地鐵車站能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

沈文杰

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

在節(jié)能減排的大背景下，各種能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)紛紛涌現(xiàn)，實(shí)踐證明，能源管理在企業(yè)中發(fā)揮著重要的基礎(chǔ)保證作用，完善的監(jiān)測(cè)工作是節(jié)能減排的最原始依據(jù)，對(duì)采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行成本核算，對(duì)浪費(fèi)進(jìn)行改正，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。但目前普遍的能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只做到了對(duì)能源進(jìn)行二級(jí)計(jì)量，但二級(jí)計(jì)量方式基本只是對(duì)能源系統(tǒng)總量或局部總量的進(jìn)行計(jì)量，提供的能耗數(shù)據(jù)只是局部區(qū)域、多個(gè)設(shè)備或者某個(gè)時(shí)段的用能數(shù)據(jù)，沒有做到實(shí)時(shí)同步統(tǒng)計(jì)測(cè)量，無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理能源消耗過程，對(duì)于負(fù)載設(shè)備能源消耗過程數(shù)據(jù)缺乏細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，其主要缺陷主要有以下幾點(diǎn)：

1）無法對(duì)末端負(fù)載設(shè)備用能過程細(xì)節(jié)進(jìn)行及時(shí)測(cè)量和效果評(píng)估。

2）用能數(shù)據(jù)無法與效果進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析和比較，無法對(duì)用能過程能耗進(jìn)行分解。

3）能源數(shù)據(jù)精度差，不能據(jù)此來分析整體用能設(shè)備的能耗過程和效率情況。

綜上所述，目前絕大多數(shù)節(jié)能措施缺乏細(xì)節(jié)能耗和相應(yīng)技術(shù)分析比較作為支撐，在節(jié)能措施采取后也缺乏相應(yīng)細(xì)節(jié)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和管理，無法考核所使用的節(jié)能措施是否達(dá)到預(yù)期效果。因此實(shí)現(xiàn)從能源二級(jí)計(jì)量進(jìn)一步提升到末端全負(fù)荷計(jì)量以實(shí)現(xiàn)對(duì)整體設(shè)施和系統(tǒng)的能效監(jiān)測(cè)，成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 能源管理系統(tǒng)組成

能源管理系統(tǒng)（EMS）是一套整體的管理思想和方法，在滿足設(shè)施功能要求的同時(shí)，為了使用能損耗最小，能源所發(fā)揮出的效率最高而對(duì)用能設(shè)備和整個(gè)用能情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、比較與分析的節(jié)能辦法。

在軌道交通快速發(fā)展的今天，對(duì)車站風(fēng)、水、電和其他能源系統(tǒng)的運(yùn)行管理和能效管理控制顯得格外重要，每個(gè)車站都有大量用能設(shè)備，如何合理的管理這些設(shè)備群組，使其用最低的能量發(fā)揮最大的效益，是目前京津冀一體化大背景下地鐵建設(shè)及運(yùn)營過程中爭(zhēng)先探索的首要問題。

能源管理系統(tǒng)包括對(duì)損耗的各種分項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集、能耗過程和狀況的在線監(jiān)測(cè)、能效分析管理、能耗成本分?jǐn)偤挖厔?shì)預(yù)測(cè)，并通過對(duì)耗電設(shè)備及工藝參數(shù)的調(diào)整等，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通用能設(shè)備的整體能耗狀況進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理和節(jié)能改造。

地鐵中用能設(shè)備主要有動(dòng)力（含末端用電、通排風(fēng)、給排水、屏蔽門、AFC等）、照明等各類能源設(shè)施和設(shè)備，通過以太網(wǎng)、光纖等通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的綜合在線監(jiān)測(cè)管理，就構(gòu)成了能源管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循“監(jiān)測(cè)—分析—管控”的思路，依據(jù)分布式采集、統(tǒng)一性分析、電腦監(jiān)視、資源與信息共享的原則，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的集散型管理控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用分層分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，按照功能劃分，從上到下可分成管理應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控層，拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.1 管理應(yīng)用層

能源管理系統(tǒng)的綜合管理工作站及各個(gè)子系統(tǒng)工作站稱為管理應(yīng)用層。能夠提供地鐵中作為分析用能指標(biāo)的管理應(yīng)用模塊，包括能耗分類/分項(xiàng)/分區(qū)域管理、用電設(shè)備分布式管理、能效評(píng)估分析、能源質(zhì)量分析、能耗信息反饋、用能設(shè)備優(yōu)化使用等模塊，這些功能可以靈活組合，可擴(kuò)展、可兼容。同時(shí)，在管理應(yīng)用層可通過以太網(wǎng)與其他高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)如BAS、FAS等系統(tǒng)進(jìn)行銜接，共享數(shù)據(jù)與信息。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

這一層主要將現(xiàn)場(chǎng)采集到的各種設(shè)備狀態(tài)、能耗數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行歸類匯總并分析、處理，按規(guī)則進(jìn)行記錄并緩存，并將數(shù)據(jù)傳送至管理應(yīng)用層。另外還可根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，并生成控制命令，或接收上一層的控制命令下發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)受控設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)遙控功能。網(wǎng)絡(luò)通信層所用的主要設(shè)備有通信子站、面板及各設(shè)備系統(tǒng)的局部主控站等，通信設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將接口預(yù)留好，以滿足后期系統(tǒng)容量不足時(shí)需要擴(kuò)容的需求。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控層

這一層處在能源管理的末端，同時(shí)也是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源。建立一種通用的模塊化的模式，將各種智能儀表安裝在用電設(shè)備上口，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和能耗狀況，采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)，如電壓、電流、功率等，并根據(jù)上層的命令來修改設(shè)備工作方式，多次循環(huán)往復(fù)，尋找到各能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行模式，并予以保持?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控層的設(shè)備主要包括智能儀器儀表，流量計(jì)以及各類傳感器等。

2 地鐵車站的能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在了解能源管理系統(tǒng)的架構(gòu)之后，就需要對(duì)地鐵車站進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)能源管理系統(tǒng)的功能。地鐵車站內(nèi)的能源管理系統(tǒng)組成一般包含一個(gè)工作主站、幾個(gè)分區(qū)子站以及分布式末端子站。

2.1 能源管理系統(tǒng)主站

一般設(shè)置在綜合監(jiān)控室，相當(dāng)于整個(gè)能源系統(tǒng)的大腦。這個(gè)主站內(nèi)需要設(shè)置系統(tǒng)服務(wù)器一套（主/備雙機(jī)系統(tǒng)），應(yīng)用軟件采用EMS系統(tǒng)的專用軟件，對(duì)正常工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和末端用電設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行集中反饋，對(duì)事故的全過程進(jìn)行記錄與分析，對(duì)開關(guān)分合動(dòng)作進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并處理多個(gè)系統(tǒng)或多個(gè)區(qū)域之間的數(shù)據(jù)共享等功能；除此之外還需配置1臺(tái)打印機(jī)，可以將系統(tǒng)軟件生成的各種圖表、圖形、故障分析曲線等打印出來；同時(shí)為保障供電的可靠性，需設(shè)置一臺(tái)UPS設(shè)備，可以保證供電的可靠性；在通信方面，主站可以與下面的各局部操作站以光纖形式相連接。

2.2 分區(qū)操作站

由于地鐵車站規(guī)模較大，尤其是換乘站，只采用一個(gè)主站進(jìn)行管理，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)繁雜，采集計(jì)算量太大，為了便利車站運(yùn)行人員的管理需要，可根據(jù)車站規(guī)模的大小，設(shè)置2～3個(gè)區(qū)域工作站，用來完成對(duì)各個(gè)分區(qū)設(shè)備的能源監(jiān)控與管理。這樣劃區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)并上傳，可避免大量數(shù)據(jù)擁堵，可以提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度和系統(tǒng)識(shí)別的準(zhǔn)確性。

2.3 分布式通信子站

通信子站一般設(shè)置在降壓變電所內(nèi)的高低壓柜以及各個(gè)設(shè)備的配電箱或控制箱附近，向上一層是通過光纖與各區(qū)域子站相連接，向下一層則是通過屏蔽電纜與設(shè)備末端的智能儀表相連接，起到貫通上下的作用，對(duì)于集中采集分布于各處的水系統(tǒng)設(shè)備、配電系統(tǒng)設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)、柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)等的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。

2.4 主干通信數(shù)據(jù)網(wǎng)

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)一般由單模光纖構(gòu)成，從而完成主站、各區(qū)域子站與各末端分布子站間數(shù)據(jù)傳輸。可以使用光纖收發(fā)器來完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)于末端測(cè)控層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)則采用屏蔽雙絞線將末端設(shè)備的損耗信息情況與末端子站相連接，形成末端的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.5 測(cè)控層硬件設(shè)備

測(cè)控層處于各系統(tǒng)的末端設(shè)備，對(duì)末端設(shè)備的負(fù)載能耗信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所涉及到的設(shè)備主要是智能設(shè)備監(jiān)測(cè)模塊，一般采用冗余CPU硬件設(shè)備來適應(yīng)大數(shù)據(jù)庫的在線監(jiān)測(cè)功能，通過總線通信進(jìn)行上傳。

2.6 與各系統(tǒng)的銜接

也是出于節(jié)能的考慮，目前全國各地鐵站大部分都設(shè)計(jì)了光伏發(fā)電系統(tǒng)。能源管理系統(tǒng)可通過通信子站并經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與光伏設(shè)備預(yù)留接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)、電能質(zhì)量、諧波含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳。

地鐵車站內(nèi)暖通空調(diào)專業(yè)設(shè)置了水系統(tǒng)，該系統(tǒng)含有較多的大容量用電設(shè)備，比如冷凍泵、冷卻泵等，能源管理系統(tǒng)在末端設(shè)備子站級(jí)可通過數(shù)據(jù)總線采集水系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)這些大設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)，同時(shí)可上傳至工作主站對(duì)各設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 地鐵車站中能源管理系統(tǒng)的作用

能源管理系統(tǒng)目的在于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的綠色節(jié)能運(yùn)行，在運(yùn)營管理中樹立先進(jìn)的理念，努力降低設(shè)備損耗，提高設(shè)備效能，通過能源管理系統(tǒng)，可以不斷完善其數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化電氣設(shè)備的控制算法，最終為地鐵運(yùn)營管理人員提供更加優(yōu)質(zhì)的能源管理與監(jiān)控平臺(tái)，使得數(shù)量眾多、種類不一的地鐵車站能夠各自節(jié)能減排，匯集到整個(gè)京津冀地區(qū)，能耗降低的總量便是客觀的，為地鐵建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供了有效的基礎(chǔ)和依據(jù)。

3.1 系統(tǒng)具體功能

1）對(duì)高低壓變配電所有回路進(jìn)行實(shí)時(shí)全面的采集數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，變壓器溫度，環(huán)網(wǎng)柜、母聯(lián)柜、低壓柜的開關(guān)狀態(tài)。

2）對(duì)采集到的各類參數(shù)、變壓器負(fù)荷率等進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)對(duì)比、進(jìn)行原因分析，對(duì)重要配電回路的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證整個(gè)供電系統(tǒng)的的可靠性，對(duì)各設(shè)備的安全運(yùn)行提供了一道保障。

3）能夠提供與其他系統(tǒng)如 BAS、FAS等的接口，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

4）結(jié)合地鐵車站的用能特點(diǎn)或生產(chǎn)工藝流程，對(duì)設(shè)備的用能過程進(jìn)行在線分析，及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的能耗改進(jìn)點(diǎn)，并針對(duì)其運(yùn)行工況制定管理控制策略，相互對(duì)比，以達(dá)到最佳運(yùn)行水平。

5）對(duì)重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常運(yùn)行狀態(tài)，并提示進(jìn)行檢修維護(hù)，增加設(shè)備的運(yùn)行壽命，提高系統(tǒng)整體的安全可靠性。

6）對(duì)各項(xiàng)能耗指標(biāo)進(jìn)行分區(qū)、分項(xiàng)、分類統(tǒng)計(jì)，同比、環(huán)比交叉比較，并以柱狀圖（2D/3D）、餅圖、曲線等直觀方式切換顯示。并生成各類分析報(bào)表，便于運(yùn)營管理人員的節(jié)能減排管理工作。

3.2 能效分析

能源管理系統(tǒng)可將實(shí)際用能與計(jì)劃用能進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行能效分析，并可以預(yù)測(cè)在未來一段時(shí)間內(nèi)的用能趨勢(shì)，可以未雨綢繆，提前進(jìn)行安排。首先，對(duì)變壓器、高壓柜、低壓柜、配電箱等處設(shè)置的智能儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)各總表或分表能耗數(shù)據(jù)的差異進(jìn)行分析；其次，通過建立的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算水、電等能源的損失情況，根據(jù)此數(shù)據(jù)計(jì)算能源管理所帶來的經(jīng)濟(jì)效益；再次，對(duì)能源利用情況分別進(jìn)行年、月、日的管理，根據(jù)用能情況分析報(bào)告總結(jié)并發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常點(diǎn)，同時(shí)找出解決方案，形成能效分析報(bào)告，并對(duì)解決方案再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析，經(jīng)過多次循環(huán)，找到最優(yōu)工作點(diǎn)；最后，幫助進(jìn)行用能成本統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營管理人員的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低成本。

3.3 綜合報(bào)表

對(duì)各用能設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)管理者的使用需求，生成系統(tǒng)文件，便于打印和保存?？缮赡?、季、月、日、時(shí)的耗能量、耗能費(fèi)用以及能效匯總情況報(bào)表等。運(yùn)營管理人員可根據(jù)自己的需要自定義各種報(bào)表的形式及內(nèi)容。對(duì)于所發(fā)生事件的記錄、故障報(bào)警等數(shù)據(jù)的報(bào)表，可以設(shè)置成定時(shí)和根據(jù)需要進(jìn)行打印。

3.4 電能質(zhì)量分析

能源管理軟件可以通過對(duì)采集到的參數(shù)以及諧波參數(shù)進(jìn)行電能質(zhì)量的分析，對(duì)波形記錄進(jìn)行與常規(guī)波形比較，分析結(jié)果可用來對(duì)有害的電能因素提出對(duì)策，進(jìn)行整改，以消除對(duì)設(shè)備的損害。并且可以對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警提示，如電網(wǎng)諧波過大、設(shè)備運(yùn)行效率過低、能耗突變等。

3.5 其他功能

還具備其他日常管理的功能，例如：工作票管理，打印操作票、交接班記錄管理以及運(yùn)營記錄管理等，對(duì)設(shè)備的缺陷、運(yùn)行狀態(tài)、維修記錄等均可進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

應(yīng)用軟件具備開放性和兼容性，這樣可保證其他系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)的融合與銜接。

4 對(duì)節(jié)能效果的評(píng)估

通過對(duì)地鐵車站采用能源管理系統(tǒng)，利用系統(tǒng)軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化、量化，對(duì)末端設(shè)備的能耗與能效數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線采集，為地鐵運(yùn)營管理工作提供了有效的能源管理工具和能耗計(jì)量工具，為進(jìn)一步的節(jié)能減排，提高功效提供了應(yīng)用措施，順應(yīng)節(jié)能減排大環(huán)境的要求，為地鐵的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，預(yù)期會(huì)收到良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。首先該系統(tǒng)為地鐵站房提供主要用能設(shè)備的資源管理調(diào)度方案，總體規(guī)劃成本模型、總體節(jié)能減排管理等；其次為分區(qū)管理提供設(shè)備的資源管理調(diào)度、分部分項(xiàng)分區(qū)域的節(jié)能減排管理、對(duì)用電設(shè)備使用的電能進(jìn)行成本考核；再次對(duì)末端設(shè)備的節(jié)能監(jiān)測(cè)、能源審計(jì)、綜合能耗統(tǒng)計(jì)與測(cè)試、進(jìn)行各設(shè)備能量平衡統(tǒng)計(jì)、管理評(píng)價(jià)。下面以空調(diào)能耗、照明能耗和冷熱源能耗為例進(jìn)行分析對(duì)比。

圖2 空調(diào)分時(shí)能耗條形圖

首先對(duì)空調(diào)分時(shí)能耗圖進(jìn)行分析，地下一層以及設(shè)備層的空調(diào)能耗從00∶00到24∶00并沒有較大改變，從23∶00到次日05∶00這段時(shí)間，沒有車輛運(yùn)營，所以部分空調(diào)可以關(guān)畢，同時(shí)在白天采用智能控制系統(tǒng)，把空調(diào)開關(guān)與溫度設(shè)定調(diào)節(jié)至最合理狀態(tài)，估算每天能夠節(jié)電約3000kW·h。

車站中照明節(jié)能也是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，地下一層照明在 23∶00—05∶00非運(yùn)營時(shí)間與白天無太大差別，設(shè)備層照明每天基本固定不變，站臺(tái)照明在夜間一直開啟，通過設(shè)定照明智能系統(tǒng)對(duì)照度以及照明設(shè)備的控制，預(yù)計(jì)每天節(jié)能約為600kW·h。

對(duì)冷熱源能耗情況進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)冷熱源在運(yùn)營時(shí)段的能耗略小于非運(yùn)營時(shí)段的能耗，這說明存在部分不合理能耗，通過能耗智能管理系統(tǒng)，從末端負(fù)荷變化情況出發(fā)，動(dòng)態(tài)的調(diào)整制冷及供熱設(shè)備，可以達(dá)到15%以上的節(jié)能，由于冷熱源系統(tǒng)設(shè)備耗電量大，估算每天節(jié)能約為8000kW·h。

圖3 照明分時(shí)能耗條形圖

5 結(jié)論

目前全國范圍內(nèi)都在積極推進(jìn)節(jié)能減排、提高能效，京津冀一體化帶來的軌道交通建設(shè)運(yùn)營也必然需要適應(yīng)節(jié)能的大潮，實(shí)踐證明，能源管理系統(tǒng)不僅僅可以為地鐵設(shè)備運(yùn)行帶來最直接的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也是大勢(shì)所趨，能帶來良好的社會(huì)效益，作為大型基礎(chǔ)設(shè)施以及大型公共建筑建設(shè)管理，對(duì)能耗要求是必不可少的，京津冀一體化發(fā)展，必然帶來軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，每一座車站都進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，用能管理，這樣匯總起來將是客觀的經(jīng)濟(jì)效益。能源管理系統(tǒng)提供了節(jié)能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及管理方法，在直觀的數(shù)據(jù)以及比較下，校正設(shè)備的運(yùn)行模式，使其按照最經(jīng)濟(jì)合理的方式提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

[1] GB 50189—2005. 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 徐義. 建筑電氣系統(tǒng)綜合節(jié)能[J]. 現(xiàn)代建筑電氣,2010(2): 1-4, 22.

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