陈盼
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：城市轨道交通的大规模建设，在给市民出行带来便利的同时，也消耗了大量的电能。在一些投入运营年限较长的地铁中，存在能耗较高、电能利用率低等问题，不仅造成了电能浪费，而且也带来了严重的经济损失。为此，必须要进一步完善电能管理系统，实现对地铁用电的全过程、动态化监督管理，在保证城市轨道交通正常运营的前提下，提高电能利用率。本文首先概述了城市轨道交通电能管理现状，随后就电能管理系统的基本组成和具体应用展开了简要分析。
关键词：电能管理；城市轨道交通；实时监测；数据分析
0引言
电能管理系统是依托于信息技术发展而来的自动化管理系统，可以根据程序设计，自动完成用电信息收集、电量查询、实时监测等功能，减轻了管理人员的工作压力。但是随着城市轨道交通覆盖范围的拓展，以及本身各类电气设备数量、类型的增加，对电能管理工作提出了更高的要求。在这一背景系，探究电能管理系统的优化应用策略就成为地铁管理部门的重要工作任务。
1城市轨道交通电能管理现状
电能管理是城市轨道交通日常管理的重要组成之一，管理内容主要包括巡查抄表、设备检查、统计分析等。近年来，在信息技术的支持下，电能管理系统已经在国内各大城市的地铁运营单位得到了推广使用，为电能管理工作开展带来了便利。但是从实际应用效果来看，还存在一些问题：首先，电能管理的自动化和智能化程度有待提高。目前基本能够完成自动抄收，但是在电能分类分项方面，还存在精确度不高、分类混淆等该问题；其次，没有形成一套完善的电能管理指标体系。对于地铁系统中的各类电气设备，其运行效率、电能损耗不能做出精确评估，电能管理工作的开展缺乏参照依据；数据整合分析能力不强，面对分散的各类电气设备，不能做出整体性的用电评估，不利于下一步电能管理工作的优化。
2 电能管理系统的基本组成
2.1主站系统
主站系统是电能管理系统的总控中心，负责对子站系统收集和上传的各类电能信息进行分析、处理，并根据处理结果下达控制指令。主站系统的具体 组成设备有中央计算机、数据库、交换机等。其中，数据库使用云服务器，既可以提高数据存储容量，满足了城市轨道交通用电信息的存储需求，又能够显著增强数据保密能力，避免出现用电信息丢失、泄露等问题，为中央计算机完成用电信息的调用、分析提供了必要的基础。
2.2子站系统
在城市轨道交通的沿线车站，分别设置独立的子站系统，根据车站规模子站系统的数量不一，通常在1-3个。从系统组成上来看，子站系统主要包括了三大模块：（1）站级管理模块，主要负责对车站用电设备进行管理，包括各类用电设备的用电量变化情况，运行稳定性等。将这些用电信息打包，按照一定频率发送给主站系统。（2）现场采集模块，依靠分布在车站各个地方的传感器、数字仪表等，收集用电信息，包括具体的电能消耗等。（3）网络通信模块，负责将子站系统收集到的各类用电信息，传输给主站系统，并保证传输过程的安全性，防止电能信息丢失或乱码。
3 电能管理系统的应用
3.1实时监测和历史记录
考虑到城市轨道交通在不同的时期，电能消耗情况存在差异，必须要实现对整个用电系统的实时、动态监测，这样才能帮助管理人员全面掌握各个系统的用电情况，提高了电能管理的精确性和针对性。系统可监测的电能质量指标，包括频率偏差、电压偏差、电压动态变化指标。实时监测结果会按照人为设定的频率，上传到终端控制系统，然后由计算机自动完成记录、统计、分析，并将分析结果直观的展示给管理人员。电能管理系统除了可以精确的完成实时监测外，还支持管理人员按照日期、项目等不同选项，查看历史用电记录。这对于进行电能损耗的处理有一定的帮助。
3.2数据分析和查询统计
数据分析界面：棒图、曲线、饼图、文字表格；统计电压合格率和负荷变动；线损统计分析功能和历史同期比较功能；自动分析三相不平衡；供电可靠率和供电质量的统计分析；监测量变化曲线绘制，主要包括电压、电流基波有效值曲线,有功功率变化曲线。重点负荷分类统计、分析、管理；重点负荷对系统电能质量的影响分析；谐波对电能计量精度的影响分析；电能质量对继电保护等自动化装置动作行为的影响分析、统计。负荷查询统计；电能质量监测点查询统计；历史记录查询统计。
3.3设备的智能化管理
城市轨道交通系统中包含的电气设备数量多、种类杂，人工抄表不仅效率低，而且精确性也不容易得到保证，这就给用电分析和电能管理工作开展带来了不必要的麻烦。用电设备的智能化管理，具有以下特点：其一，可以实现用电设备的自动归类，例如按照分布位置的不同，将每个子站的用电设备划分为一类，这样既可以展开横向用电对比，又能够减轻电能分析压力。其二，智能化管理还可以实现对各类用电设备运行工况的自动监测，例如某一类电气设备的电能损耗明显超出正常范围，通过智能化管理可以自动进行报警，方便管理人员及时查明异常原因，采取维护措施，保障了电气系统运行安全。
4城市轨道交通中电能管理系统的优化策略
4.1自动化和智能化技术的应用
实现电能管理智能化是城市轨道交通用电管理的大势所趋。在今后的管理工作中，要注重将前沿信息技术应用到电能管理系统中，例如利用大数据技术，实现对城市轨道交通各类电气设备用电信息的快速、精确处理；利用云存储技术，可以实现用电信息的安全、完整保存，可以随时支持数据的调用、查询等工作。电能管理智能化和自动化程度的不断提升，还可以减轻对人力资源的占用，也在一定程度上节约了人工成本。
4.2建立完善的能耗管理与评估系统
现阶段国内各大城市的轨道交通电能管理系统，主要功能还是侧重于对实时用电信息的收集、整理、统计和分析，但是对于各类电器设备的用电评估工作还没有全面的推广开来。分析和统计结果不能及时反馈到电气设备上，也不利于用电设备电能损耗问题的尽快解决。因此，下一步要在现有电能管理系统的基础上，进一步完善能耗管理与评估反馈系统，实现对电气设备的动态化管理。
5 安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案
5.1概述
用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，全面推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。
安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。
5.2应用场所
（1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；
（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；
（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；
（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；
（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；
（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。
5.3系统结构
5.4系统功能
5.4.1实时监测
系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。
5.4.2电能统计报表
系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。
5.4.3详细电参量查询
在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。
5.4.4运行报表
系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、指定时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。
5.4.5变压器运行监视
系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。
5.4.6实时报警
系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。
5.4.7历史事件查询
系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
5.4.8电能质量监测
