任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

在如今，以互聯網、云計算、大數據、人工智能等為代表的新一輪科技革命和產業變革發展迅速，數字經濟發展呈現蓬勃的勢頭。為實現對城市軌道交通用能設備進行數字賦能，有效控制城市軌道交通運營生產成本，需對供電系統、供水系統、通風空調系統、照明系統等設備的能耗進行數據采集、監測、分析，并實時掌控現場設備的能耗數據，通過相關監控平臺進行動態分析，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、生活用水及空調制冷用水累計量等。軌道交通作為能源消耗的大戶，節約使用能源，降低基本耗損，意味著降低生產經營成本。為此，為實現科學、有序地用能，在城市軌道交通采用能耗管理系統，該系統是集遠程抄表系統和監測管理系統為一體，來實現對城市軌道交通的供電系統、供水系統、通風空調系統、照明系統等能耗設備實時數據采集監控。通過采集各被監測點的歷史能耗數據，為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，并為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，能耗管理系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、找出漏洞為主要方向，對能耗數據進行設計、公示、發布，并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，然后進行能耗計量和采集。

2）建立科學的且適合于建筑物的數學分析模型，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于動力設備、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，并依此進行同比環比分析，找出不合理用能部門。

2、設計原則

能耗監管平臺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綜合管理的系統平臺，其設計遵循下列原則：

1）城市軌道交通綜合監控系統的能耗管理功能，需考慮與既有能耗管理系統互聯互通，實現全線統一的能源管理，并能夠對本車站的能耗進行分類、分項、分戶計量，并向綜合監控系統上傳各類能耗數據。

2）能耗管理系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制功能。

3）能耗管理系統可作為本車站管理層的分析、決策使用的工具，也能作為各用電、用水單位的考核工具。

4）電力監控系統的各類電力儀表信息納入能耗管理系統，能耗管理系統集成于綜合監控系統，由綜合監控系統實現車站級界面顯示。

5）以地鐵車站為計量單位，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、系統網絡架構組成

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

線路級系統設置于各線路的控制系統內，綜合監控系統實現監控，是整個能耗管理平臺進行數據交換的重要節點，能提供能耗管理系統實時運行界面和歷史數據查詢服務。主要硬件設備有服務器、工作站、存儲設備以及通信網絡設備等，用于現場能耗數據的處理、存儲以及通信。

車站級系統主要設置于各車站、車輛段基地的變電所內及環控電控室內，該系統集成在綜合監控系統中，對現場環控系統的通風空調系統及水系統進行聯動節能監視，并采集供電系統、動力照明系統、環控系統等用能數據，經綜合監控系統提供的傳輸通道，上傳至綜合監控系統服務器，實現對本站車站級監視功能，并在綜合監控界面進行可視化展示，主要硬件由能耗管理系統工作站、綜合監控通信服務器、交換機、打印機等設備組成。

現場級系統設置于能源管理設備房內，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、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綜合監控系統串口服務器實現雙向通信。

4、系統軟件架構組成及功能

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

圖1能耗管理系統架構

數據采集層

采集層主要是應用各類傳感器（溫濕度、二氧化碳等傳感器）、智能儀表（水表、電表等）、節能終端等設備進行對能耗數據的自動采集，對于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，包括車站內乘客流量信息等。通過接口手動錄入的數據，包括站廳站臺內面積、列車營運時間、能源單價等。

數據存儲層

數據存儲層主要是基于數據挖掘技術，采集的數據存儲至實時數據庫，實時數據庫根據預先建立的環控系統、照明系統、動力照明系統能效評估模型，供能耗管理系統進行數據分析評估，并對主要耗能設備（如；通風空調系統）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，為運營單位優化提供建議和依據。

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、系統配置、計量儀表管理等各種基礎服務，能提供設置多級限值超限告警，并可按預設策略進行控制，為軟件系統各業務模塊提供基礎支撐。

應用層

該層主要包含實時監測系統、能耗統計分析系統、能耗公示系統以及移動端能耗管理系統，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數據（客流人次、運營公里數、建筑面積、空調通風面積等）建立線路能效評估指標體系，可通過Web實時查看樹狀結構的指標體系，并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告警實時預警，為節能審計管理人員提供有關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，輔助管理人員制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，并基于地理導航圖，逐級展示地鐵全線、車站/區間/車輛段、建筑樓層（如站廳層、站臺層）、設備系統（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策。同時，該層可以以工作站電腦、手機、平板、大屏為載體顯示終端，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，配置相應功能界面。

