和环控数据自动调整通风、空调设备运行工况，降低单位客运量电耗；c)根据列车车次自动控制公共区照明设备启停，降低运营线公里电耗。

4 Acrel-EIOT能源物联网云平台

（1）概述

Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台，建立统一的上下行数据标准，为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。用户仅需购买安科瑞物联网传感器，选配网关，自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。

该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问。

（2）应用场所

本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。

（3）平台结构

（4）平台功能

电力集抄

电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示，以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制，对系统进行综合检测和统一管理；在数据资源管理方面，可以显示或查询供配电室内各设备运行（包括历史和实时参数，并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印，提高工作效率，节约人力资源。

变压器监控

配电图

能耗分析

能耗分析模块采用自动化、信息化技术，实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动化、科学化管理，使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来，运用的数据处理与分析技术，进行离线生产分析与管理，实现全厂能源系统的统一调度，优化能源介质平衡、有效利用能源，提高能源质量、降低能源消耗，达到节能降耗和提升整体能源管理水平的目的。

能耗概况

预付费管理

1）登陆管理：管理操作员账户及权限分配，查看系统日志等功能；

2）系统配置：对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置；

3）用户管理：对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作；

4）售电管理：对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作；

5）售水管理：对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作；

6）报表：提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询，本系统所有的报表及记录查询，都支持excel格式导出。

预付费看板

充电桩管理

通过物联网技术，对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。

充电桩看板

智能照明

智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测，也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等，降低路灯设施的维护难度和成本，提升管理水平，并达到一定节能减挂的效果。

监控页面

安全用电

安全用电采用的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流和剩余电流）进行不间断的数据跟踪与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现一时间的排查和治理，达到消除潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然”的目的。

智慧消防

通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。填补了原先针对“九小场所”和危化品生产企业无法有效监控的空白，适应于所有公建和民建，实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”、用电管理“精细化”的实际需求。

