地鐵智慧能源管理控制平臺研究

鄧欣辰

摘要 隨著地鐵行業(yè)在全國大范圍的發(fā)展，地鐵運(yùn)維中的節(jié)能降耗也成了一個重要課題。文章通過分析地鐵能源管理方面的現(xiàn)狀和需求，提出智慧能源管理控制平臺的建設(shè)目標(biāo)，對包括系統(tǒng)監(jiān)測、指標(biāo)管理及節(jié)能調(diào)控在內(nèi)的核心業(yè)務(wù)功能進(jìn)行概括;研究系統(tǒng)邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)，從通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況和風(fēng)水聯(lián)動控制策略兩方面著重剖析空調(diào)節(jié)能調(diào)節(jié)方案。

關(guān)鍵詞 地鐵;能源管理控制;通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng);風(fēng)水聯(lián)動

中圖分類號 U231.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2022）10-0004-03

0 引言

2021年12月“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案印發(fā)，國家對節(jié)能的整體工作要求進(jìn)一步明確。到2025年，能源消費(fèi)總量得到合理控制，節(jié)能減排政策機(jī)制更加健全，重點(diǎn)行業(yè)能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本達(dá)到國際先進(jìn)水平。

根據(jù)國內(nèi)已建成軌道交通線路運(yùn)營經(jīng)驗，一條20 km長的地鐵線路一年的用電量約為0.6～1億kW·h[1]，電費(fèi)占到城市軌道交通運(yùn)營費(fèi)用的50%，其中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)占總能耗的30%～45%[2]，單站年能耗約90～140萬 kW·h。隨著全國各地地鐵運(yùn)營里程的增長，地鐵節(jié)能將是未來 “十四五”節(jié)能減排規(guī)劃達(dá)標(biāo)的重要方向。

1 需求分析

1.1 地鐵能源管理的現(xiàn)狀

目前地鐵工程設(shè)有綜合監(jiān)控系統(tǒng)和環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，側(cè)重于系統(tǒng)與設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控和報警功能，對能耗統(tǒng)計方面關(guān)注不足，用能計量顆粒度較粗。在節(jié)能方面，采取根據(jù)乘客、站務(wù)反饋被動調(diào)整運(yùn)行模式，負(fù)荷變化響應(yīng)不及時，調(diào)節(jié)滯后時間長。在系統(tǒng)性能方面，環(huán)境目標(biāo)溫度控制不穩(wěn)定，風(fēng)水調(diào)節(jié)不聯(lián)動，冷機(jī)冷凝負(fù)荷高效率低，供水溫度保持唯一設(shè)定值，制冷效率低。

1.2 建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)目前地鐵相關(guān)系統(tǒng)在能源管理方面所存在的問題，該次研究計劃構(gòu)建一個智慧能源管理控制平臺，全方面對地鐵車站用能進(jìn)行管控。該系統(tǒng)可以利用平臺軟件協(xié)助制定、跟蹤能耗定額管理、能耗計劃、量化能耗目標(biāo)。

通過數(shù)據(jù)分析給平臺賦能，采用人工智能算法分析能耗數(shù)據(jù)、挖掘節(jié)能空間，對有能源效率提升空間的環(huán)節(jié)進(jìn)行節(jié)能改造，進(jìn)一步提升能源利用率。從多維度評價用能管理及節(jié)能改進(jìn)措施效果，形成綜合報表。為能耗管理體系建設(shè)、能耗情況匯報提供數(shù)據(jù)支撐。

2 業(yè)務(wù)功能

2.1 系統(tǒng)監(jiān)測功能

系統(tǒng)監(jiān)測功能包括能耗監(jiān)測和設(shè)備監(jiān)測兩部分。能耗監(jiān)測功能通過針對性設(shè)置的電表、水表對各電力回路、水路能耗實(shí)時監(jiān)測。采用回路工藝圖方式呈現(xiàn)，與實(shí)際工藝流程相符。設(shè)備監(jiān)測功能可滿足對系統(tǒng)內(nèi)智能表計、通信管理機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)測，展示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)成故障快速定位、排查。

