淺談能耗管理係統在城市軌道交通中的應用

在如今，以互聯網、雲(yun) 計算、大數據、人工智能等為(wei) 代表的新一輪科技革命和產(chan) 業(ye) 變革發展迅速，數字經濟發展呈現蓬勃的勢頭。為(wei) 實現對城市軌道交通用能設備進行數字賦能，有效控製城市軌道交通運營生產(chan) 成本，需對供電係統、供水係統、通風空調係統、照明係統等設備的能耗進行數據采集、監測、分析，並實時掌控現場設備的能耗數據，通過相關(guan) 監控平台進行動態分析，以實現城市軌道交通的智能化、數字化、精細化的管理。

1、背景

在城市軌道交通運營中，用能消耗主要包括：電能消耗和水能消耗，其中以電力消耗為(wei) 主，占總能耗的一半，主要有車輛牽引用電、照明用電、空調用電、電梯用電等。其次就是水，主要有生產(chan) 、生活用水及空調製冷用水累計量等。軌道交通作為(wei) 能源消耗的大戶，節約使用能源，降低基本耗損，意味著降低生產(chan) 經營成本。為(wei) 此，為(wei) 實現科學、有序地用能，在城市軌道交通采用能耗管理係統，該係統是集遠程抄表係統和監測管理係統為(wei) 一體(ti) ，來實現對城市軌道交通的供電係統、供水係統、通風空調係統、照明係統等能耗設備實時數據采集監控。通過采集各被監測點的曆史能耗數據，為(wei) 軌道交通運營單位準確了解分析能耗情況，提供及時的數據，並為(wei) 各部門建立起各設備的標準能耗指標，如：電力質量及能耗數據的采集與(yu) 分析、能耗的消耗情況、動力設備用電、空調用電、照明用電等用電設備的運行情況和能效情況。另外，能耗管理係統可按照不同的維度進行軌道交通能耗分析，以數據采集、精細化管理、發現問題、找出漏洞為(wei) 主要方向，對能耗數據進行設計、公示、發布，並結合數據挖掘對比設備實際能耗值和標準指標值，用以來發現存在的各類用能浪費問題，從(cong) 而實現如下目標：

1）按典型能耗模型對現有計量點進行分類，然後進行能耗計量和采集。

2）建立科學的且適合於(yu) 建築物的數學分析模型，如預算模型、區域能耗模型、能耗指標模型等。

3）管理流程計算機化，不斷提升軌道交通運營單位對於(yu) 動力設備、節能工作的管理能力。

4）提供完善的能耗費用成本分析功能，幫助軌道交通運營的用能管理部門及主管領導準確掌握每年能耗費用成本明細。

5）提供精細化的單位能耗指標，如辦公室人均用能等，並依此進行同比環比分析，找出不合理用能部門。

2、設計原則

能耗監管平台是一套完整的針對軌道交通運營單位的能源消耗進行監測與(yu) 綜合管理的係統平台，其設計遵循下列原則：

1）城市軌道交通綜合監控係統的能耗管理功能，需考慮與(yu) 既有能耗管理係統互聯互通，實現全線統一的能源管理，並能夠對本車站的能耗進行分類、分項、分戶計量，並向綜合監控係統上傳(chuan) 各類能耗數據。

2）能耗管理係統對本車站主要用電負荷、用水情況分類統計分析，根據各用電負荷特點，對各種用能設備進行節能管理分析及預留節能控製功能。

3）能耗管理係統可作為(wei) 本車站管理層的分析、決(jue) 策使用的工具，也能作為(wei) 各用電、用水單位的考核工具。

4）18luck新客户端係統的各類電力儀(yi) 表信息納入能耗管理係統，能耗管理係統集成於(yu) 綜合監控係統，由綜合監控係統實現車站級界麵顯示。

5）以地鐵車站為(wei) 計量單位，實現車站用電、用水的總計量，同時實現用電分項計量，對各計量回路實現三相電壓、電流、功率因數、有功功率、無功功率、有功和無功電度、頻率等電力參數的實時監測。

