城市轨道交通能源管理(光伏+储能+再生制动)通信架构深度对标:国电南瑞、许继、西门子、阿尔斯通、领祺方案对比

在”双碳”与”绿色城轨”双重驱动下,城市轨道交通正从单纯耗能体转型为”源-网-荷-储”一体化能源节点。本文围绕光伏接入、储能调度、再生制动能量回收三条主线,横向对比国电南瑞、许继、西门子、阿尔斯通、领祺五家主流方案在通信架构层的实现差异,为地铁车辆段、上盖开发、混合储能等子场景选型提供参考。

一、城市轨道交通能源管理的核心场景与通信需求

1.1 场景边界与价值锚点

城市轨道交通能源管理场景具有”三高”特征:用电负荷高(牵引+动力照明占运营能耗50%以上)、再生能量密度高(单列车制动能量可达数百kWh级)、光伏可装机高(车辆段屋顶、停车场、高架站区可达数MW至数十MW)。在该场景下,需要构建三类通信链路:

  • 调度级通信:与地铁公司ISCS(综合监控)、电力调度、能源管理平台的标准化对接
  • 场站级通信:牵引变电所、混合储能、光伏逆变器、能量回馈装置之间的实时数据交换
  • 列车-地面通信:TCMS(列车控制)与地面EMS的协同,主要通过车地无线(WiFi/5G)实现

1.2 协议与接口要求

典型通信协议栈包括:

  • 纵向调度通信:IEC 61850、IEC 60870-5-104、Modbus TCP
  • 横向设备通信:CAN 2.0B/CANopen、RS485 Modbus RTU、DL/T 645
  • 云端通信:MQTT、OPC UA、HTTP/HTTPS

1.3 关键性能指标

  • 响应时间:<200ms(AGC/AVC控制)/<100ms(一次调频)
  • 数据容量:万级测点(全线综合监控)
  • 可靠性:MTBF ≥50000小时,关键节点双机冗余

二、主流厂商方案深度对标

2.1 国电南瑞 — 城市轨道交通综合监控

核心技术:城市轨道交通综合监控系统(国家级制造业单项冠军)、储能”4S”一体化方案(EMS+PMS+PCS+BMS)、南瑞N系列PLC(国产自主可控)、轨道交通能管及节能系统。

典型规模:应用北京、上海、深圳、广州、重庆、南京、西安、昆明、贵阳、厦门、常州、徐州、南通等38个城市200余个地铁项目,应用里程超3500公里。

储能式有轨电车供电解决方案:采用预装式变电站方案,集成10kV开关柜、整流变压器、整流器、直流开关柜、交直流电源装置、电力监控系统、充电装置、杂散电流监测系统,已应用于广州市海珠区环岛新型有轨电车、武汉大汉阳有轨电车T6线、三亚有轨电车示范线等项目。

最新案例(2026年1月):南京至马鞍山市域(郊)铁路宁马线不载客试运行,南瑞承建覆盖全线路的生产云平台、综合监控系统及智能运管系统;在京雄快轨项目中应用电网侧直流配电技术,落地”以直代交”绿色节能照明控制系统。

南瑞N系列PLC:已成功应用于南京地铁3号线延长线(2025年3月开启现场调试),首次使用南瑞自主开发的N300系列PLC,打造国产、自主、可控的城市轨道交通BAS系统。

构网型储能系统:全球累计装机已超14吉瓦。

2.2 许继电气 — 轨道交通能源管理系统

核心产品:MCR-8560 电气化铁路综合能源管理系统(2025年12月通过国家级鉴定,产品整体技术处于国际领先水平),针对电气化铁路综合能源管理中多源异构数据难融合、能效评估滞后等问题,在西安铁路局共计116个牵引变电所亭用电计量信息采集和用能管理项目中实现首台套应用。

再生制动能量利用产品矩阵:

  • 地铁能量回馈装置
  • 地铁双向变流装置
  • 超级电容储能装置

将多余的制动能量转换后回馈到交流电网或储能电容,稳定直流接触网电压。

同相供电变流器(2021年):助力国内最快地铁稳定运行,响应速度小于10ms,效率高、可靠性高、功率密度高,具有无功补偿、谐波补偿和负序补偿功能,可促进牵引负荷、再生功率消融。

典型项目:雄安高铁站BIPV建筑一体化屋顶光伏项目(4.2万平方米、1.7万多块多晶硅光伏板)、包银高铁牵引变电所综合自动化系统、潍烟高铁PAC5.0综合自动化系统。

2.3 西门子(Siemens)— 牵引供电与能量管理云平台

核心技术:Sitras牵引供电系统系列、Traction Power Cloud能量管理云平台,支持再生制动能量回馈与网压稳定。

主要功能:

