（CS46 珠海派诺科技股份有限公司）

1.概述

随着我国经济的快速发展，而其中的交通能耗是三大能源消耗大户之一，目前国内超过60座大中型城市规划建设城市轨道交通，已有超过10座城市投入了运营。依据现有发展规划，在未来30年内我国将投入运营线路超过500条。相比传统城市公共交通工具，轨道交通运输单位人员的能源消耗是传统公共交通的1/9，但是城市轨道交通的运营总用能非常惊人。据现有调查数据，广州地铁2009年的全年用电运营总量为3亿多千瓦时（三条线），成都地铁2011年的全年用电运营总量为8000万kW·h（一条线），若采用实用有效的技术方法，都可以取得较大的节能效果。

现有城市轨道交通自动系统主要包括：行车调度系统、供电调度系统和环控调度系统。分别对行车安全、供电安全和机电设备运行进行管理，并没有专门对能源数据进行管理、分析和挖掘的自动化软件系统，因此地铁运营方主要依赖于经验和人工去对庞大的能源数据进行粗放型管理。根据我公司调查，几乎所有地铁运营方都无法准确提供任何一条运营线路的细化能源数据，对能源数据的管理只能到每月的宏观值，对于能源消耗与机电设备特性、人流密度、环境参数等信息更是无法进行挖掘，所以运营过程中的大量浪费、低效用能非常普遍，对于能源管理缺乏精确化、科学的量化考核工具。

现在部分地铁运营公司、设计院和建设方也都认识到专用的城市轨道交通能源管理系统对于地铁能源管理的重要性，已经开展相关的试点工作。

2.轨道交通能源管理系统的组成及功能

1）整体架构

能源管理系统网络结构采用分布式网络结构，由中心端（即能源管理中心）计算机网络、主干通信传输网、车站管理级计算机网络、现场控制级网络组成。

中心端管理级计算机网络采用千兆以太网，可连接轨道交通主干通信传输网或通过防火墙连接公众通信网络。中心端管理级提供数据上传到更高一级管理部门的网络接口。

中心端管理级与车站管理级网络之间采用TCP/IP协议的主干通信传输网构建传输通道。

现场控制级网络由通信管理机与采集仪表等产品之间以分布式结构构建，采用RS485网络的总线网络，通信管理机提供的专用数据上传IP网络接口。

中心端管理级允许通过公众通信网络构建的传输通道进行外部网络访问，能源管理系统平台服务器提供WebService服务。

系统整体网络拓扑图如图1所示。

通过项目实施，系统最终将为轨道交通运营中心提供一个整体的能效管理方案，主要内容如下：

① 中心端管理级长期保存能效数据，中心端管理级服务器配置双机冗余热备，配置两台工控机作为操作或监视或维护的工作站，配置一台防火墙、路由器、打印机、在线式后备时间不小于1h的UPS、磁盘阵列。磁盘阵列采用异备份存储方式，可以保证数据存储的安全性和长久性。

② 车站管理级数据能够通过主干通信传输网上传和导入导出。

③ 提供数据WEB发布，用户无需安装任何客户端就可以浏览相关数据。

④ 中心端管理通过Web地图对线路各个子站进行监控和管理。

⑤ 提供统一轨道交通分布式报表，可为轨道交通运营中心提供整条线路报表、单车站报表、车辆基地段能耗报表等报表功能。

⑥ 提供安全保证机制，数据和管理功能能够按用户级别进行分类显示。

⑦ 提供数据验证机制，通过身份验证机制和加密传输机制保证数据在传输过程中的安全和正确。

⑧ 远程数据终端能够实时保存本地数据一个月，并能依据传输策略实时传输数据到中心端管理级，传输间隔严格按照国家、行业、地方相关设计标准和规范的要求。

中心端管理级网络拓扑图如图2所示。

图1 系统整体网络拓扑图

① 中心端管理级服务器配置双机冗余热备，配置两台工控机作为操作或监视或维护的工作站，配置一台防火墙、路由器、打印机、在线式后备时间不小于1h的UPS、磁盘阵列，磁盘阵列采用异备份和存储方式，配置大屏幕或大屏幕投影系统。

② 中心端管理级负责监管能源管理系统设备以及能耗数据的汇总、处理、统计、分析等信息化管理，设置在运营控制中心（OCC）。

车站级管理网络拓扑图如图3所示。

① 车站管理级服务器配置双机冗余热备，配置一台工控机作为操作或监视或维护的工作站，一台打印机、一个车站以太网交换机（带路由功能）。

② 车站管理级的底层计量仪表采集装置，可接入智能电表、智能水表，智能燃气表、智能燃油表、智能冷（热）量表等采集设备，采集设备经过通讯管理机上传到车站级数据库服务器，系统采用双通讯管理机热备份机制，保证数据采集的稳定可靠性。

③ 中心端管理级负责监管能源管理系统设备以及能耗数据的汇总、处理、统计、分析等信息化管理，设置在运营控制中心（OCC）。

④ 网络控制器配置，根据系统现场控制网络节点与接入设备数量及其可接入设备最大容量的85％～90％计算其配置数量，每个网络控制器接入预留不低于10％，易于扩展。

图2 中心端管理级网络拓扑图

图3 车站级管理网络拓扑图(www.daowen.com)

2）系统原理

轨道交通能源管理系统主要分子站级和中心端，子站级是指单个车站的能源管理系统；中心端是指所有车站的能源数据管理中心。子站级和中心端能源管理系统均采用B/S模式，自适应浏览器浏览，底层数据库采用Microsoft SQL Standard Server 2008关系型数据库，WebServer采用微软IIS平台，开发语言.Net主要开发工具为Microsoft Visual Studio 2010版本。