（5）系统硬件配置

类型	型号	外观	产品功能
能源物联网云平台	Acrel-EIOT		提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问
智能网关	AWT100-4G		1路下行485，上行可选配4G、WIFI、网口
	ANet-1E2S1-4G		上行：以太网、4G 下行：RS485
物联网电表	ARTU系列		可扩展DIDO以及多路模拟量输入输出单元。 通讯方式：RS485接口，Modbus协议。可扩展2G、Lora、LoRAWAN、NB-IoT、4G、以太网
无线测温	ARTM-Pn		可监测电压、电流、频率、有功功率、无功功率、电能，可接收60个无线温度传感器温度
	ATC600		ATC600有2种工作模式：终端(-C)、中继(-Z)，可根据项目布局选择配置。可接收240个无线温度传感器温度
光伏监控	AGF		光伏电池串开路报警，可以配合组串电压进行综合判断；带3路开关量状态监测，用于采集直流断路器、防雷器等输出空接点状态；一次电流采用穿孔方式接入，安装方便，安全性高；测量元件采用霍尔传感器，隔离测量大电流20A；电压测量功能可测量母线电压高DC1500V
电力监控	AEM96		三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、大需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史极值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、开关量、报警输出 通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议
	AEM72		三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、大需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史极值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、开关量、报警输出 通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议
	ACR系列		三相所有电力参数、大需量记录（ACR320EFL）、分时电能统计及12月电能统计、日期时间显示、LCD显示、RS485通讯，事件记录。 通讯方式：RS485，Prifibus-DP、以太网
	APM系列		全电量测量，四象限电能，复费率电能，仪表内部温度测量，总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量及大需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月极值和上月极值(包含时间戳)。中文显示，有功电能0.2s级。通讯方式：RS485，Prifibus-DP、以太网
物联网电表	DDS		有功、无功电能计量，电参量测量：U、I、P、Q、S、PF、F，LCD显示，RS485通讯，MODBUS-RTU和DL/T645协议
物联网电表	DDSD		电能计量：总电能计量（反向计入正向），3个月历史电能数据冻结存储电参量测量：U、I、P、Q、S、PF、F测量LCD显示：8位段式LCD显示按键编程：3按键可编程设置密码、通讯地址、波特率、复费率和通讯协议。 脉冲输出：L有功电能脉冲输出复费率：4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率通讯：RS485接口，MODBUS-RTU、DL/T645-97、DL/T645-07协议、红外通讯
物联网电表	DTSD		电能计量：有功电能计量（正、反向）、无功电能计量（正、反向）、A、B、C分相正向有功电能电参量测量：U、I、P、Q、S、PF、F谐波测量：2~31次谐波电压电流LCD显示：8位段式LCD显示、背光显示按键编程：4按键可编程通信、变比等参数脉冲输出：有功脉冲输出、无功脉冲输出、时钟脉冲输出LED报警：失压、过压报警复费率及附带功能：有源开关量输入、3开关量输出、支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率、大需量及发生时间、上48月、上90日历史冻结数据、日期、时间 通讯：红外通讯、RS485接口、同时支持Modbus、DL/T645测温：支持3外置NTC测温
物联网电表	ADL200		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。总电能计量（反向计入正向），3个月历史电能数据冻结存储；8位段式LCD显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能2级。
	ACR10R		三相电流/电压/频率/功率因数，有功/无功/视在功率，四象限电能计量，大需量，复费率电能计量，总谐波含量、分次谐波（2-63次），事件记录和报警功能。电能精度0.5级。 通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议
	ADL10-E		有功、无功电能计量，电参量测量：U、I、P、Q、S、PF、F，LCD显示，RS485通讯，MODBUS-RTU和DL/T645协议
	ADL400		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。（正、反向）有功、无功电能计量；A、B、C分相正向有功电能计量；2-31次谐波电压电流；12位段式LCD显示、背光显示，电能精度0.5s级。
	ADW200		4路三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量；电压电流相角、电压电流不平衡度测量；电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量；当月及上三月的电压、电流、功率极值记录；大需量及上十二月历史需量记录；事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录；支持12路开关量输入4路开关量输出；支持12路测温4路剩余电流测量；有功电能精度1级。 通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议
	ADW210		4路三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量；电压电流相角、电压电流不平衡度测量；电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量；当月及上三月的电压、电流、功率极值记录；大需量及上十二月历史需量记录；事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录；支持12路开关量输入4路开关量输出；支持12路测温4路剩余电流测量；有功电能精度1级。
	ADW300-4G		三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量；电压电流相角、电压电流不平衡度测量；电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量；当月及上三月的电压、电流、功率极值记录；大需量及上十二月历史需量记录；事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录；支持4路开关量输入、2路开关量输出；支持4路测温；支持1路剩余电流测量；支持本地显示及按键设置；有功电能精度1级。 通讯方式：支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯；WIFI通讯
预付费电表	DDSY-4G		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量（正、反向），A、B、C分相正向有功电能，支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率大需量及发生时间，实时需量，历史冻结数据购电记录；8位段式LCD显示、背光显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能0.5s级。
	DTSY-4G		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量（正、反向），A、B、C分相正向有功电能，支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率大需量及发生时间，实时需量，历史冻结数据购电记录；8位段式LCD显示、背光显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能0.5s级。
直流电能表	DJSF1352		1.精度：1级或0.5级，带±12V电压输出用于霍尔传感器供电 2.测量：电压、电流、功率、正反向电能，支持双路计量。
电气安全	ARCM300-Z		三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、cosΦ），视在电能、四象限电能计量，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，2 路开关量输入，支持断电报警上传
	AAFD-DU		监测故障电弧、漏电、温度 两路无源干接点（开关量）输入 两路无源常开触点（开关量）输出
充电桩	ACX系列		充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 支持投币、刷卡，扫码、免费充电，
	AEV_AC007		额定功率7kW,单相三线制，防护等级IP65,具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方式：4G、蓝牙、Wifi
智慧照明	ASL200		遥控输出 两路无源干接点（开关量）输入 两路无源常开触点（开关量）输出

5结论

云平台的发展和应用为城市轨道交通的综合承载和数据共享提供了有力的技术支撑，完全具备建立能源管理系统大数据平台的条件。但基于能源管理大数据平台的节能控制策略尚不完善，需要多系统协同做进一步研究。

城轨交通，智慧先行。《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》指出智能能源系统体系是智慧城轨建设蓝图的目标之一。未来能源管理系统的发展方向必将是相关系统互联互通，制定合理的自动化控制策略，实施多系统协同控制，发挥能源管理系统在节能工作中的巨大潜力，使能源管理系统发展成为自动控制节能的智慧能源管理系统。

参考文献：

［1］ 中国城市轨道交通协会.城市轨道交通 2019 年度统计和分析报告［R/OL］

［2］ 宋新启.地铁能源管理系统设计.

［3］ 湛维昭.实现电能管控功能的城市轨道交通综合监控系统的研究

［4］ 董存祥.基于综合监控系统的城轨交通节能研究［J］.

［5］ 韩冶.城市轨道交通能源管理系统设计方案［J］.

［6］ 王文格，胡伟然，罗 兰，朱雨婷.城市轨道交通智慧能源管理系统

作者简介：闻什益，安科瑞电气股份有限公司，手机：[phone]

审核编辑 黄宇