1背景概述轨道交通作为一种大运量运输系统，具有能源消耗总量巨大，不同季节、高峰和低峰能耗差异大等特点。轨道交通常用能耗包括电、水、天然气、油等，其中电能占总能耗的85%~98%，电能消耗中主要为牵引供电和通风空调，分别占总用电的50%和30%左右[1]。目前很多场合都推广实施诸多节能管理及技改措施[2]，但依靠现有的SCADA系统只能将用电量进行初步采集、统计。对于各种动力照明，如空调、电扶梯等重点能耗系统，用电量还无法精确分项统计，无法对能源使用情况、能耗薄弱点、节能潜力、节能效果进行定量分析。轨道交通能源消耗种类及各系统电耗占比如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.07.007.F001图1轨道交通能源消耗种类及各系统电耗占比能耗成本控制是地铁运营控制成本的重要环节，建立完善的能源管理体系既是企业降低自身运营成本的需求，也是响应国家节能减排、实现“双碳”目标的重要举措。2能源管理系统方案以浙江省某轨道交通项目为例，对能源管理系统架构和能源管理系统关键技术及功能进行剖析。2.1能源管理系统架构能源管理系统架构包括系统管理层、网络通信层和现场测控层三层架构。通过实时在线能耗分类、分项、分户计量，实现对各用能单位及用能设备的计量和监测，实时采集相关的能耗数据，为统计分析、用能诊断提供精确的数据支撑。轨道交通能源管理系统架构如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.07.007.F002图2轨道交通能源管理系统架构系统管理层作为整个系统的中心管理平台，包括由工作站、服务器、网络交换机、路由器、存储、显示、打印、不间断电源、防火墙等设备组成的硬件系统；由支撑性软件、应用软件组成的软件系统以及计算机网络与通信传输网络接口，实现整个系统的监控、分析、管理功能。通信管理层由各类通信设备和通信介质组成网络，作为系统管理层和现场设备层传输通道，具备数据上传和接受控制指令的双向通信功能。通信管理层的网络方案一般有两种，分别为独立通道和共享通道。本项目采用的是第二种方式，由通信专业专用传输系统提供2M及以上通信接口，并配置一个专用的虚拟局域网（VLAN）。现场设备层由现场安装的各类智能仪表和装置组成，实现测量、监视、通信、控制等功能。本项目以车站层为计量单位，实现车站用电的总计量；根据项目特点进行用电项细分计量（照明、空调、动力、商业等），实现分系统的电耗统计。2.2能源管理系统功能能源管理系统从现场控制、数据采集、现场控制网络、数据传输等方面关键技术综合考虑，以满足能源管理系统的建设需求。计量装置要求多功能、智能化，可对重要和有节能潜力的回路配置多功能电力监控终端（测量电压、电流、电度、功率等参数，有遥控、遥信、遥测及定时控制功能）。计量信息接口技术要求一个系统平台上具有实现电、水、气、热能、油等各类能耗的采集技术能力，可以将电表接入现场控制网络，预留将水表、气表、油表、热能表等各种计量装置方便接入现场控制网络的接口。远程传输网络技术要求能源数据传输稳定可靠，可对主干传输网络采用专网或VLAN虚拟局域网，保证网络传输性能和稳定性。系统平台与应用软件技术要求高性能的系统平台架构，功能完善的应用软件技术，可以采用CS+BS混合架构，满足不同需求软件功能符合业务应用。系统可靠性与环境适应性技术要求系统稳定可靠，应抗强电磁干扰、抗高温、抗潮湿、抗振动、抗雷击、系统防误操作、高MTBF、低MTTR等。（1）能效管理。对重要能耗系统或设备进行能效监测，计算系统能效，为系统优化提供数据支撑，通过系统核算节能改造项目的节能效果和投资回报周期。（2）设备管理。利用系统有效的实时监测手段，实时掌握设备能耗状况，并结合设备台账辅助管理。（3）报警管理。实现用能异常系统报警与短信报警，包括电参数超限、异常用能、通信故障等。（4）费用管理。按照组织结构划分，生成各部门能源账单，对外用电进行计费管理。根据各种能源的单价，计算不同时段、不同站点、不同能源类型的用能成本支出。提供各站点能耗成本趋势图，对同类型站点进行用能成本对比分析。