2.2 指標(biāo)管理功能

通過對能源供需現(xiàn)狀的調(diào)查分析，結(jié)合行業(yè)的一般標(biāo)準(zhǔn)，做出時間、空間尺度上的能源需求預(yù)測，制定能耗規(guī)劃。利用監(jiān)測功能獲取的能耗數(shù)據(jù)，分戶、分項、分時統(tǒng)計能耗概況，結(jié)合能耗規(guī)劃及生產(chǎn)工藝流程的能耗時段特征，挖掘規(guī)律并查找異常能耗情況。根據(jù)指標(biāo)特征給出綜合能耗指標(biāo)評價。其中一級指標(biāo)用于統(tǒng)籌、制定節(jié)能目標(biāo)，評判整體能耗;二級指標(biāo)用于規(guī)劃節(jié)能重點(diǎn)，用系統(tǒng)能效、單位面積空調(diào)能耗等指標(biāo)合理量化能耗考評;三級指標(biāo)用于定位問題，包括機(jī)房COP、機(jī)組COP、冷凍輸送系數(shù)，指導(dǎo)做出針對性調(diào)整。

系統(tǒng)同時具備移動端遠(yuǎn)程查看功能，方便用戶隨時掌握能耗情況。

2.3 負(fù)荷預(yù)測及節(jié)能調(diào)控功能

對室內(nèi)外溫濕度、送風(fēng)溫濕度、回風(fēng)溫濕度、室內(nèi)CO₂濃度/客流、實(shí)時負(fù)荷/制冷量等參數(shù)進(jìn)行不間斷監(jiān)測、分析。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷預(yù)測算法，通過對制冷量、散熱量、末端的全局控制，實(shí)現(xiàn)修正反饋機(jī)制，改善控制滯后，減少系統(tǒng)振蕩。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 平臺邏輯架構(gòu)

智慧能源管理控制平臺從邏輯上由感知層、平臺層和應(yīng)用層組成。

感知層是平臺的數(shù)據(jù)采集及控制層面，通過Modbus、CIP、DLT645、Http等協(xié)議與智能儀表、互聯(lián)系統(tǒng)、被控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。采集能耗數(shù)據(jù)，感知周邊環(huán)境，完成與其他相關(guān)系統(tǒng)如PSCADA、BAS、綜合監(jiān)控的數(shù)據(jù)共享及與被控設(shè)備的控制接口功能。

平臺層為智慧能源控制系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)支撐功能，包括數(shù)據(jù)處理模塊、監(jiān)控模塊、可視化模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人工智能算法庫模塊。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)篩選、異常告警、數(shù)據(jù)分發(fā)功能;監(jiān)控模塊滿足狀態(tài)獲取、控制下發(fā)、組態(tài)分布功能;可視化模塊實(shí)現(xiàn)Web訪問，圖表展示，矢量SVG，3D地圖;數(shù)據(jù)存儲模塊完成實(shí)時數(shù)據(jù)收集，歷史數(shù)據(jù)歸類存儲;人工智能算法庫模塊提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)局預(yù)測、機(jī)器學(xué)習(xí)、系統(tǒng)建模等的預(yù)置算法。

應(yīng)用層部署平臺所特有的各類應(yīng)用，利用感知層的數(shù)據(jù)通信和接口控制功能，基于平臺層的數(shù)據(jù)支撐功能，滿足了能耗統(tǒng)計分析、智能節(jié)能調(diào)控、能耗指標(biāo)管理、數(shù)據(jù)異常報警、AI負(fù)荷預(yù)測、信息多平臺發(fā)布、運(yùn)維輔助決策、設(shè)備在線監(jiān)測和能源費(fèi)用結(jié)算等功能。

3.2 平臺物理架構(gòu)

目前國內(nèi)地鐵工程大多設(shè)置有綜合監(jiān)控系統(tǒng)和環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS），對車站內(nèi)環(huán)境信息的采集、各類機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控，各子系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)管理。該研究基于目前國內(nèi)地鐵建設(shè)的通常做法，構(gòu)建地鐵智慧能源管理控制平臺，兼顧既有系統(tǒng)架構(gòu)和新型功能需求，同時適應(yīng)于改造工程和新建工程。