圖2能耗管理系統軟件組成及功能

5、系統接口與應用

城市軌道交通綜合監控能耗管理系統與供電專業、動照專業、給排水專業等系統，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，并根據能耗管理系統收集的能耗信息，進行能耗數據整理與分析。

與供電系統接口應用

與電能質量管理系統的接口應用

綜合監控能耗管理系統與供電系統的電能質量管理系統的接口，其接口位置位于車站/變電所控制室供電系統電能質量管理系統主機通信接口處，接口類型為光纖以太網，如圖3所示。通過電能質量檢測系統交換機接入到綜合監控系統通信服務器中，讀取開關柜內能耗信息，其中智能電力儀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

與動照系統接口

綜合監控能耗管理系統與動照系統的接口，其接口位置位于每端通風空調電控柜能耗子系統主機通信接口處，接口類型為RS485或以太網，如圖4所示。通過車站兩端通風空調電控柜內交換機，讀取車站通風空調電控柜的能耗信息，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，并在人機界面上進行存儲及顯示，詳細用途及功能如表2所示。

圖3綜合監控系統與電能質量管理系統的接口

圖4綜合監控系統與動照系統的接口

圖5綜合監控系統與給排水系統接口

表2動照系統用途功能

與給排水系統接口

能耗管理系統具備給排水系統監控及節能運行的功能，接口類型為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能耗設備，包括但不限于：制冷機組、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給排水系統用途功能

6、安科瑞企業能源管控系統概述

安科瑞企業能源管控系統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、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，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、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，為企業加強能源管理，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、木材、工業園區、醫院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業。

8、系統結構

現場通過廠區局域網和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網聯通的地方，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。

系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關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、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

平臺管理層：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。

平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

9、系統功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、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，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

9.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、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信息。

9.2大屏展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。

9.3首頁

首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業級統計數據。

9.4數據監控

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

• 能源實時監控：對于水、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、系統彈窗報警提示等；

• 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：通過實時曲線和歷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、系統彈窗等報警提示；

9.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

9.6變壓器監控

展示各電壓器的負載情況，從而可以為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

展示各個水電氣儀表的實時參數變化，以曲線圖的方式展示。

9.8能源中控

將所有有關能源的能源參數集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

9.9用能統計

從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、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用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

9.10消費分析

統計各個監測節點（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、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。

9.11產品單耗統計

與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

9.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、某一時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內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

系統對區域、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，并支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監測平面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能源用量。

9.14自定義能耗報表

用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產各種報表，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。

9.15同比、環比

提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環比

9.16分析報告

以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

9.17能耗設備用能

監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

9.18線損分析

根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。

9.19碳排放管理

按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。對單位產值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現超標預警，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。

9.20電能質量監測

實時監測諧波含量、三相不平衡度、功率因數等，確保功率因數不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現故障。

9.21運維管理

系統支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。

9.22報警管理

針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業提前預警，避免發生火災事故和被罰款導致用能成本過高。支持分級分類報警，可對報警進行派發與閉環處理。

9.23能耗抄表

可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。

9.24能耗分析自定義時間抄表

可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

9.25容需量報表

提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業實現容改需，降低基本電費。

9.26復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。

9.27文檔管理

對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統管理，支持文件的上傳和下載。

9.28 3D可視化大屏

對場景進行虛擬仿真，展示各區域運行及能源消耗情況，可實現分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監測點位的自定義綁定。

9.29 3D子系統

對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。

9.30工業組態

可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。

9.31自定義駕駛艙

可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

9.32基礎數據管理

對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、能源、公示、及相關參數進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。

9.33手機APP

APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

9.34知識產權證書

10、系統硬件配置

11、結束

城市軌道交通能耗管理系統的應用，實現了軌道交通各系統之間的信息互聯與資源共享。通過實時的跟蹤、監控節能措施的實施效果，以數據說話。通過各類用電分析和節能效果評估報表客觀、準確了解情況，及時發現可能出現的新問題并找到合理的解決措施，不斷完善解決方案或提出新的解決方案，以提升城市軌道交通運營單位的節能管理水平，實現運營單位節能管理工作的持續改進并達到規劃的節能效果。

參考文獻

[1]一種城市軌道交通的能耗管理系統設計.龐家治.

[2]安科瑞企業微電網設計與選型手冊.2022.05版.

[3]安科瑞企業能源管控平臺.2020.08版.

作者簡介:任運業，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為工業能源管理系統。