（5）报表管理。利用系统完整准确的数据，自动生成各类能源统计账表，报表可自定义。报表支持多种时间维度（日报、月报、季报、年报等），支持多种内容，包括用电量统计报表、分时电量统计报表、日负荷统计报表、外电源统计报表等，且具备同比、环比、类比功能。报表支持多种业务类型，如能耗数据报表、能耗账单、能耗分析报表、综合报告等。报表以图形（棒图、曲线、表盘、饼图等）、文字、表格等多种形式显示，且可以直接打印导出为Excel等格式。（6）能源审计。系统数据应支持能源审计所需统计口径的专用报表，并能支持能源利用效率、消耗水平的评估。（7）能源公示和定额管理。3能源管理系统问题及建议能源管理系统在工业领域应用广泛，目前轨道交通能源管理系统基本架构和功能应用基本成型，但在系统顶层规划设计、系统定位、系统接口等方面仍待完善及明确。3.1未形成统一标准规范关于轨道交通领域能源管理系统相关的技术标准，目前尚未形成统一的国标或行业规范。南京作为国内早期对轨道交通领域能源管理系统投入研究的城市之一，于2011年发布的《江苏省城市轨道交通能源管理系统技术规程》是轨道交通能源管理系统最早的地方标准。在后续的发展过程中，北京、广州等地相继发布了《北京城市轨道交通能源管理系统技术规程》《广州城市轨道交通能源管理系统技术规程》等地方及企业标准，但始终缺乏相应的国标或行标实现对能源管理系统在轨道交通设计规划、生产制造、安装测试、数据分级分类、能耗评估等方面的引导，导致能源管理系统顶层设计、技术规格等功能完全依赖各地方业主需求。3.2缺乏顶层规划现阶段，轨道交通领域能源管理系统主要问题体现在顶层规划设计层面，尤其是在新线规划上缺乏线路、线网级的总体架构设计，能源管理系统软、硬件相对独立，缺乏系统化设计，能源管理系统数据准确性、连续性较差，不同数据间未打通，系统接口标准未统一导致无法接入等现象。文章研究项目作为本地第一条轨交线路，并未规划线网级能源管理平台，能源管理系统数据采集类型中仅包含电能，未将水、油、燃气等其他类型能耗纳入管理；同时系统设计较为独立，各专业间缺乏沟通衔接，如系统中心级需要统计各车站各区域各类型数据，但低压回路设计将不同负荷设计为一路馈线，导致在底层增加计量表计时无法从源头上对不同类型负荷进行计量。整个系统与其他系统无数据交互和联通，只能够通过在底层各400 V回路中增加电表采集装置作为数据采集来源，导致400 V开关柜配置过于拥挤。3.3系统定位模糊轨道交通业主、设计院对能源管理系统的定位和专业划分仍不明确，是导致能源管理系统迟迟没有在城轨领域兴起的因素之一。能源管理系统的功能定位模糊，能源管理对象是仅包括电能还是包括水、燃气等所有能耗。能源管理系统是否应该具备监控功能还是只监不控，如果具备监控功能，其控制逻辑与传统的电力监控系统（SCADA）、综合监控系统（ISCS）、环境设备与监控（BAS）相比具有一定的差异性和特殊性。能源管理系统侧重面向用户的数据报表、界面可视化展示等功能，还是侧重底层数据的二次加工处理。前述问题在多个城市均有不同程度体现，导致后续能源管理系统投用之后效果难达预期。3.4管理与控制脱节能源管理系统建立的目的在于为运营管理人员提供优质、全面的能源管理平台，通过数据分析辅助管理人员采取有针对性的节能技术和管理措施，从而实现设备的节能运行，达到降低运营成本的效果。但大多数城市的能源管理系统仅限远程抄表、能源数据检测、统计等，没有实现真正意义的能源管理和节能控制。早期的能源管理系统管理粗放，运行参数与能耗统计不准确、不精细，缺乏对实际能耗使用细节的关注，能耗数据与运行参数流于形式，存在能耗管理盲区。现有的能源管理系统主要作用在于对能源数据分类采集统计，只监测不控制，能源管理与节能控制完全脱节。例如环控设备运行状态与客流量脱节，据统计，大多数城市轨道交通环控系统按最大设计值处于长期满负荷运行状态，无法根据客流量自动调节设备运行状态，甚至存在过度供冷现象，与节能目标完全偏离。3.5相关问题应对策略首先，为统筹、规范轨道交通能源管理系统建设体系及建设流程，应尽快出台相应国标或行业标准，对能源管理系统的顶层规划、系统功能、系统架构，与其他系统交互接口进行统一标准化，通过标准、规范等强制性措施，从根源上引领能源管理系统在轨道交通领域良性发展。