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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*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ASP.Net、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
基于PROFIBUS-DP的电能管理及电力监控系统 安科瑞鲍静君
摘 要：设计了基于PROFIBUS—DP的电能管理及电力监控系统，描述了该系统的结构组成和实现原理，给出了主站和串口电力仪表从站通信的实现方法，解决了主从站通信程序设计中的关键问题，验证了系统的通信性能和可行性。
关键词：PROFIBUS;PLC，总线桥，网关，电力监控仪表，工业通信。
0 引言
随着能源的日渐紧张，国家出台了很多有关节能减排的法律法规，各行各业都在采取了相应的节能措施，各制造行业的工厂企业也采用了电能管理及电力监控系统对节能效果进行考核。
相对于MODBUS通信而言，PRFOBUS通信存在着诸多优点，比如高通信速率(*高可达12Mbit/s)、实时性、可靠性、易扩展、易维护性等，很多工厂、企业现存的生产控制自动化网络大都采用现场总线控制系统，PROFIBUS网络是其中应用*多的一种现场总线，因此，很多工厂企业希望能将电能管理及电力监控系统也集成到PROFIBUS-DP自动化网络中，而不是单独进行MODBUS组网。但由于目前存在的大多数智能电力监控仪表都是基于MODBUS通信的，那么如何把现存的不带DP接口的串口仪表设备连接到总线上组成DP网络就成为一个亟待解决的问题。
本文设计了基于串口通信的电力监控及多功能网络电力仪表，给出了基于PROFIBUS-DP通信的智能电力监控及电能管理系统的解决方案。系统中采用了三种方法将基于MODBUS-RTU通信的智能电力监控仪表集成到PROFIBUS-DP网络中。
本文介绍的组网方法，不但硬件成本比较低、安装方便，而且编程简单，主站可以直接对各个电力仪表进行数据采集、远程控制等，传输速率较快，有很好的实用性和可行性。
1 系统构成
本系统采用安装了CP5611通信板卡的工控机作为通信主站，S7-200 PLC CPU222、ANYBUS网关、PB-B-MODBUS总线桥分别作为PROFIBUS-DP网络的三个从站，每个从站又与电力监控仪表组成一个子网，如图1所示。系统中同时也可以连接其他的PROFIBUS-DP从站设备。
图1 系统结构示意图
CPU 222 PLC通过EM277 DP模块接入到PROFIBUS-DP网络，作为PROFIBUS-DP网络的从站，同时CPU222 PLC又作为一个主站与电力监控仪表组成一个子网，电力监控仪表作为子网的从站，主从站之间采用自由口通信方式。
同样，对于PB-B-MODBUS总线桥来说，作为PROFIBUS-DP网络从站的同时，又作为MODBUS子网的主站与电力监控仪表组成MODBUS网络。ANYBUS网关工作原理与PB-B-MODBUS总线桥的工作原理相似，它在该系统中同样既做PROFIBUS-DP网络从站，又作为MODBUS子网的主站与我公司电力监控仪表组成MODBUS网络。
1.1 PLC自由口通信子网
PLC作为PROFIBUS网络的一个从站，其自身功能非常强大，不但可以通过主站对连接到从站PLC I/O点上的各种I/O量进行采集和控制，而且PLC本身就可以构成一个子网，比如MPI网络，自由口通信网络等。而且可以扩展以太网接口模块将整个网络接入以太网，扩展AS-I接口模块，将系统接入ASI-I网络等。对于工业控制场合，该网络应用范围是非常广泛的。
PLC作为自由口通信网络的主站，通过对PLC进行自由口通信编程，实现PLC与电力监控仪表间的MODBUS通信。利用西门子公司提供的库函数MBUS_CTRL和MBUS_MSG可以简单方便地实现MODBUS通信，如图2、图3所示。
图2 自由口通信程序图网络1
图3 自由口通信程序图网络2
该系统中PLC模式为1时进行自由口通信，模式为0时进行PPI协议，波特率为9600，奇偶校验为无校验，仪表读取地址为40038，读取6个数据单元。