3、係統網絡架構組成

城市軌道交通能耗管理係統由線路級、車站級、現場級三層網絡架構組成，如圖1所示為(wei) 係統架構組成。

線路級係統設置於(yu) 各線路的控製係統內(nei) ，綜合監控係統實現監控，是整個(ge) 能耗管理平台進行數據交換的重要節點，能提供能耗管理係統實時運行界麵和曆史數據查詢服務。主要硬件設備有服務器、工作站、存儲(chu) 設備以及通信網絡設備等，用於(yu) 現場能耗數據的處理、存儲(chu) 以及通信。

車站級係統主要設置於(yu) 各車站、車輛段基地的變電所內(nei) 及環控電控室內(nei) ，該係統集成在綜合監控係統中，對現場環控係統的通風空調係統及水係統進行聯動節能監視，並采集供電係統、動力照明係統、環控係統等用能數據，經綜合監控係統提供的傳(chuan) 輸通道，上傳(chuan) 至綜合監控係統服務器，實現對本站車站級監視功能，並在綜合監控界麵進行可視化展示，主要硬件由能耗管理係統工作站、綜合監控通信服務器、交換機、打印機等設備組成。

現場級係統設置於(yu) 能源管理設備房內(nei) ，對現場設備以組網的方式進行網絡能耗數據進行采集、存儲(chu) 、計算等處理，主要硬件由多功能表（水表、電表等）、串口服務器及相互間的通信網絡組成，多功能表通過雙絞線構成的現場通信總線與(yu) 綜合監控係統串口服務器實現雙向通信。

4、係統軟件架構組成及功能

能耗管理係統軟件負責實時監視軌道交通現場能耗運行情況，並可對能耗數據（水、電）、各類電力參數進行統計分析。為(wei) 保證能耗參數監視的實時性，能耗軟件人機界麵設計采用C/S 架構，係統軟件架構自下而上為(wei) 數據采集層、數據存儲(chu) 層、基礎服務層、應用層和數據展示層，如圖2所示為(wei) 能耗管理係統軟件組成及功能。

圖1能耗管理係統架構

數據采集層

采集層主要是應用各類傳(chuan) 感器（溫濕度、二氧化碳等傳(chuan) 感器）、智能儀(yi) 表（水表、電表等）、節能終端等設備進行對能耗數據的自動采集，對於(yu) 不具備自動采集的計量數據，可通過人工定期錄入的方式采集。主要包括：通過底層智能儀(yi) 表進行自動采集的數據，包括用電量、用水量、空調機組送風冷 / 熱量等。通過OPC或其他標準接口獲取的數據，包括車站內(nei) 乘客流量信息等。通過接口手動錄入的數據，包括站廳站台內(nei) 麵積、列車營運時間、能源單價(jia) 等。

數據存儲(chu) 層

數據存儲(chu) 層主要是基於(yu) 數據挖掘技術，采集的數據存儲(chu) 至實時數據庫，實時數據庫根據預先建立的環控係統、照明係統、動力照明係統能效評估模型，供能耗管理係統進行數據分析評估，並對主要耗能設備（如；通風空調係統）的運行狀態和效率進行動態監管，實時評估能源利用效率，在線挖掘節能空間，為(wei) 運營單位優(you) 化提供建議和依據。

基礎服務層

基礎服務層主要提供實時數據抽取及校驗、數據報表定時生成、權限分配管理、係統配置、計量儀(yi) 表管理等各種基礎服務，能提供設置多級限值超限告警，並可按預設策略進行控製，為(wei) 軟件係統各業(ye) 務模塊提供基礎支撐。