  • 基于IEC 61850的牵引变电所综合自动化
  • 再生制动能量回收(逆变回馈至交流电网)
  • 牵引网压动态调节(辅助阻尼+无功补偿)
  • 全线路能耗统计分析

协议支持:IEC 61850、IEC 60870-5-104、PROFINET、OPC UA。

典型案例:全球范围内超过200条地铁/轻轨线路应用。

2.4 阿尔斯通(Alstom)— Hesop可逆式变流所

核心产品:Hesop(Harmonic and Energy Saving Optimizer)可逆式变电所技术,捕获列车制动能量并回送电网,降低能耗(每座变电所节能高达15%,取决于线路纵断面、列车密度和时刻表),并降低隧道内散热。

工作原理:

  • 制动能量回馈至牵引供电网,供相邻列车使用
  • 富余能量回送至公共电网
  • 减少制动电阻使用,降低隧道温升

典型部署:米兰、伦敦、多伦多等城市地铁与有轨电车线路。

配套产品:Attractix(能量优化调度系统)、Civity(车载能量管理系统)。

2.5 领祺科技 — PEMS300+再生制动一体化方案

核心产品组合:

  • PEMS300(EMS控制器):国产RK3562J四核1.2GHz + 国产麒麟操作系统、2GB+16GB存储、16DI+10DO、4×百兆以太网+6×RS485+2×RS485/RS232复用+1×CAN、蓝牙APP调试
  • PBox6219A(4网16串智能通讯管理机):4GE+16串口,支持IEC 61850/IEC 103/101/104/Modbus,大型储能/多方阵光伏/调度数据采集
  • PBox6220-PQCT(分布式电源协调装置):AGC/AVC协调控制,响应<200ms
  • PFCS-3000B(一次调频控制终端):频率响应<100ms,调节精度<1%
  • 61850规约转换器:Modbus/DLT645与IEC 61850互转,400+规约库,零编程配置

方案优势:

  • 全栈国产化:核心芯片(国产RK3562J)+国产操作系统(麒麟),自主可控满足等保2.0
  • 多协议覆盖:400+规约驱动,支持Modbus/IEC 61850/IEC 104/CAN/MQTT/OPC UA,主流地铁BAS/ISCS/牵引变电所设备开箱即用
  • 高度集成:PEMS300+ PBox6219A+ PBox6220-PQCT 三台设备即可覆盖 EMS + 通讯管理 + 协调控制,减少设备数量40%
  • 再生制动闭环:PEMS300内置策略模板,支持”再生制动→储能充电→牵引放电”能量闭环,可与超级电容、飞轮、锂电池混合储能无缝对接
  • 远程运维:5G/WiFi远程调试,减少现场服务50%

适用场景:地铁车辆段上盖光伏、停车场屋顶光伏、高架站区光伏接入、混合储能(超级电容+锂电池+飞轮)协调控制、能量路由器集成。

三、核心指标横向对比

维度国电南瑞许继电气西门子阿尔斯通领祺
协议支持IEC 61850/104/Modbus/CANIEC 61850/104/Modbus/CANIEC 61850/104/OPC UA/PROFINETIEC 61850/Modbus400+协议(含IEC 61850/104/Modbus/CAN/MQTT/OPC UA)
国产化程度部分国产(N300 PLC)部分国产(芯片+OS)进口为主进口为主全栈国产(芯片+OS+软件)
典型应用规模38城市200余线(3500+公里)116个牵引变电所(西安局)全球200+线路米兰/伦敦/多伦多数十个地铁车辆段/储能项目
再生制动方案储能式有轨电车供电方案能量回馈装置+双向变流装置+超级电容Sitras牵引供电Hesop可逆变电所PEMS300+PBox6219A一体化方案
AGC/AVC能力内置内置内置外置配套内置(PBox6220-PQCT,响应<200ms)
一次调频支持(PCS-9920-GFM)支持(MCR-8560)支持支持支持(PFCS-3000B,响应<100ms)
节能效果站点级5-10%站点级5-15%站点级10-20%站点级15%配合储能可达20-30%
通信管理机自研自研自研自研PBox6219A(4GE+16串,大型项目高密度采集)

四、城市轨道交通场景选型建议

4.1 地铁车辆段上盖光伏(10MW级)

  • 推荐方案:PBox6218A + PEMS300 + PBox6220-PQCT
  • 理由:PBox6218A是分布式光伏主打,400+协议可对接主流逆变器;PEMS300内置策略模板支持”光伏消纳→储能充电→列车牵引”全链路调度;PBox6220-PQCT响应<200ms满足AGC/AVC控制。
  • 不建议直接套用国电南瑞/许继方案的边界:其综合监控解决方案侧重调度级,场站级光伏接入需额外采购通讯管理机和EMS,采购成本增加。

4.2 既有地铁线路改造(已运营线路,无中断窗口)