1.2网关、总线桥工作原理及配置
对于总线桥来说，一方面，CPU通过对PROFIBUS通信协议芯片的控制实现PROFIBUS的通信，在RAM中建立PROFIBUS通信数据缓冲区。另一方面，通过MODBUS协议实现和电力监控仪表的通信，同样在RAM中建立MODBUS通信数据缓冲区。CPU通过两个通信缓冲区的数据交换，实现PROFIBUS到MODBUS的通信。
由于总线桥自身不具备控制功能，必须通过DP主站进行控制。DP主站通过对其控制字的设置，来控制总线桥作为RS485网络主站对其各从站的发送接收模式，通过监控其状态字来实现数据发送接收状态的监控。PROFIBUS数据区与RS485数据报文格式对照关系如表1所示。
表1 PROFIBUS数据区与RS485接收报文对照表
PROFIBUS映射地址 长度 RS485报文格式
IB0 1字节 该字节用来存储接收报文长度
IB1 1字节 该字节为通信状态字
IB2至以后 若干 接收数据缓冲区
QB0 1字节 该字节用来存储发送报文长度
QB1 1字节 该字节为通信控制字
QB2至以后 若干 发送数据缓冲区
该系统的DP主站是通信板卡，不能直接在S7-STEPV5.4中编写PLC程序对总线桥进行控制，只能通过在上位机ACREL-3000软件中编写脚本程序完成对PB-B-MODBUS总线桥状态字的读取和控制字的读写和通信。
ANYBUS网关和PB-B-MODBUS总线桥实现原理基本相同，均是在转换模块的RAM中建立了PROFIBUS 到MODBUS 映射数据区，由软件实现PROFIBUS 和MODBUS 协议转换及数据交换。但ANYBUS网关自身带有配置软件，数据映射配置实现起来相对简单。
不管是总线桥还是网关，由于受协议转换设备其自身映像数据存储区大小的限制，根据所要采集电参量的多少，可带仪表的个数不同。
2 系统功能
基于PROFIBUS-DP的电能管理与电力监控系统，上位机软件为ACREL-3000电力监控组态软件。通过该软件进行组态，可以在上位机界面上实现队所有电参量的实时显示，如I、U、P、Q、kWh等，图4所示为本系统的电能管理及电力监控系统主界面。
图4 ACREL-3000电力监控/电能计量管理系统实现实时采集监控界面
ACREL-3000还可以实现主要电力参数的实时运行曲线、历史趋势曲线等绘制，如图5所示。另外，ACREL-3000还具有强大的报警功能、报表功能、查询功能、打印功能等。强大的数据库可以将历史记录保留3年以上。
图5 ACREL-3000 实时曲线界面
通过ACREL3000界面还可以实现对PROFIBUS各从站的网络参数采集和显示，比如：总线参数、从站状态、主站模式、看门狗、组态信息以及从站诊断数据等。对于系统的检修和维护也起到非常方便的指导作用。
3 结束语
该系统采用安装了CP5611通信板卡的工控机作为PROFIBUS主站，使用多种方法将电力监控仪表集成到PROFIBUS-DP网络中。调试结果表明：上位机主站能够按时间每隔1s轮流对各个电力监控仪表进行采集数据，运行通信情况良好。
理论上来说，一个PROFIBUS网络的*高传输速率可达12Mb/s，一个网段可带32个从站，一个网络可带126个从站。这里每个DP从站(200系列PLC、ANYBUS网关、PB-B-MODBUS总线桥)根据自身情况带若干个仪表，一个系统网络所带仪表的数量是非常之大的，相对于由通信扩展卡或通信服务器组成的MODBUS系统来说，同样数量的仪表组网，可以节省大量硬件组网设备。
根据系统提供的组网方法，不仅能将工业自动化控制系统与电能管理电力监控系统集成为一体，而且整个网络具有现场总线系统的智能化管理，具有很高的性，还可以节约大量的硬件成本。
文章来源于：《低压电器》2009年14期。
参考文献
[1] 上海安科瑞电气有限公司.ACR系列网络多功能电力仪表[G].2008
[2] 任致程,周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南[M]. 北京:中国电力出版社. 2007.
[3] 王永华，Andy Verwer. 现场总线技术及应有教程——从PROFIBUS到AS-i[M].北京：机械工业出版社，2006.