图4是整个系统的软件架构图，从图中可以看到子站级和中心端的整体软件结构关系，依照数据流向，系统分为采集层、传输层、主控层和应用层四个主要部分，其中主控层是对轨道交通中所有子站进行统一的数据管理，通过子站数据的主动上传，中心端下对所有数据进行合理整理，包括各个子站的电、水、气、暖、可再生等各种能源，并对子站的能耗进行分项、分类、分户统计，最后通过各种数学模型算法对能耗数据进行分析、评估，从整体分析轨道交通能耗，长期跟踪分析每个子站的整体用能状况，诊断并考核每个子站的能耗指标，为整体的节能方案提供可靠的数据支持。严格按照国家、行业、地方相关设计标准和规范的要求来制定轨道交通能耗指标体系，采用符合国家标准的通信协议如：DL/T645—1997、CJ/T188—2004、GB/T19582—2008等协议。通过设备计算、子站计算、中心端计算三种方式对轨道交通各个子站的能耗进行合理划分和集中计算，确定整体使用效率。

图4 系统软件架构图

采集层主要是对能耗数据的采集和存储，是由前端采集程序和前置通信管理机按设定的采集周期，实时在线采集、存储能耗计量器具和各类智能终端的数据与信息。采集层的数据是存储在子站级的数据库服务器，并通过传输层将能源数据远程主动上传数据到中心端。

3）数据分级管理

轨道交通能源管理基本思路是车站管理级和中心端管理级的分级管理方式，在车站管理级监视一个或若干个车站能耗源管理系统设备以及相应车站能耗数据收集、处理、统计、分析等信息化处管理；在中心端管理级对各个车站的能源数据进行汇总分析，通过数学分析模型建立标准车标准站，作为评估各个车站的能耗水平的标准，通过标准制定节能方案，并下达到各个车站进行实际实施，从而降低整个轨道交通的整体能耗，从根本上达到节能的目标（见表1）。

表1 具体操作

4）数据分项管理

根据以往轨道交通能耗现在有数据的分析，车站级的牵引动车的能耗占车站总能耗的40％～50％；环控通风系统的能耗占车站总能耗的25％～35％；照明系统的能耗为车站总能耗的8％～12％；给排水等其他系统的能耗约占总能耗的3％～17％。因此，轨道交通能耗主要是以牵引动力和环控通风系统两部分为主。由于牵引动力是列车运行的主要保证，不能降低能耗，所以轨道交通的节能主要是从环控通风系统和其他系统入手。

图5是轨道交通分项能耗和电分项能耗图。

5）中心端软件能效系统功能

① 软件系统与硬件系统配置相适应。

② 面向能源管理中心管理层与能源信息化管理的软件系统结构采用B/S结构。

③ 子站数据向中心端传输采用轮询和主动上传的方式，数据自动存储中心端工作站数据库服务器，数据传输基于TCP/IP、HTTP协议的SOAP及Lontalk等通信协议或规约将数据上传至中心端能源管理数据中心。

④ 提供数据曲线功能，可对具体车站、线路的能耗的用电量、冷量、水量、气量等数据进行曲线描绘，预测趋势。

⑤ 可以对具体车站、线路进行总加计算，比率计算，能效计算，最大、最小、平均值计算，负载的最小、最小变化量计算；还可自定义计算：自定义计算公式包括逻辑和条件、计算对象、周期、触发条件等计算。

⑥ 可以对具体车站、线路进行按小时、日、月、季、年能耗的分类、分项、分户统计，工作时间和非工作时间能耗统计等。

图5 分项能耗和电分项能耗图

a）轨道交通分项能耗 b）电分项能耗

⑦ 可以对具体车站、线路进行能源的质量分析、异常分析、平衡分析、节能潜力分析、排名分析等。

⑧ 建立能源三级能源指标体系：车、站动力照明运营能耗指标、线路运营能耗指标、网络运营能耗指标；将指标细化可以分为，客流量（千瓦时/人次），车辆周转量（千瓦时/车·千米）、客运周转量（千瓦时/人·千米）、动力照明（千瓦时/站）、票务总收入指标（千瓦时/元）、牵引系统单位能耗（千瓦时/千车·千米）、车站动力照明系统单位能耗（千瓦时/站·天），综合性单位能耗（千瓦时/千车·千米）。

⑨ 提供轨道交通各种定制能耗报表，并提供报表自定义功能，提供线路的日、月、年报表，报表数据包含基本能耗指标和绿色能耗指标；提供轨道交通线路中主要用电系统的日报表、月报表、年报表、并对空调通风系统、隧道通风系统、电梯扶梯系统等项目进行划分；提供报表打印导出功能。

（10）提供报警功能，对系统工作状态、能耗异常状态、网络通信状况、测量参数越限提供动态监测，对于报警事件弹出告警配合声光，并且保存进入数据库。

（11）提供历史数据查询，完整记录中心端下所有车站内能耗节点测量信息，保存时间不少于三年，为数学模型建立提供基础数据。

（11）提供线路及站点各种分析对象和能耗指标的能源分析工具。

（12）提供日、月、年评估报告，并支持打印导出的功能。

（13）系统采用各种图表动画技术，具有良好的用户体验。

3.结束语

通过轨道交通能源管理系统，将原来分散的车站级的能效数据集中管理，加强轨道交通各种能耗类型数据的集中性，使能耗数据透明化、公开化，使节能目标可控化、可行化。通过集中化的管理，使节能效果的最大化，是轨道交通能效管理平台的主要研究原则。

（作者：珠海派诺科技股份有限公司深圳技术中心 马学鹏）