杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司浙江杭州310000
摘要：轨道交通在城市交通中有着特殊作用，是城市实现“绿色出行”的重要工具。轨道交通单位乘客能耗较少，运输总量大，总耗电量大，因此，在运营过程中进行科学化的用电管理，对降低运行能耗、减少用电总量以及实现企业节能减排具有重大意义。
关键词：电能质量；管理系统；城市轨道交通；应用
1系统设计
1.1设计目标
按照公共机构节能条例要求，要对各部门或各经济核算单位进行用能分户计量，即将各个经济核算单位或部门相关的各类表计的计量值进行合并计算，从而得到各个单位或部门的各类能耗总值。城市轨道交通电能质量管理系统主要以车站、停车场、车辆段、控制中心、主变电站以及其他辅助建筑为分户单位进行计量。按照设计目标，电能质量管理系统需从400V低压系统（EMS）、环境与设备监控系统（BAS）以及变电所综合自动化系统（PSCADA）获取分项能耗数据及用电资料。根据计量架构中的分类，定量分析地铁能耗。实现系统监管界面展示、设备状态报警、实时电能趋势查询分析、历史电能趋势查询分析、电能质量及能耗数据综合分析、能耗报表统计、以及人工置数修正等功能。
1.2系统总体架构
在广州地铁6号线中，电能质量管理系统采用集成在综合监控系统（ISCS）内的设计方案，此方案能共享ISCS的硬件和软件资源，包括网络硬件设备和信息资源、软件平台等，利用ISCS集成、互联系统多的优势，充分发挥ISCS的作用，避免重复建设。ISCS的拓扑图如图1所示。车站值班操作员可通过车站级ISCS进行本车站
电能质量、能耗数据的管理，而中央级调度操作员可通过中央级ISCS进行全线电能质量和能耗数据的管理。系统采用C/S架构，开发工具为C++，数据库为Oracle10G，运行环境为OracleSolaris平台。EMS的电能数据和BAS的电能数据通过车站/停车场的前端处理器（FEP）进行采集；PSCADA的电能数据通过ISCS采集记录到本地数据库。各个车站和停车场的电能数据采集后，存储在本地实时数据库，实时同步到中央历史数据库。全线级别的统计、报表生成通过对中央历史数据库中的全线电能数据进行分析统计实现。车站的FEP从EMS和BAS中采集电能数据，经过处理后，根据业务规则生成报警和事件，并且把报警推送到工作站，把报警数据记录到车站数据库中。车站ISCS负责采集PSCADA的电能数据，记录到车站数据库，实时同步到历史数据库。
1.3系统功能设计
1.3.1数据采集功能
按设计目标的划分内容，PSCADA、EMS、BAS中按设定的频率采集相关数据。数据主要包括：（1）电能设备状态信息，包含设备通信故障、故障报警、失压断相、相序错误；（2）电能质量数据，包含电流、电压、功率、功率因数、电压偏差、谐波畸变率、谐波电流等数据；（3）电度数据，包含正负向有功电度、正负向无功电度数据。
1.3.2显示功能
采用多画面形式，提供正常的运行监测，调用各种数据、报表及运行状态图，采集点数据分析等画面。可按用户选择，进入某个具体的回路监控该回路电能情况。
1.3.3报警功能
系统采集设备状态事件信息，产生报警信息，报警信息包含通信故障、设备故障、进线失压段相、进线相序错误、过负荷报警、电流不平衡等信息。报警信息依据等级显示不同颜色，不同等级的报警播放不同的报警声。报警产生时报警栏显示设备报警信息，报警关闭时报警栏删除相应报警。
1.3.4统计及趋势分析功能