智慧能源管理控制平臺采用“中心級—車站級”的二層結(jié)構(gòu)。能源管理中心平行于綜合監(jiān)控中心級系統(tǒng)，構(gòu)成中心級;車站級節(jié)能系統(tǒng)連同車站級BAS系統(tǒng)、采集設(shè)備及被控設(shè)備組成車站級系統(tǒng)。其物理架構(gòu)圖見圖1所示。

中心級是智慧能源管理控制平臺的核心級系統(tǒng)設(shè)備，是信息接入、抽取、清洗、存儲、挖掘的數(shù)據(jù)中心，也是針對全線能源管理的人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用平臺。中心級各服務(wù)模塊分別與車站級設(shè)備信息和數(shù)據(jù)服務(wù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，接入相應(yīng)外部系統(tǒng)（綜合監(jiān)控系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)、TCMS系統(tǒng)等），通過安全防護(hù)等措施，與其他相關(guān)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，信息可及時同步至中心級的服務(wù)集群（應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器）進(jìn)行集中管理。DA0610A4-C261-406D-B037-F0FBC0ECBDE8

車站級系統(tǒng)包括節(jié)能系統(tǒng)車站交換機(jī)、節(jié)能工作站、節(jié)能PLC[3]。車站級是設(shè)備信息采集、設(shè)備運(yùn)用、設(shè)備執(zhí)行控制的源頭，通過和環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的互聯(lián)，采集各表計、傳感器、設(shè)備上傳的信息。利用內(nèi)置于節(jié)能PLC內(nèi)的節(jié)能算法，有效完成該站負(fù)荷預(yù)測及節(jié)能調(diào)控功能。

4 關(guān)鍵技術(shù)——空調(diào)節(jié)能調(diào)控方案

在地鐵車站這種大型地下建筑的節(jié)能調(diào)控策略中，“供求平衡”是最根本的原則。即在地鐵車站內(nèi)環(huán)境指標(biāo)維持在焓值目標(biāo)的情況下，盡量減少不必要的能量消耗。

考慮到地鐵車站目前大多采用全封閉式屏蔽門，沒有列車進(jìn)出站帶來的活塞風(fēng)。地鐵車站與外界環(huán)境的熱交換僅來自出入口，車站內(nèi)的發(fā)熱量主要來自乘客、工作人員及設(shè)備散熱，模型相對簡潔。

4.1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況

在實(shí)際地鐵正常運(yùn)營中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要包括兩種工況：空調(diào)季節(jié)工況和非空調(diào)季節(jié)工況。

非空調(diào)季節(jié)時空調(diào)水系統(tǒng)停止運(yùn)行，冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等設(shè)備關(guān)停，室外環(huán)境焓值低于焓值控制預(yù)設(shè)值。對于車站公共區(qū)，空調(diào)大系統(tǒng)采用新風(fēng)模式，室外空氣送入室內(nèi)，室內(nèi)余溫余濕排出。對于設(shè)備辦公區(qū)，空調(diào)小系統(tǒng)開啟VRV多聯(lián)機(jī)，根據(jù)房屋性質(zhì)及空調(diào)需求的不同，調(diào)節(jié)每個房間不同的新風(fēng)量，提供相應(yīng)冷源、熱源。

智能節(jié)能調(diào)控功能應(yīng)用潛力主要在空調(diào)季節(jié)。根據(jù)室外焓值與回風(fēng)焓值的相對關(guān)系，空調(diào)季節(jié)工況又分為空調(diào)季節(jié)全新風(fēng)工況和空調(diào)季節(jié)小新風(fēng)工況。全新風(fēng)工況發(fā)生于換季時候的過渡季節(jié)，溫濕度適宜，室外溫濕度小于或等于回風(fēng)溫濕度。為了防止浪費(fèi)，降低能耗，空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉回風(fēng)閥，打開新風(fēng)閥，采用全新風(fēng)模式，引入室外空氣，流過表面冷卻器金屬管道外壁進(jìn)行熱交換，達(dá)到降溫除濕的目標(biāo)[4]。小新風(fēng)工況則發(fā)生于室外溫濕度大于回風(fēng)溫濕度時。此時，空調(diào)系統(tǒng)工作原則是盡量隔絕室內(nèi)外空氣，避免室外空氣對流，造成能耗增加。系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)二氧化碳濃度、室外溫濕度、回風(fēng)溫濕度等參數(shù)，智能調(diào)節(jié)新風(fēng)閥和回風(fēng)閥開度，把控新風(fēng)量與回風(fēng)量。同時調(diào)節(jié)電動二通閥開度，調(diào)節(jié)表面冷卻器內(nèi)冷凍水的水量[5]。

