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轨道交通能效管理系统的研究与相关问题分析

发布于：2015-09-15 13:57:15 来自：道路桥梁/轨道交通 [复制转发]

引言
城市轨道交通是国家重要的基础设施，是现代化城市的重要标志之一，其发展得到了中央和地方各级政府的高度重视。与其它交通方式相比，轨道交通具有准时、高效、客运量大、排污量少、能耗低的优势，但其消耗能源的总量很大。再加上各轨道交通运营单位普遍存在对详细能耗情况不明确、能源使用率低下的问题。因此，现有的轨道交通在提高能源使用率、节能减排方面存在着巨大的潜力。研究轨道交通能效管理系统可以实现节能减排、降低运营成本、促进轨道交通可持续发展。

1 轨道交通能耗问题
城市轨道交通的能源消耗种类较少，包括电能和水能，其中电能占绝大部分。因此，一般来说，轨道交通系统的能耗就指电能消耗。轨道交通能耗可以分为牵引用电、照明动力用电两项，照明动力用电又包括空调通风用电、照明插座用电、动力用电、特殊用电和商业用地。统计显示，牵引供电和通风空调，分别占总能耗的 50%和 30%。因此，应对主要用电设备加强监管及能耗对比分析工作 [1]。
轨道交通在运行过程中，大量的非线性负荷和冲击性负荷还会引起电网中电能质量问题，如谐波、电压波动等，导致功率因数降低，增加附加损耗，浪费能源，致使供用电设备安全性降低，严重时甚至导致继电保护装置误动等，极大地威胁到电力系统及轨道交通系统的安全稳定运行。

2 系统架构设计

2.1 系统整体架构
轨道交通能效管理系统的整体架构如图 1 所示，轨道交通能效管理系统采用了分层控制的体系结构，分为中央级能效管理系统和车站级能效管理系统。每条轨道交通线路装配了 1 个中央级能效管理系统，其通过现有通信骨干网络与各车站级能效管理系统进行通信，以实现两者间的数据同步。车站级能效管理系统利用现场总线的方式，获取并储存现场设备采集实时的能耗数据。在进行控制时，两级能效管理系统采用控制权互斥机制，保证控制命令的可靠执行。

2.2 系统服务架构
轨道交通能效管理系统为了能够高效地处理大量能耗数据，以及保证系统良好的扩展性，采用了多层次分布式处理架构。应用软件按功能分配到网络上的服务器和工作站上，以保证系统的负荷均衡和网络负荷最小，具有高度灵活性和可靠性。整个系统总体上分为 4 个层次（见图 2）。

a）展示层：负责把数据和应用业务逻辑处理的结果以表格、图表、曲线、棒图、矢量图等多元化的方式展现给用户。提供客户端对数据的查询和打印等功能；b）应用层：由多个处理具体应用业务逻辑的功能模块组成，不同的功能模块相对比较独立。该层接受展示层的请求，并根据请求执行应用功能，并且依据情况访问系统资源。应用层是实际处理功能逻辑的层次，各应用功能模块负责完成对相关数据的计算、分析、评估等处理；c）采集接口层。采集接口层主要完成数据采集和存取功能，在应用层和资源层起了 1 个桥梁的作用，分离了两者数据之间的耦合，它封装了对资源层的访问接口，使得系统不会依赖于具体的数据源；d）资源层。系统内部产生的数据或者从外部系统整合到本系统的数据，最终都存储在本地数据库中。

3 系统功能设计

轨道交通能效管理系统可以分为以下 4 个应用功能模块：电能质量管理、用能设备信息管理、能效综合分析与评估和节能控制策略。

3.1 电能质量管理
轨道交通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。
a）系统可以对基本电量数据和电能质量数据监测。基本电量数据如电压、电流、功率等。电能质量指标主要包括电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三线电压不平衡度，以及电压短时中断等； b）统计分析处理功能。对监测到的数据进行系统、深入的分析和处理，统计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；c）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，记录相应事件的时间、地点、事件内容等详细描述并告警提示；d）评估报表。系统对电能质量数据进行统计分析及评估之后，生成统计报表和评估报表。轨道交通电能质量评估是通过量测的电能质量数据，对电能质量指标进行分析评价，并对其是否满足标准要求进行考核的过程[2]。

3.2 用能设备信息管理
轨道交通系统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。
a）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；b）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；c）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。

3.3 能效综合分析与评估
能效综合分析与评估不仅实现对轨道交通各专业用能的全面测量、比较、分析，同时也是 1 个深入各专业能源消耗性能评估及改善的过程。
在 GB/T 2589- 2008 综合能耗计算通则的指导下，将远程终端采集并传送上来的实时能耗数据，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、报表及运行状态图等显示方式，形象地展示能源需量的峰谷值情况。同时，可以将不同监测点的负荷曲线进行汇总，进而追踪轨道交通线路所需能源的能耗成本，最终建立多层次的数据统计分析模型和算法[3]。

3.4 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。
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（Backpropagation 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，对轨道交通中各个专业给出合理的节能策略，最终实现能源的科学使用[4]。

4 结语
通过国内外的研究来看，轨道交通能效管理系统处于研究应用起步阶段。尤其是国内，近几年轨道交通运营公司才将注意力关注到能效方面，但随着智能电网和轨道交通的建设，能效管理工作必然会逐步开展。轨道交通高效用能直接关系到国民经济的总体效益，这不仅是电力部门和轨道交通运营公司的责任，同时也是全社会共同追求的目标。