應用層

該層主要包含實時監測係統、能耗統計分析係統、能耗公示係統以及移動端能耗管理係統，滿足能耗監測、統計、分析等應用需求。可以根據本線路的相關(guan) 數據（客流人次、運營公裏數、建築麵積、空調通風麵積等）建立線路能效評估指標體(ti) 係，可通過Web實時查看樹狀結構的指標體(ti) 係，並且能夠對各類能源在使用過程中的重要環節提供能源平衡統計分析，實現能源損耗的超標自動提示與(yu) 告警實時預警，為(wei) 節能審計管理人員提供有關(guan) 地鐵線路的能耗數據統計結果匯總和分析結論，自動生成綜合能效評估報告，輔助管理人員製定進一步的能源運行管理策略。

數據展示層

該層是人機對話的窗口，並基於(yu) 地理導航圖，逐級展示地鐵全線、車站/區間/車輛段、建築樓層（如站廳層、站台層）、設備係統（如通風空調、屏蔽門、扶梯提升）的分類能源實時用能信息。可以以數據、表格、曲線、餅圖、動畫等形式展示，方便管理人員直觀了解當前監測對象的能耗消耗量、能耗變化趨勢、區域用能分布情況，以便管理者做出科學決(jue) 策。同時，該層可以以工作站電腦、手機、平板、大屏為(wei) 載體(ti) 顯示終端，針對車站值班人員、運營維護人員、運營管理人員等不同類型用戶的需求及權限，配置相應功能界麵。

圖2能耗管理係統軟件組成及功能

5、係統接口與(yu) 應用

城市軌道交通綜合監控能耗管理係統與(yu) 供電專(zhuan) 業(ye) 、動照專(zhuan) 業(ye) 、給排水專(zhuan) 業(ye) 等係統，按照雙方約定好的數據格式，如：Modbus、Modbus-RTU或Profbus DP協議等格式，向其提供能耗數據及通道檢測，並根據能耗管理係統收集的能耗信息，進行能耗數據整理與(yu) 分析。

與(yu) 供電係統接口應用

與(yu) 電能質量管理係統的接口應用

綜合監控能耗管理係統與(yu) 供電係統的電能質量管理係統的接口，其接口位置位於(yu) 車站/變電所控製室供電係統電能質量管理係統主機通信接口處，接口類型為(wei) 光纖以太網，如圖3所示。通過電能質量檢測係統交換機接入到綜合監控係統通信服務器中，讀取開關(guan) 櫃內(nei) 能耗信息，其中智能電力儀(yi) 表根據應用場所的電壓等級、回路用途和功能進行配置，詳細用途及功能如表1所示。

表1電量計量裝置配置

與(yu) 動照係統接口

綜合監控能耗管理係統與(yu) 動照係統的接口，其接口位置位於(yu) 每端通風空調電控櫃能耗子係統主機通信接口處，接口類型為(wei) RS485或以太網，如圖4所示。通過車站兩(liang) 端通風空調電控櫃內(nei) 交換機，讀取車站通風空調電控櫃的能耗信息，如：三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、電度、諧波等多項電能參數的實時測量，並在人機界麵上進行存儲(chu) 及顯示，詳細用途及功能如表2所示。

圖3綜合監控係統與(yu) 電能質量管理係統的接口

圖4綜合監控係統與(yu) 動照係統的接口

圖5綜合監控係統與(yu) 給排水係統接口

表2動照係統用途功能

與(yu) 給排水係統接口

能耗管理係統具備給排水係統監控及節能運行的功能，接口類型為(wei) RS485，如圖5所示。針對不同被控對象特點提供相應的監控及節能運行方案，通過對各種環境參數進行檢測及各個(ge) 能耗設備，包括但不限於(yu) ：製冷機組、分水器、集水器、冷卻塔風機的能耗計量及統計分析，詳細用途及功能如表3所示。

表3給排水係統用途功能

6、安科瑞企業(ye) 能源管控係統概述

安科瑞企業(ye) 能源管控係統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(ye) 的生產(chan) 、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業(ye) 電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(ye) 針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產(chan) 品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產(chan) 線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為(wei) 企業(ye) 加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