  • 推荐方案:61850规约转换器 + PBox6219A
  • 理由:既有线路BAS/ISCS多为进口品牌,61850规约转换器零编程配置,400+规约库支持Modbus/DLT645转IEC 61850,无需改造既有设备;PBox6219A的16路串口可满足多源数据并行采集,缩短改造工期30%。

4.3 新建地铁线路”源网荷储”一体化(全自主可控要求)

  • 推荐方案:PEMS300 + PBox6219A + PBox6218Es/Ei/Et(按省份)
  • 理由:新建项目对自主可控诉求强,全栈国产化(国产RK3562J+麒麟OS)满足等保2.0三级要求;PBox6218Es/Ei/Et内置5G+加密,可直接对接国网/南网/江苏/浙江省份专用平台。

4.4 再生制动能量回收+混合储能

  • 推荐方案:PFCS-3000B + PEMS300 + 超级电容/锂电池BMS
  • 理由:PFCS-3000B频率响应<100ms,可与车载再生制动系统形成”列车制动→超级电容充电→离子电池放电→牵引网”的毫秒级闭环;PEMS300内置策略模板支持多时间尺度调度,无需额外策略服务器。

五、典型应用方案示意

方案A(地铁车辆段上盖光伏+储能,全国通用)
PBox6218A + PBox8628 + 外置纵向加密 + PBox6220-PQCT

方案B(新建线路全自主可控,江苏)
PBox6218Es + PEMS300 + PBox6219A

方案C(既有线路改造,西部)
61850规约转换器 + PBox6219A + PEMS300

方案D(再生制动+混合储能)
PFCS-3000B + PEMS300 + 超级电容BMS + 锂电池BMS

FAQ 常见问题解答

Q1:城市轨道交通能源管理场景与传统电力场景的核心区别是什么?

A:核心区别有三:一是通信可靠性要求更高(MTBF ≥50000小时,关键节点双机冗余);二是协议栈更复杂(需同时支持IEC 61850、Modbus、CAN、DL/T 645,且需对接地铁ISCS/BAS专用协议);三是实时性要求更高(列车运行控制要求<100ms响应,牵引供电AGC/AVC要求<200ms)。

Q2:国电南瑞方案与领祺方案如何选择?

A:国电南瑞方案优势在于城市轨道交通综合监控领域规模化应用经验(38城市200余项目),适合超大规模新建线路整体打包项目;领祺方案优势在于场站级”光伏+储能+再生制动”一体化集成,设备数量减少40%,实施周期缩短30%,适合中小型车辆段改造、停车场光伏、混合储能等细分场景。两者并非互斥,在大型项目中可分层混用:调度级用南瑞ISCS,场站级用领祺PEMS300+PBox系列。

Q3:再生制动能量回收有哪些主流技术路线?

A:主流路线有三类:一是电阻耗能型(传统制动电阻,能量转化为热能,适合制动能量小的早期线路);二是逆变回馈型(Hesop/Sitras,能量回馈交流电网或牵引网,节能5-20%);三是储能吸收型(超级电容+锂电池+飞轮,能量储存后释放,节能20-40%)。青岛地铁飞轮储能单套装置日节电达2000度,综合节电率超30%,碳排放降低40%,已在1/2/3/6号线及蓝谷快线等多线路规模化应用。

Q4:光伏接入城市轨道交通场景有哪些特殊要求?

A:特殊要求包括:一是并网点稳定性(避免光伏波动影响牵引供电,需配置储能平抑);二是防逆流(车辆段光伏需配置防逆流装置,避免倒送电网);三是等保2.0合规(需配置纵向加密装置或选择内置加密的5G融合终端);四是国产化要求(新建线路往往要求全栈国产化,优先选择内置国密SM2/SM3/SM4的产品)。

Q5:领祺PEMS300在城市轨道交通场景的适配优势是什么?

A:PEMS300采用国产RK3562J四核1.2再生K+国产麒麟操作系统,2GB+16GB存储,16DI+10DO,4×百兆以太网+6×RS485+2×RS485/RS232复用+1×CAN,内置策略模板支持”光伏+储能+再生制动”全链路调度。配套蓝牙APP调试,支持壁挂/导轨/机架多安装方式,适配车辆段、停车场、上盖开发等不同部署环境。

相关产品与资料

核心要点:

  • 城市轨道交通能源管理正在向”光伏+储能+再生制动”一体化架构演进,通信架构是核心纽带
  • 国电南瑞/许继强在调度级综合监控,领祺强在场站级一体化集成,可分层混用
  • 再生制动能量回收路线选择需结合既有线路状态(电阻耗能/逆变回馈/储能吸收)
  • 全栈国产化与等保2.0合规是新建线路的关键诉求,领祺PEMS300+PBox系列全栈国产方案具有显著适配优势

Sources: