1.轨道交通能效系统概述

轨道交通能效系统是一套具有安全、高效、经济及可扩展性的的变配电计算机监控管理系统，是监测、分析轨道交通系统能耗的工具。轨道交通能耗管理系统由中央级、车站级的能效系统，现场级数据采集终端以及连接两者的通信通道三部分组成，通过采集变电所/车站内的智能检测终端，实现对供电系统的电能参数测量、监测分析和评估管理等功能。轨道交通能效系统通过通信接口与车站/车辆段通信系统连接，在控制中心实现能效监测管理功能。系统集保护、控制、测量、信号采集、故障录波、谐波分析、电能质量管理、负荷控制和运行管理为一体，实现了变配电系统高、低压电气设备分散监控、集中管理功能，全面提高变配电运行现代化管理水平。

2.轨道交通能效系统结构

轨道交通能效系统是以稳定可靠的计算机网络构成的分布式数据采集监控分析管理系统。全线设置一个能效管理中心。电能质量管理中心可通过轨道交通既有综合监控系统的骨干网络从各车站、车辆段等子站中获取能源数据，以实现全线的电能质量数据集中监控和管理。图3-2是电能质量管理系统结构图。

图3-2 轨道交通电能质量系统结构图

2.1中央级系统

中央级能效系统是整个系统的核心部分，是具有最高指挥权限和综合分析能力的“大脑”。主要完成能耗数据的采集、存储、分析和发布等功能。并配备数据库服务器、前置服务器和Web服务器等。如图3-3所示。

图3-3 中央级电能质量管理系统结构

中央级能效系统将局域网上传来的各变电站的数据进行汇总分析后，对事件进行分析和判断、对电网整体能耗情况作出评估和预测、提出提高能效的措施建议等功能。向用户提供数据查询、分析等WEB服务，用户只需使用IE浏览器，以合法用户身份登陆后，便可在授权范围内查询系统的线路信息，对供电线路的能耗监控数据进行查询、分析和统计。

2.2车站级系统

车站级能效系统，是轨道交通能效系统的重要组成部分，起到连接现场采集终端和中央级能效系统的作用。如图3-4所示。

可以设置在轨道交通车站控制室，以完成车站、车辆段设备的能耗数据实时动态采集监控、趋势图形显示和故障异常报警等功能，并配备能效实时监控服务器和能效实时监控客户机。能效实时监控服务器是监控软件服务器端的运行平台，负责处理、存储、管理从现场传送来的实时数据。车站能效系统以友好直观的界面显示被监控设备和电能网络的运行状态，帮助轨道交通运营部门及时、准确了解系统的运行状态。除了能将所有实时和历史数据都要经过这里汇总后发送到控制中心，还能实现许多该层的应用程序服务。

图3-4 车站级电能质量管理系统图

2.3现场级数据采集终端

现场数据采集是整个智能楼宇试点项目建设的基础。通过在重要负荷回路及用能点安装智能量测设备，构建轨道交通智能量测通信网络，实现轨道交通用能设备信息采集、数据分析及数据共享等功能。使上级能效系统实现对整条线路各类负荷及各点的能源（包括水、电等）特别是电能的能耗情况，进行深入的能耗分析，挖掘节能潜力。系统建立起来后，既能满足节能要求，又能提高工作效率，同时还能提供管理决策的支持等。

现场数据采集终端具有综合测量和管理功能。监测终端由数据采集、数据采集处理和数据通信传输三部分构成，其性能、精度和可靠性对整个系统的运行有重要影响。

数据采集部分，包括模拟信号的预处理和采样。采用高精度传感器，对外部输入的电压和电流信号进行变换，变换后的电压电流信号，经高精度A/D转换，通过高速DSP等完成数据同步采集。

现场数据采集终端监测的交流信号主要有4种电压信号（、、、）和5种电流信号（、、、、）。将采集的数据变换格式，并计算处理各种电能量指标数据，包括频率、电压、电流、功率、功率因数、电压偏差、三相不平衡、电压波动与闪变、谐波、简谐波、短时电压变动等。

为了保证不同监测点监测数据的同步性，提高数据的横向可比性，电能质量监测终端必须增加同步采样模块来保证采样时钟的同步性。全球定位系统（GPS）技术具有时钟精度高、抗干扰能力强、可靠性高等特点，利用GPS技术实现的同步采样，其最大同步误差不超过，可以满足需求。

