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(chǎn)、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(jié)約使用能源，降低基本耗損，意味著降低生產(chǎn)經(jīng)營成本。為此，為實現(xiàn)科學、有序地用能，在城市軌道交通采用能耗管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是集遠程抄表系統(tǒng)和監(jiān)測管理系統(tǒng)為一體，來實現(xiàn)對城市軌道交通的供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、通風空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等能耗設備實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控。通過采集各被監(jiān)測點的歷史能耗數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(tǒng)可按照不同的維度進行軌道交通能耗分析，以數(shù)據(jù)采集、精細化管理、發(fā)現(xiàn)問題、找出漏洞為主要方向，對能耗數(shù)據(jù)進行設計、公示、發(fā)布，并結合數(shù)據(jù)挖掘對比設備實際能耗值和標準指標值，用以來發(fā)現(xiàn)存在的各類用能浪費問題，從而實現(xiàn)如下目標：

1）按典型能耗模型對現(xiàn)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(shù)學分析模型，如預算模型、區(qū)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(jié)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(huán)比分析，找出不合理用能部門。

2、設計原則

能耗監(jiān)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(jiān)測與綜合管理的系統(tǒng)平臺，其設計遵循下列原則：

1）城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的能耗管理功能，需考慮與既有能耗管理系統(tǒng)互聯(lián)互通，實現(xiàn)全線統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)上傳各類能耗數(shù)據(jù)。

2）能耗管理系統(tǒng)對本車站主要用電負荷、用水情況分類統(tǒng)計分析，根據(jù)各用電負荷特點，對各種用能設備進行節(jié)能管理分析及預留節(jié)能控制功能。

3）能耗管理系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的各類電力儀表信息納入能耗管理系統(tǒng)，能耗管理系統(tǒng)集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)，由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)車站級界面顯示。

5）以地鐵車站為計量單位，實現(xiàn)車站用電、用水的總計量，同時實現(xiàn)用電分項計量，對各計量回路實現(xiàn)三相電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、有功和無功電度、頻率等電力參數(shù)的實時監(jiān)測。

3、系統(tǒng)網(wǎng)絡架構組成

城市軌道交通能耗管理系統(tǒng)由線路級、車站級、現(xiàn)場級三層網(wǎng)絡架構組成，如圖1所示為系統(tǒng)架構組成。

線路級系統(tǒng)設置于各線路的控制系統(tǒng)內，綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控，是整個能耗管理平臺進行數(shù)據(jù)交換的重要節(jié)點，能提供能耗管理系統(tǒng)實時運行界面和歷史數(shù)據(jù)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(wǎng)絡設備等，用于現(xiàn)場能耗數(shù)據(jù)的處理、存儲以及通信。

車站級系統(tǒng)主要設置于各車站、車輛段基地的變電所內及環(huán)控電控室內，該系統(tǒng)集成在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，對現(xiàn)場環(huán)控系統(tǒng)的通風空調系統(tǒng)及水系統(tǒng)進行聯(lián)動節(jié)能監(jiān)視，并采集供電系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)等用能數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供的傳輸通道，上傳至綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務器，實現(xiàn)對本站車站級監(jiān)視功能，并在綜合監(jiān)控界面進行可視化展示，主要硬件由能耗管理系統(tǒng)工作站、綜合監(jiān)控通信服務器、交換機、打印機等設備組成。

現(xiàn)場級系統(tǒng)設置于能源管理設備房內，對現(xiàn)場設備以組網(wǎng)的方式進行網(wǎng)絡能耗數(shù)據(jù)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(wǎng)絡組成，多功能表通過雙絞線構成的現(xiàn)場通信總線與綜合監(jiān)控系統(tǒng)串口服務器實現(xiàn)雙向通信。

4、系統(tǒng)軟件架構組成及功能

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

圖1能耗管理系統(tǒng)架構

數(shù)據(jù)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(jié)能終端等設備進行對能耗數(shù)據(jù)的自動采集，對于不具備自動采集的計量數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，包括車站內乘客流量信息等。通過接口手動錄入的數(shù)據(jù)，包括站廳站臺內面積、列車營運時間、能源單價等。