7、應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業(ye) 、木材、工業(ye) 園區、醫院、學校、酒店、寫(xie) 字樓以及汽車製造、機電設備、電器產(chan) 品、工器具製造等離散製造業(ye) 。

8、係統結構

現場通過廠區局域網和平台通訊，平台搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之後，客戶可以在任意能與(yu) 局域網聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

係統可分為(wei) 三層：即現場設備層、網絡通訊層和平台管理層。

現場設備層：主要是連接於(yu) 網絡中用於(yu) 水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀(yi) 表等，也是構建該配電、耗水、耗氣係統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為(wei) 本公司各係列帶通訊網絡電力儀(yi) 表、溫濕度控製器、開關(guan) 量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網絡通訊層：包含現場智能網關(guan) 、網絡交換機等設備。智能網關(guan) 主動采集現場設備層設備的數據，並可進行規約轉換，數據存儲(chu) ，並通過網絡把數據上傳(chuan) 至搭建好的數據庫服務器，智能網關(guan) 可在網絡故障時將數據存儲(chu) 在本地，待網絡恢複時從(cong) 中斷的位置繼續上傳(chuan) 數據，保證服務器端數據不丟(diu) 失。

平台管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

平台采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

9、係統功能

平台采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(ye) 的生產(chan) 、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業(ye) 各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(ye) 加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為(wei) 節能改造提供數據依據。

9.1平台登錄

在瀏覽器打開雲(yun) 平台鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關(guan) 信息。

9.2大屏展示

用戶登錄成功之後進入大屏展示頁麵，展示企業(ye) 及各區域的能耗折標、產(chan) 值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產(chan) 值等相關(guan) 信息。

9.3首頁

首頁展示峰穀平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業(ye) 級統計數據。

9.4數據監控

對企業(ye) 各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業(ye) 用戶能夠實時的監測各個(ge) 點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，並為(wei) 企業(ye) 削峰填穀、調整負載等技改措施提供數據支撐。

• 能源實時監控：對於(yu) 水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。

• 能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、係統彈窗報警提示等；

• 配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀(yi) 表的實時參數、門禁水浸狀態及能耗數據。

• 實時統計：實時統計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

• 數據展示：通過實時曲線和曆史曲線展示不同區域、不同設備的不同的能耗參數；

• 檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關(guan) 處理操作，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、係統彈窗等報警提示；

9.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業(ye) 內(nei) 實際情況。

9.6變壓器監控

展示各電壓器的負載情況，從(cong) 而可以為(wei) 變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，從(cong) 而降低用電單耗，使電能損失降低。

9.7儀表實時監控

展示各個(ge) 水電氣儀(yi) 表的實時參數變化，以曲線圖的方式展示。

9.8能源中控

將所有有關(guan) 能源的能源參數集中在一個(ge) 看板中，能從(cong) 多個(ge) 維度對比分析，實現各個(ge) 產(chan) 業(ye) 線的對比，幫助領導掌控整個(ge) 工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

9.9用能統計

從(cong) 能源使用種類、監測區域、車間、生產(chan) 工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業(ye) 用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產(chan) 品能耗、單位產(chan) 值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從(cong) 而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

9.1分析

統計各個(ge) 監測節點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、穀電量、穀電費以及平均電量和平均電費。

9.11產品單耗統計

與(yu) 企業(ye) MES係統對接，通過產(chan) 品產(chan) 量以及係統采集的能耗數據，在產(chan) 品單耗中生成產(chan) 品單耗趨勢圖，並進行同比和環比分析。同時將產(chan) 品單耗與(yu) 行業(ye) /國家/國際指標對標，以便企業(ye) 能夠根據產(chan) 品單耗情況來調整生產(chan) 工藝，從(cong) 而降低能耗。

9.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產(chan) 線、工段、設備等進行日、周、月、年、時段績效統計按照能源計劃或定額製定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業(ye) 了解內(nei) 部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。

9.13運行監測

係統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，並支持變配電係統一次運行監視。可直接從(cong) 動態監測平麵圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關(guan) 能源用量。