通信传输部分，通过其通信控制模块、现场总线，与高、低压开关柜智能仪表集中连接到网关，并通过以太网模块将信息转换到上级轨道交通能效系统。

3.轨道交通能效系统功能

轨道交通能效系统基本功能包括：系统运行实时监视、电能质量监视、高精度电能计量、电能消耗统计和分析、远程控制和操作记录、事件报警和记录、数据采集和历史数据管理、各种报表打印和电能管理等。

功能模块的划分如下所示：

一、电能质量分析

电能质量关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行。因此，必须对轨道交通电能质量进行监测分析，并采取有效措施，改善系统的电能质量。

（1）系统可以对基本电量数据和电能质量数据监测。电能质量分析可以分为稳态电能质量分析和暂态电能质量分析。稳态电能质量指标主要包括国标规定的电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三线电压不平衡度5项指标。以有效值为出发点的暂态电能质量主要技术参数有电压暂降、电压暂升、电压短时中断等。数据采集系统需要长期在线监测以上指标数据。

（2）统计分析处理功能。该功能是对监测到的数据进行系统深入的分析和处理，得出电能质量各项指标的最大值、平均值、最小值、95%概率值、越限次数等，并用报表、曲线、棒图、矢量图、饼图等多元化的方式展现给用户。

（3）记录电能质量事件。系统记录的电能质量事件分为稳态电能质量事件和暂态电能质量事件，当发现其中的一项或者多项事件发生时，记录相应事件并告警提示。另外，可以进行ITIC曲线分析。

（4）评估报表。系统对电能质量数据进行统计分析之后，生成评估报表。

二、能效综合分析与评估

能效综合分析与评估不仅实现对包括牵引供电、通风空调、电扶梯、照明、给排水以及弱电系统等领域用能的全面测量、比较、分析，同时也是一个深入各专业能源消耗性能评估及改善的过程。

研究轨道交通相关的电、水等能耗数据的统计分析，在《GB/T 2589-2008综合能耗计算通则》的指导下，将远程传输方式采集的实时能耗数据，通过工艺能耗、设备能耗、班组能耗等多种方式进行统计、分析，提供各种数据、报表及运行状态图、采集点数据分析等画面显示方式。通过数据的图形化分析，形象的展示能源需量的峰谷值情况，同时发现危险的负荷趋势或系统的剩余容量。可以将不同监测点的负荷曲线进行汇总，进而追踪每条线路所需消耗的能耗成本，最终建立多层次的数据统计分析模型和算法。

能效评估体系的建立遵循整体完备性原则、客观性原则、科学性原则、非线性原则和实用性原则：

1）以轨道交通运营统计的能耗数据为基础，保证评价体系建立的基础性和客观性。

2）以网络、线路、系统、车站等不同层次的能耗为主线，反映最主要和最全面的能耗信息。每项指标应具有独立性、可量化性和通用性。

3）充分考虑网络、线路内部设备条件与运营环境的复杂性，引入标准单元作为基准，以保证体系的公正性。

4）建立轨道交通能耗系统的数学模型，对多种相关因素、不确定因素进行分析和预测其影响度，确定各能耗指标之间的权重系数与分值，以保证体系的科学性。

5）明确轨道交通评估体系的动态性，充分考虑各线路的时间类别对能耗指标的影响，在不同时期、不同条件能够使用不同的轨道交通指标评价体系。

三、用能设备信息管理

轨道交通中存在有大量的用能设备，如牵引动力设备、空调暖通设备、电梯设备、照明设备等。对各种用能设备进行智能化管理，可以实时掌握设备运行状态信息，保养维护设备，并使系统中各个设备处于最佳的运行状态。达到安全可靠、经济节能的目的。

（1）系统采集整理各种用能设备的状态信息，为进行故障诊断及能效评估提供数据基础。

（2）状态分析及预测是用能设备管理的核心问题。通过充分利用各种监测或试验技术及长期积累的历史数据，运用成熟有效的分析方法，判断用能设备的状态，诊断用能设备存在的问题。针对故障类型，提供用能设备的维修计划。

