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能源管理系统在城市轨道交通中的应用 安科瑞鲍静君
1 地铁能耗分析
地铁是大运量的城市轨道交通运输系统，也是耗电量的大户。地铁运营过程中消耗能源的主要形式是电能。根据对地铁用电负荷的统计分析，能耗主要分布在列车牵引用电和各种动力照明设备用电，如通风空调、自动扶梯、照明、弱电设备等方面。图1是地铁各系统耗能分布图。
图1 地铁各系统耗能分布图
从图1中可见，地铁列车牵引用电和各种动力照明用电量比例约各占50%。牵引供电、通风空调、电扶梯、照明等能耗占地铁总能耗的90%左右，是节能工作的。因此，应对地铁中主要用电设备以及持续性运转的大负荷容量设备加强能源管理和监控，并对采用变频等节能技术措施的设备做好经济技术考核和对比分析工作。
2 地铁能源管理系统的可行性分析
目前，综合监控系统已在全世界范围内的城市轨道交通工程中成功应用，并且带来了良好的经济效益和社会效益。综合监控系统是一个大型的综合自动化系统，它采用通用的软件平台、一致的硬件架构、统一的人机界面，通过对相关系统的集成和互联，建立了一个高度共享的信息平台，实现地铁各系统间的信息互通与资源共享，从而提高了日常管理与调度工作的效率和地铁运营的整体服务水平。
另外，新建地铁的低压配电柜和环控电控柜已采用智能开关柜设计方案。低压配电柜、环控电控柜内智能网络的构成是柜内智能仪表通过冗余的现场总线，同时通过智能通信管理器将数据信息上传至综合监控系统。采用这种方式不仅能确保采集的设备电能数据能够及时发送到监控系统，而且可靠性高、系统构成简单、经济，便于集中管理。
地铁综合监控系统的工业以太网络等硬件和底层现场总线等基础构架，为能源管理系统的实施创造了非常有利的条件。在此基础上，采用可靠的能源管理软件、硬件，完全可以建立一套完整的、具有水平的地铁能源管理系统。
3 地铁能源管理系统在轨道交通11号线安亭站地块的应用
3.1 项目概述
安亭站位于上海嘉定区安亭镇曹安公路墨玉路，为上海轨道交通11号线的高架岛式车站，于2010年3月29日启用。上海安科瑞电气股份有限公司于2011年8月承接轨道交通11号线能源管理系统的设计及施工。实现了对配电室内的高压，低压进线、电容补偿、联络、出线回路进行远程监控。Acrel-5000型能源管理系统预留了扩展接口，可方便进行扩展。
整个系统采用网络分布式结构，监控主机位于监控中心值班室（位于中心变配电室内）内，系统采用开放的通讯协议，通过RS-485现场总线与高低压配电系统等相连，实现数据通讯功能。
3.2 组网结构
该系统主要采用分层分布式计算机网络结构，如图2所示共分为三层：站控管理层、网络通讯层和现场设备层。
图2 组网结构图
现场设备层主要是连接于网络中用于电参量采集测量的各类型的仪表和保护装置等，也是构建该配电系统必要的基本组成元素。该项目中包括M5系列综保、ACR系列网络仪表及WHD系列温湿度控制器，共实现对407个现场设备进行监测和管理。
网络通讯层是由通讯服务器、接口转换器及总线网络等组成。该层是数据信息交换的桥梁。
站控管理层是针对配电网络的管理人员，该层直接面向用户。该层也是系统的较上层部分，主要由能源管理系统软件和必要的硬件设备如计算机、打印机、UPS等组成。
3.3 设备参数列表
3.4 系统设计参数
3.5 系统功能及软件界面
3.5.1 分类、分项能耗数据统计
系统具备历史数据、报警信息等的存储功能，存储历史数据保存时间大于三年。系统同时具备将分类、分项能耗数据按“需要发送至上级数据中心的能源数据”的要求发送至上级数据中心的功能。界面如图3。
3.5.2 能耗数据的实时监测
系统具备良好的开放性，可对用户需求进行功能扩展，在基本分析功能的基础上为用户定制个性化报表和分析模板；系统具有报警管理功能，负责报警及事件的传送、报警确认及报警记录功能以便告知用户或供用户查询；系统具备权限管理、系统日志及系统参数设置等功能。界面如图4。
3.5.3 用能情况的同、环比分析
对各分类、分项能耗（标准煤量或千瓦时）和单位面积能耗（标准煤量或千瓦时）进行按月、年同比或环比分析。可预置、显示、查询和打印常用建筑能耗统计报表。界面如图5。
3.5.4 建筑能耗数据分析
系统对分类、分项能耗数据进行采集汇总后，可生成各种数据图表、饼图、柱状图等，实时反映和对比各项采集数据和统计数据的数值、趋势和分布情况。系统可按总能耗和单位面积能耗进行逐日、逐月、逐年汇总，并以坐标曲线等各形式显示、查询和打印。界面如图6。
3.5.5 远程网络访问功能
系统以Web发布后可进行远程网络访问。基于.Net平台，使用、JQuery技术开发，可通过Internet访问，具有跨平台的特性，用户可通过各种移动终端（笔记本、平板电脑、手机等）访问。界面如图7。
图7 远程网络访问功能
4 结语
“只有可被测量的才是可被管理的。”地铁能源管理系统的总目标是建立一个全线性或者整个城市轨道交通网络的能源管理系统，构建一个覆盖列车牵引用电、各车站动力照明设备用电，以及车辆段电能、燃气、自来水等能源介质的自动监控系统。地铁在满足公共交通功能需求的同时，应按照合理用能的原则，推进节能技术的应用，加强节能管理和能耗控制，以提高能源利用效率，降低运营成本。
参考文献
[1]GB50157—2003 地铁设计规范[S].
[2]JGJ16—2008 民用建筑电气设计规范[S].
[3]上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版
某机场航站楼的智能供配电设计 安科瑞鲍静君
1 工程现状及配电站布局
该机场由当地220kV变电站供电，共有三路独立35kV电源，引入机场的1#、2#总降压站，降压成10kV后，分配给机场内各个配电站。机场航站楼的登机长廊长1370m，候机大厅及登机长廊每层建筑面积**过5万m2。为了使供电电源深入负荷中心，减少电能损耗，提高供电质量，节约投资费用，经综合考虑，配电站采取如下布局：在候机大厅地下机房层内设置两个独立的配电站，主要供电给全部候机大厅的用电负荷；在登机长廊底层共设5个配电站，给登机长廊及候机大厅的连接廊提供电源。
航站楼内7个配电站的负荷、容量见表1。航站楼内用电计算负荷总计约34679kVA，其中有功计算容量为26703kVA。从表1可知，七个配电站共用变压器18台，其中2500kVA的6台，2000kVA的8台，1600kVA的4台。
航站楼各变配电站负荷容量表 表1
配电站中，每两台变压器的380V/220V低压侧均设置手动/自动母联开关。当其中一台变压器故障后，另一台变压器将会在启动强风冷却后，长期承担变压器额定容量的133%负荷，以减少由于变压器故障而带来的停电事故。
2 变配电系统设计
航站楼每个配电站均由机场总降压站中引出的两路独立的10kV电源供电，两路电源平时同时供电，故障时互为备用。供电系统10kV高压侧采用单母线分段，中间设手动/自动母联开关。当两路供电电源中有一路故障时，另一路将供站内所有配电变压器负荷，10kV侧备用率为**。七个配电站的系统接线原则上是一样的，不同点仅为变压器的数量、容量及出线回路。候机大厅内的两个配电站中每个站设置四台变压器，容量相同，平时各由一路10kV电源给两个变压器供电，当其中一路10kV电源故障后，另一路10kV电源承担全部四台变压器容量负荷。10kV配电系统图如图1。
2.1 10kV配电柜
10kV配电柜采用可抽出式、全封闭型、中置滑架式结构，柜体具有可靠的防止无操作的“五防”装置，10kV断路器采用真空式。