4.2 風(fēng)水聯(lián)動控制策略

地鐵通風(fēng)空調(diào)的風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)在運(yùn)行中相互依賴，相互影響，相互制約，具有很強(qiáng)的耦合性。傳統(tǒng)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，大多由環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)置的工藝控制計劃進(jìn)行固定的控制[4]。在空調(diào)季節(jié)，造成車站制冷量大于車站實(shí)際需求的冷量，長期浪費(fèi)能源。同時，水系統(tǒng)沒有考慮變頻需求，采用工頻工作模式，工作狀態(tài)遠(yuǎn)離最佳工作點(diǎn)，導(dǎo)致進(jìn)一步的低效。因此，優(yōu)化原本相對獨(dú)立的環(huán)控風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)的節(jié)能控制策略，引入風(fēng)水聯(lián)動策略，可大大提升通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率。風(fēng)系統(tǒng)中的空調(diào)機(jī)組、小新風(fēng)機(jī)和回排風(fēng)機(jī)，水系統(tǒng)的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔均需要采用變頻運(yùn)行，是風(fēng)水聯(lián)動的前提[6]。

空調(diào)節(jié)能控制策略主要包括風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、風(fēng)水協(xié)調(diào)、冷凍水系統(tǒng)調(diào)節(jié)、冷卻水系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

（1）風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)。因為地鐵車站地下空間大，作為調(diào)節(jié)空間環(huán)境參數(shù)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在控制響應(yīng)方面具有很明顯的大滯后性。采用實(shí)時數(shù)據(jù)，結(jié)合客流數(shù)據(jù)、車站二氧化碳濃度，按照每天不同時段，以調(diào)控周期為單位對公共區(qū)冷量需求進(jìn)行預(yù)測，并以此為依據(jù)觸發(fā)送/回風(fēng)機(jī)控制環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)工作頻率。對風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行更有效的調(diào)節(jié)，減少系統(tǒng)振蕩。

（2）風(fēng)水協(xié)調(diào)。當(dāng)送風(fēng)溫度偏離預(yù)設(shè)值時，風(fēng)水協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)被觸發(fā)。系統(tǒng)根據(jù)按需分配的原則自動調(diào)節(jié)水系統(tǒng)各水閥的開度，使送風(fēng)溫度回歸預(yù)設(shè)值[7]。

（3）冷凍水系統(tǒng)調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)的總供冷量偏離預(yù)期值時，觸發(fā)冷凍水控制環(huán)節(jié)。系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷預(yù)測模型調(diào)節(jié)冷凍水泵的工作頻率，改變總冷量的供給，使其滿足預(yù)期需求[7]。

（4）冷卻水系統(tǒng)調(diào)節(jié)。在空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行中，隨著溫度、濕度的變化，系統(tǒng)最佳工作點(diǎn)也會隨之改變。節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)智能節(jié)能優(yōu)化算法，找到通風(fēng)空調(diào)冷卻水系統(tǒng)效率最高的最佳工作點(diǎn)，計算最佳冷卻溫度，改變冷卻水流量，使冷卻泵、冷水機(jī)組、冷卻塔的效率最高。

5 結(jié)論

在地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展和節(jié)能減排需求背景下，該文所提出的地鐵智慧能源管理控制平臺充分兼顧傳統(tǒng)地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，同時適用于新建地鐵工程和地鐵改造工程，具有建設(shè)指導(dǎo)意義和廣泛應(yīng)用前景。智慧能源管理控制平臺整合地鐵主要的能耗用戶數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行全面的采集、統(tǒng)計、分析、展示。針對能耗大戶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，利用平臺提供的大量數(shù)據(jù)和智能算法，挖掘節(jié)能潛力，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的節(jié)能降耗。在提高地鐵設(shè)備發(fā)展和運(yùn)維水平的同時，也將取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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