系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。
5.4.9遥控操作
系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。
5.4.10用户权限管理
系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
5.4.11通讯状态图
系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。
5.4.12视频监控
视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。
5.4.13用户报告
用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。
5.4.14 APP支持
电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。
5.5系统硬件配置清单
应用场合 | 型号 | 图 片 | 功能 |
电能管理软件 | Acrel-3000WEB | Acrel-3000WEB电能管理软件全方监视用户配电系统的运行状态和电量数据，为用户提供更好的运维服务。平台提供用户概况、电力数据监测、电能质量分析、用电分析、日/月/年用能数据报表、异常事件报警和记录、运行环境监测等功能，并支持多平台、多终端数据访问。 | |
智能网关 | Anet-2E8S1 | 8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等协议的数据接入，ModbusT-c(主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持不同协议向多平台转发数据;输入电源:AC/DC 22ov，导轨式安装。 | |
ANet-2E4SM | 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、从）、104(主、从）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模块）输入电源:DC 12 V ~36 V .支持4G扩展模块，485扩展模块。 | ||
ANet-485 | M485模块:4路光耦隔离RS485 | ||
ANet-M4G | M4G模块:支持4G全网通 | ||
35kV/10kV/6kV微机保护装置 | AM6系列 | 35kV及以下配电系统线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等保护。 | |
35kV/10kV/6kV弧光保护 | ARB5-M | 主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，弧光保护〈8组）、失灵保护(4组）、TA断线监测（4组）、非电量保护、装置故障告警 | |
ARB5-E | 扩展单元，可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号 | ||
ARB5-S | 弧光探头，建议安装地点包括（但不限于）断路器室、电缆室、母线室，可面板开孔安装，亦可支架式安装。弧光探头的检测范围是一个角度为180°，半径0.5m的扇形区域。 | ||
35kV/10kV/6kV进线柜电能质量在线监测 | APView500 | 装置1024点波形采样，集谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体，能够满足110kV及以下供电系统电能质量监测的要求。 | |
35kV/10kV/6kV间隔智能操控、节点测温 | ASD500 | 液晶屏显示一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温湿度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮、预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4~20mA输出 | |
35kV/10kV/6kV传感器 | ATE400 | 合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃;传输距离空旷150米 | |
35kV/10kV/6kV间隔电参量测量 | APM830 | 三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos） ，零序电流In，四象限电能，实时及需量，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示 | |
高压重要回路 或低压进线柜 | APM810 | 三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序电流In，四象限电能，实时及需量，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE)各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示 | |
AEM96 | 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率)﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级 | ||
ADW300/4G | 三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量当月及上三月的电压、电流、功率;需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持4路开关量输入、2路开关量输出;支持4路测温;支持1路剩余电流测量;支持本地显示及按键设置;有功电能精度1级。通讯方式:支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯;WIFI通讯 | ||
0.4kV出线 | AEM72 | 三相电参量U、I、P、0、s、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级.无功电能精度2级 | |
DTSD1352 | 三相电参量u、I、P、Q、s、PF、F测量，分相正向有功电能统计，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计﹔红外通讯;电流规格:经互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级。 | ||
ACR120EL | LCD显示、全电参量测量(U、1、P、Q、PF、F);四象限电能计量;RS485/Modbus;可选复费率电能统计、需量统计;4DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus 协议 | ||
照明箱 | DDSD1352 | 单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;红外及RS485通讯;电流规格:10(60）A，有功电能精度1级，无功精度2级;可选配复费率 | |
DDS1352 | 单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;RS485通讯;电流规格:10(60)A，有功电能精度1级，无功精度2级;尺寸:1P | ||
电流互感器 | AKH-0.66/K型 | 开口式电流互感器 |
6结语
城市轨道交通是城市用电大户，加强电能管理，避免电能浪费，也符合当前城市推广、落实节能减排的趋势。针对当前城市轨道交通用电管理中存在的一些问题，要通过进行技术创新不断提高电能管理的自动化、智能化程度，充分发挥电能管理系统在实时监测、数据分析、统计查询等方面的作用，为管理人员开展电能检测、实现节约用电提供必要的支持。
【参考文献】
[1] 张昂. 浅析电能管理系统在城市轨道交通中的应用
[2] 吴量. 轨道交通电能管理系统引入综合监控系统的方案研究[J].铁道勘测与设计，2013