进线柜安装安科瑞公司的微机线路保护装置，采用过电流速断保护；变压器出线柜安装安科瑞公司的微机变压器保护装置，采用过电流及速断保护、接地保护、变压器非电量保护（高温告警、**温跳闸保护）等；电压互感器柜安装安科瑞公司的微机PT监测装置，实时监测PT电压，并对PT进行过电压、欠电压等保护；电机出线柜安装安科瑞公司的微机电动机保护装置，采用过电流及速断保护、接地保护、负序电流保护等。
图1 航站楼变电站典型高压配电系统图
10kV配电柜上配置的二次设备清单见表2。
2.2 变压器
各配电站中采用的10/0.4kV变压器均为三相环氧树脂浇注干式变压器，容量为1600-2500kVA。变压器带有内置式辐流风机，保证启动风冷后变压器容量增大50%。风机由温控箱自动控制，变压器低压绕组内埋有热敏电阻。温度大于110℃就自动启动风机，降到90℃时自动关闭。变压器出线柜上配有微机厂用变保护装置，当**过155℃时发出声光警报，当**高温时，启动断路器跳闸。
2.3 低压配电系统及配电柜
七个配电站均设置在地下层级底层。各低压配电柜全部采用全金属铠装抽出式开关柜、柜体设计和结构符合和标准，柜内受点主开关及母联开关采用空气断路器，出线开关以塑壳断路器为主。
航站楼各配电站内的380V低压配电系统如图2设计，10kV/0.4kV变压器降压后进入低压进线柜，再经无功补偿柜，柜内装设安科瑞公司的ARC-12/J的无功补偿控制器，其是带微处理器的自动功率因数调节器，电容器为干式。各低压出线柜上均装设ACR系列网络电力仪表，可对低压线路进行三相电压、电流、有功功率及电度测量。
低压配电柜上各电气设备的选型参考表3。
图2 航站楼380V低压配电系统图
0.4kV低压配电柜电气设备清单 表3
3 航站楼智能配电监控系统与能耗分析数据管理系统
3.1 航站楼智能配电监控系统
本航站楼采用安科瑞公司的Acrel-2000智能配电监控系统，楼内所有配电站（10/0.4kV）、UPS装置及应急柴油发电机组等设备均被归纳于智能配电监控系统中。整个监测系统由三个部分组成：现场设备及数据采集模块、系统监测站和电力监测管理中心，是一个分布式的综合电力监测系统。
现场设备及数据采集器主要是：智能化开关、各出线柜上配备的ACR220EL网络电力仪表、UPS、自备发电机组监控器上的数据通信接口。现场断路器通过数据采集模块与系统连接。这些监控器或模块就地装置，独立完成其保护和测量功能而不依赖通信网，主要负责现场参数测量、数据采集、处理及作为智能化开关设备与*监控系统接口、将数据通讯上报纸系统。
系统监测站主要负责对数据采集模块通过通讯网络传来的数据进行实时计算处理、保存、显示和生成报表。每个变电站中有一个系统监测站，负责本站内的监测。
在登机长廊底层3#配电站中，设置了一个电流监测管理中心，将楼内所有系统监测站的信息通过**通信网络集中到一起管理已经对各区信息数据进行集中监测、处理。监测主要内容有：各变配电站母线段电压值、电流值；各回路电量的实时采集；线电压、相电流；三相有功功率、无功功率、有功电能；频率、功率因数；电压不平衡度、电流不平衡度；各断路器、手车状态；变压器温度、运行状态；自备发电机组的启动及运行监测。
监控系统的主要功能有：显示区域平面系统图或主菜单；实时显示主接线图、断路器、手车、接地刀闸的变为情况及母线受电情况；实时显示自动装置运行状况图、电力变压器非电量回路图等。在微机保护装置发生动作时自动发出警报并产生事件记录、事故追忆、故障录波等。
3.2 航站楼能耗分析数据管理系统
航站楼内Acrel-2000智能配电监控系统与Acrel-5000能效数据分析管理系统的组网示意图如下：
图 3 航站楼智能配电监控与能耗监测组网示意图