针对电能质量数据，可以根据不同的时段、车站、停车场、车辆段、控制中心、主变电站以及其它供电区域等，进行数据统计并生成所有相关数据曲线。系统可以显示实时或者历史模拟量的曲线，包括平均值、最大值、最小值等。统计画面包括但不限以下内容：（1）基波电压、基波电流变化曲线和趋势曲线；（2）电压偏差变化曲线和趋势曲线；（3）谐波的电压含有率、电流分量长期趋势曲线；（4）谐波的电压、电流频谱图；（5）电压、电流三相不平衡度变化曲线和趋势曲线；（6）相序电压、电流的分析曲线；（7）功率因数的变化曲线和趋势曲线；（8）有功、无功、视在功率的变化曲线和趋势曲线；（9）电网频率的变化曲线和趋势曲线；（10）电压骤升/骤降、断时中断等暂态电能质量现象的波形显示。
1.3.5数据查询
数据查询包含电能质量数据查询和能耗数据查询界面。电能质量数据查询提供历史能耗数据的查询和导出功能，允许操作员选择车站、分项、分类、设备、时间条件进行数据查询。
2系统实现
2.1电能质量的海量数据分析
（1）电能质量管理系统数据来源多，包括EMS、BAS和PSCADA。以上3个系统数据结构不同，采集后的数据需进行整理加工。（2）数据种类复杂，包含模拟量输入（AI），模拟量输出（AO），数字量输入（DI）等多种数据类型。（3）数据量大，需根据不同数据类型指定相应的采集频率。如按500ms的采集数据频率：车站每天数据总条数约156万条，3个月数据总条数约1.4亿条，约24GB；6号线1期19个站1年数据总条数100亿条，约1824GB。在保证系统功能需求的前提下，对数据采集频率进行优化，将AI类型的数据采集调整为15min采集一次，减少数据量，提高系统处理效率及性能。海量数据的分析和处理，对系统的资源消耗提出了较高要求。为保证系统的处理效率，改善用户操作体验，系统采用了多种方法，包括：优化程序代码，采用多线程并发处理机制和异常处理机制；对海量的关键数据进行数据表分区，减少磁盘I/O，提高读写速度；创建组合索引，并确保得到有效运用；加大数据库及应用服务器的物理内存和虚拟内存，提高处理能力；优化SQL查询，合理利用存储过程，提高对数据表的操作效率；建立缓存与采样数据相结合的处理方式，在客户允许的误差范围内，可显著提高数据分析效率。
2.2智能化数据展示及预警
电能质量管理系统通过可逐层挖掘的表格、示意图、仪表盘等形式，实现关键业务指标（KPI）的实时动态展示，主要包括电能设备状态，电能质量数据，设备能耗数据，电度数据等，为生产值班人员监控线路的负载变化及决策层掌握线路的能耗指标提供了直观的辅助参考。同时，通过环比、同比对应的电能质量指标，结合线路运营实际制定的阈值和修正值，对线路、车站、设备在某一时段内的电能指标异常（过高或过低），以及数据采集或传输中断等异常情况，按照等级划分，分别通过警铃、闪灯、弹窗、短信等多种方式进行智能预警，直至值班人员介入确认。
3结论
电能质量管理系统在广州地铁运营管理中成功运用，系统极大地方便了用户的使用，用户从传统的手工抄表模式转换成可通过系统直接获得数据。另外，系统提供了大量实时、准确的电力数据，为管理者进行内部计量考核、安全用电做出了管理依据。目前，杭州地铁已在新线实施电能管理系统，通过上述分析，杭州地铁后续新线电能管理系统的功能除了实现能源数据的积累与分析外，还需对电能管理系统的数据进一步开发和利用，建立有效的节能管理分析及考核评价体系，并形成行车组织节能控制、通风空调系统、电扶梯、照明等节能控制策略，实现杭州地铁节能管理模式的集约化发展、标准化建设、精细化管理，对于地铁能源管理、建设绿色地铁具有重要意义。
参考文献：
[1]施庆.轨道交通电能质量管理系统的设计与应用[J].供用电，2011，04：76-77+81.
[2]朱微维，朱祁，陈颖峰.城市轨道交通电能质量管理系统的研究与设计[J].自动化与仪器仪表，2014，09：55-56+59.