其次，设计院在进行新线设计时应对能源管理系统重点考虑，对车站级能源管理系统进行从硬件到软件的整体设计，构建车站层和线路层系统化平台。在新线能源管理系统建设的基础上，构建线网级能源管理中心，覆盖所有线路，尤其是第一条线时更要考虑线网级平台的顶层规划。各专业设计之间的接口应在初步设计阶段进行明确，避免类似中心级分类分项分户能耗数据统计功能因底层回路设计问题而无法实现等问题发生。增加能源管理系统与传统SCADA、ISCS、BAS等系统的数据交互，也可以考虑引入客流量数据，将能源管理系统数据统计功能与BAS系统控制功能相融合，建立节能反馈机制，预留后期多种能耗数据接入条件，降低改造难度。再者，轨道交通业主单位应明确能源管理系统在日常运营管理过程中的角色定位。建立相应的能耗管理制度，明确能耗管理的职责分工、管理内容与方法、检查与考核等内容。运营部门的岗位设置、专业划分和能源管理系统运维的相互适应是系统长期发挥作用的必要条件，通过能源管理系统实现管理数字化和决策科学化的目标。最后，能源管理系统作为为运营者提供辅助决策帮助的重要手段，应与节能控制高效融合发挥核心作用。利用能耗数据，结合供能和用能系统结构、车流、人流、环境条件、运行管理方式等因素进行分析，为BAS、照明控制、电梯等系统的运行调整提供“运行优化、能效提升”的支持，为制订合理的能耗指标提供数据支撑，进行地铁能耗预测，电力负荷预测，客观全面评估能效和运行方式，提升地铁能源管理水平。4能源管理系统未来发展趋势智慧城轨及绿色城轨概念的提出为能源管理系统提供了应用平台，也为能源管理系统未来发展指明了方向，即基于大数据平台的智慧能源管理系统。针对能源管理系统在节能工作中存在的问题，应对能源数据进行精细化采集，构建能源管理系统大数据平台，建立科学的能耗评价指标，制订合理的自动化控制策略，实现能源管理由粗放型管理向精细型管理的转变，实现能源管理由事后被动管理向事前主动管理的转变，实现能源管理由单体节能管理向系统节能管理的转变，实现能源管理由经验化管理向科学定量化管理的转变。城市轨道交通应构建线网级能源管理中心，除了根据分类、分项、分户模型采集各线路能源数据外，系统同时应与该线路AFC系统、信号系统、BAS系统等互联互通，将运营数据（客流、车流）、环境数据、设备数据等纳入能源管理系统大数据平台，以报表、趋势图、柱形图、饼图等方式呈现线路、车站、设备等的能耗趋势，计算出单位客运周转量、单位运营里程、单位面积等的能耗数据，同时建立能耗评价指标，根据能耗数据与评价指标对比，制订节能控制策略，与综合监控系统联动，对列车运行模式、环控设备、照明设备等进行自动控制。例如在非高峰运营时段，适当控制列车运行速度，采用大小交路套跑的行车组织模式控制列车运营，降低单位运营里程牵引电耗；根据客流情况和环境数据自动调整通风、空调设备运行工况，降低单位客运量电耗；根据列车车次自动控制公共区照明设备启停，降低运营线公里电耗。基于大数据平台的智慧能源管理系统如图3所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.07.007.F003图3基于大数据平台的智慧能源管理系统5结语在城轨行业智慧城轨、绿色城轨等理念的助推下，能源管理系统迎来发展良机。目前国内城市轨道交通能源管理系统存在缺乏统一标准，顶层规划、功能定位不清晰、与其他系统接口未成体系、能效数据利用程度不够等问题，并未实现能源管理系统功能最大化，亟须通过标准引领，加强顶层规划、明确系统功能、能效数据与控制融合等措施，重塑能源管理系统在轨道交通领域新定位。随着数字化、智能化技术兴起，未来建设基于大数据的智慧能源管理系统平台更是大势所趋，除了具备传统的能耗数据采集归整等基本功能外，融合客流、车次、设备、环境等多维度数据，实现多系统间数据共享互通，实现多系统协同控制，制订合理的自动控制策略，最大限度地降低运营能耗，使能源管理系统升级成为智慧能源管理系统，融入城市能源管理综合平台，成为构建智能城市的重要环节。