航站楼内的用电负荷有：普通电力、**设备电力、各场所照明、插座、广告灯箱、空调、通排风机控制、消防设施、安保、行李分拣、航班显示、机坪灯光、各类垂*降梯、自动扶梯、自动布道、弱点机房用电等。楼内所有消费设施包括消防水泵、喷淋泵、排烟、正压风机、消防电梯、大楼消防、安保及设备监控中心、通讯、航班显示系统、综合布线系统、行李分拣、自动化及监控系统、安检系统、当地网络分配场所、办票服务台以及安全疏散照明灯均作为一类重要负荷；其余作为二类负荷。
由于航站楼内用电负荷较多、用电量大，因此需对楼内的电能消耗做分项能耗管理，采用安科瑞公司的Acrel-5000能效监控系统按用途划分进行采集和统计能耗数据，如：普通照明用电、航班服务用电、消防用电、空调用电等。系统可通过历史数据和预算数据分析，客观确定节能改造性价比；改造前后能耗数据对比，实事求是的节能效果评价；节能措施的精细化管理，**其效果的可持续性。
3.3 航站楼Acrel-2000智能配电监控系统界面
Acrel-2000智能配电监控监控系统通过系统数据和规约库模板配置将微机保护装置和多功能电力仪表以及各种传感器连接起来，把供电系统的各回路电参量、开关状态量、电能消耗等通过通讯网络实时的仿真到计算机画面，供电运行维护人员可以通过监控计算机来实时了解供电系统的每个环节。在发生可能导致事故的异常状况时可自动告警；在发生事故时可产生事件记录、记录故障前后波形，甚至可在事故发生后重演事故过程，并提供各种曲线、柱状图等分析图形和报表，使配电系统自动化运行。
图4 Acrel-2000智能配电系统主接线图
图5 Acrel-2000智能配电系统实时监测画面及报表
图6 事故追忆画面及监测数据报表
3.4 航站楼Acrel-5000能耗数据分析管理系统界面
航站楼内的Acrel-5000能耗数据分析管理系统在系统监测站定时采集各监控点的仪表参数并上传至本地能耗分析管理系统数据库，用户可用于当地实时查询能耗监测情况，如图7所示。系统可统计航站楼内耗电量的时用量、日用量和年用量，以曲线图或柱状图等方式显示，支持报表输出，图8所示。系统还可提前各分项耗电量数据进行同、环比分析，如图9所示，确立成员值并对各监控点的耗电量情况进行耗电水平判定，对用电改善提出一套完整的诊断流程，并给出耗电分析报告。
图7 Acrel-5000系统监测站实时电量测量
图8 航站楼内用电量的时用量、日用量、年用量柱状图
图9 航站楼内 各用途用电量同、环比图
4 航站楼紧急备用电源
4.1 柴油机组
航站楼内所有一类重要负荷，采用柴油发电机组及不间断电源（UPS）装置作紧急备用电源。根据国家电气设计规范，一类负荷要求有两路不同电源供电，而提供航站楼内每个配电站的电源均为两路。在实际运行中，当一路电源故障时可能另一路也同时出现故障，因此为确保航站楼供电的可靠性、安全性，设置了后备电源。
根据一类重要负荷的分布，设计了4台柴油发电机组，分别设置在4个不同的机房内。发电机容量满足一类重要负荷容量加上部分能**航站楼运行的基本设备符合，见表4。
应急负荷及发电机容量 表4
航站楼是中国机场的中心，建筑面积大，旅客吞吐量大，合理的设计供配电系统尤为重要。本航站楼内设计了Acrel-2000电力监测系统和Acrel-5000用电量数据分析管理系统，能实现航站楼内遥测、管理和无人、少人值班，从而到达优化电能管理，保证安全供电。
参考文献
[1] 上海浦东机场航站楼的供配电设计.邵民杰.供用电.No.5 Serial No.18,2001.10.
[2] JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范[S].
[3] GB 50052-1995 供配电系统设计规范[S].
[4]安科瑞电气股份有效公司.能效管理系统设计安装图册.2013.11.1合订本.