數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層主要是基于數(shù)據(jù)挖掘技術，采集的數(shù)據(jù)存儲至實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫根據(jù)預先建立的環(huán)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)能效評估模型，供能耗管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析評估，并對主要耗能設備（如；通風空調系統(tǒng)）的運行狀態(tài)和效率進行動態(tài)監(jiān)管，實時評估能源利用效率，在線挖掘節(jié)能空間，為運營單位優(yōu)化提供建議和依據(jù)。

基礎服務層

基礎服務層主要提供實時數(shù)據(jù)抽取及校驗、數(shù)據(jù)報表定時生成、權限分配管理、系統(tǒng)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(tǒng)各業(yè)務模塊提供基礎支撐。

應用層

該層主要包含實時監(jiān)測系統(tǒng)、能耗統(tǒng)計分析系統(tǒng)、能耗公示系統(tǒng)以及移動端能耗管理系統(tǒng)，滿足能耗監(jiān)測、統(tǒng)計、分析等應用需求?？梢愿鶕?jù)本線路的相關數(shù)據(jù)（客流人次、運營公里數(shù)、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(huán)節(jié)提供能源平衡統(tǒng)計分析，實現(xiàn)能源損耗的超標自動提示與告警實時預警，為節(jié)能審計管理人員提供有關地鐵線路的能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)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(shù)據(jù)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(qū)間/車輛段、建筑樓層（如站廳層、站臺層）、設備系統(tǒng)（如通風空調、屏蔽門、扶梯提升）的分類能源實時用能信息?？梢砸詳?shù)據(jù)、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(jiān)測對象的能耗消耗量、能耗變化趨勢、區(qū)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(tǒng)軟件組成及功能

5、系統(tǒng)接口與應用

城市軌道交通綜合監(jiān)控能耗管理系統(tǒng)與供電專業(yè)、動照專業(yè)、給排水專業(yè)等系統(tǒng)，按照雙方約定好的數(shù)據(jù)格式，如：Modbus、Modbus-RTU或Profbus DP協(xié)議等格式，向其提供能耗數(shù)據(jù)及通道檢測，并根據(jù)能耗管理系統(tǒng)收集的能耗信息，進行能耗數(shù)據(jù)整理與分析。

與供電系統(tǒng)接口應用

與電能質量管理系統(tǒng)的接口應用

綜合監(jiān)控能耗管理系統(tǒng)與供電系統(tǒng)的電能質量管理系統(tǒng)的接口，其接口位置位于車站/變電所控制室供電系統(tǒng)電能質量管理系統(tǒng)主機通信接口處，接口類型為光纖以太網(wǎng)，如圖3所示。通過電能質量檢測系統(tǒng)交換機接入到綜合監(jiān)控系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)接口

綜合監(jiān)控能耗管理系統(tǒng)與動照系統(tǒng)的接口，其接口位置位于每端通風空調電控柜能耗子系統(tǒng)主機通信接口處，接口類型為RS485或以太網(wǎng)，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(shù)、電度、諧波等多項電能參數(shù)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(jiān)控系統(tǒng)與電能質量管理系統(tǒng)的接口

表2動照系統(tǒng)用途功能

與給排水系統(tǒng)接口

能耗管理系統(tǒng)具備給排水系統(tǒng)監(jiān)控及節(jié)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(jiān)控及節(jié)能運行方案，通過對各種環(huán)境參數(shù)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(tǒng)計分析，詳細用途及功能如表3所示。

表3給排水系統(tǒng)用途功能

6、安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)概述

安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產(chǎn)線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數(shù)據(jù)和支持。

7、應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)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(yè)、木材、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產(chǎn)品、工器具制造等離散制造業(yè)。

8、系統(tǒng)結構

現(xiàn)場通過廠區(qū)局域網(wǎng)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(wǎng)聯(lián)通的地方，通過有權限的賬號登陸網(wǎng)頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統(tǒng)可分為三層：即現(xiàn)場設備層、網(wǎng)絡通訊層和平臺管理層。

現(xiàn)場設備層：主要是連接于網(wǎng)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(tǒng)必要的基本組成元素。肩負著采集數(shù)據(jù)的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網(wǎng)絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監(jiān)測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網(wǎng)絡通訊層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關、網(wǎng)絡交換機等設備。智能網(wǎng)關主動采集現(xiàn)場設備層設備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉換，數(shù)據(jù)存儲，并通過網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器，智能網(wǎng)關可在網(wǎng)絡故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網(wǎng)絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數(shù)據(jù)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：