（3）建立故障库。在数据库中储存各种故障的诊断结果和处理方法，包括设备异常或故障失效的数据信息及故障模式、故障特征和仿真的故障波形数据等。

四、能源成本与考核管理

城市轨道交通运营成本包括：运营中各项能耗产生的水电费、设备系统及基础设备的更新及维护费用，人员薪资费用、运营综合管理费用等。其中各项能耗水电费约占运营总成本的20%，主要来自车辆牵引能耗、动力照明能耗、通风空调能耗等方面，建立完善的成本与考核管理机制可以有效的降低运营成本。

系统的成本与考核管理功能可以对各项费用实行分解、分配，把费用层层分解、分配，直到最末端的成本中心（如部门、班组、人员等），根据统一领导和分级管理相结合的原则，逐步建立公司定额—部门定额—车间定额—班组定额的网络体系，建立成本核算体系，并及时记录、统计各项费用的实际发生情况。

五、节能控制策略

从控制系统角度研究，城市轨道交通网络的能耗具有可预测性、可调节性的特点，具有二次节能的潜力,在能耗节约方面存在着巨大潜力。

根据我国目前城市轨道交通领域的现状、能源利用情况及技术水平，以下几个方面将作为本项目在轨道交通节能控制策略方面发展的重点：

1）全面提升城市轨道交通电能质量参数，优化能源费用

轨道交通用电的非线性、不对称性、波动性等特殊的负荷特性，会引起电网中电能质量的下降。电压偏差、谐波以及三相不平衡性等均能增加电网线路的损耗。通过全系统电能质量监测和分析，全面提升电能质量参数，从而提高系统可靠性，保证设备运行稳定，同时达到节省电能、优化能源费用的目的。

2）加强城市轨道交通运营节能诊断管理

加强城市轨道交通运营节能诊断管理，必须做到充分了解设备系统的节能设计思想，按照设计模式进行系统控制，并根据实际情况进行优化。在能效综合分析与评估的支持下，通过实际运营数据的统计分析，利用误差反向传播网络（Back propagation network）模型，建立关于时间序列的高度非线性能耗网络模型，诊断能耗超标或可以改善的环节，对轨道交通中各个环节如通风、照明等子专业结合整个轨道交通系统，给出合理的节能策略，最终实现能源的科学使用。

3）鼓励城市轨道交通引入新型能源

随着科学技术的发展，新型能源已经应用于多个行业。对于轨道交通行业来讲，能耗量巨大，若能合理使用新能源，会产生很好的经济和社会效益。应紧密跟踪新型能源的发展状态，适时在城市轨道交通行业引入新型能源，如合理采用光伏、风力发电等。

4.结束语

本文以宁波市轨道交通建设为背景，介绍了轨道交通能效系统服务框架，并分析了系统的结构组成与功能模块，并分功能模块阐述了功能实现的策略，给出了适合宁波市轨道交通现状的能效管理系统搭建的建议 ，对后续的轨道交通能效系统的建设具有一定的参考价值。

参 考 文 献

[1] 北京城建设计研究总院.GB50157-2003.轨道交通设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.
[2] 魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].北京：电子工业出版社，2004：48-73.
[3] 孙有望，李云清. 城市轨道交通概论[M]. 北京：中国铁道出版社，2003：93-109.
[4] 铁道第二勘察设计院.轨道交通工程设计指南[M].北京：中国铁道出版社，2004：52-81.
[5] 吴明先.高速公路隧道集成化智能化监控技术与系统开发研究[D]. 西安：长安大学，2004.
[6] 王开满，王军，张慎明.城市轨道交通自动化综合监控系统的集成模式[J] .城市轨道交通研究，2007，10（3）：57-62.
WANG Kai-man,WANG Jun,ZHANG Shen-ming. Integration mode of UMT antomation superrision antaral system[J]. Urban Muss Transit, 2007，10（3）：57-62.
[7] 魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M] .北京：电子工业出版社，2004：134-167.
[8] 中华人民共和国机械工业部.GB50052-95.供配电系统设计规范[S] .北京：中国计划出版社，1998：56-70.
[9] 叶宏，2012城市轨道交通综合监控系统学术研讨会论文集，收录论文:基于IP的KVM技术在轨道交通线网指挥平台构建中的应用，机械工业出版社，2012：ISBN978-7-111-39939-1

[10] 宁波轨道交通1号线一期工程综合监控系统采购项目招标书.