城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)研究

董 哲

（中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司，天津 300250）

城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)的研究，是針對城市軌道交通項目特點展開的。作為公眾交通服務(wù)項目，其建設(shè)規(guī)模大，投資高，并且運營成本多，能源消耗大。伴隨我國全社會用電量平穩(wěn)增長，我國的能源消耗總量排名世界第二，但人均能源占有量僅為世界平均水平的40 %。尤其在“雙碳”政策背景下，節(jié)能減排已成為我國能源管理的必然趨勢?；诖?，加大對城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)研究力度，響應(yīng)政府“雙碳”政策，制訂完善的節(jié)能減排戰(zhàn)略計劃，為城市軌道交通智能能源高效利用與科學(xué)管理奠定了基礎(chǔ)。

1 研究背景與意義

《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》指出：加快推進(jìn)綠色低碳發(fā)展，交通領(lǐng)域二氧化碳排放盡早達(dá)峰的要求。北京城市副中心站綜合交通樞紐是《北京城市總體規(guī)劃（2016年—2035年）》中明確的10個全國客運樞紐之一，既是京唐城際近期工程始發(fā)終到站，也是城際鐵路聯(lián)絡(luò)線及其他多條城市軌道交通集中換乘站點，樞紐全日單向客流集散規(guī)模達(dá)到47.1萬人次，軌道交通全日客流量為22.5萬人次，作為用能大戶，綜合交通樞紐（以下簡稱“樞紐”）如何更好地踐行綠色發(fā)展社會責(zé)任，在綠色低碳發(fā)展中起到示范引領(lǐng)作用，是能源管理多年來一直探索前行的方向。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、大數(shù)據(jù)分析及可視化管理等技術(shù)，通過節(jié)能平臺統(tǒng)一集成能源消耗、設(shè)備運行以及環(huán)境等數(shù)據(jù)，綜合判定樞紐用電合理性。對耗能進(jìn)行指標(biāo)化管理，并進(jìn)行節(jié)能分析，實現(xiàn)從“能耗監(jiān)測系統(tǒng)”向“輔助降耗系統(tǒng)”的轉(zhuǎn)變。

2 淺析城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)

城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)的主體是監(jiān)測、分析以及記錄交通運營能耗，軌道交通能耗類型比較多，水能、燃油、冷量、電能等均在監(jiān)測之列。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，對城市軌道交通能耗情況有所了解。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與能耗變化情況，聯(lián)系軌道交通正常運行與發(fā)展需求，及時制訂節(jié)能降耗計劃，為城市軌道交通能源有效管理提供依據(jù)。城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用，在很大程度上降低城市軌道交通運行與能源成本，充分利用城市軌道交通能源，科學(xué)抑制交通能源管理中的浪費現(xiàn)象，提高城市軌道交通能源管理水平。城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化，借助在線計量能源、能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、節(jié)能控制、監(jiān)測能源質(zhì)量等技術(shù)，客觀分析城市軌道交通能源節(jié)能潛力，科學(xué)管理能耗數(shù)據(jù)，及時驗證能源降耗效果。目前城市軌道交通能源管理系統(tǒng)，包括能耗定額、能耗監(jiān)督、能耗控制、能耗考核等。

3 城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)研究必要性

城市軌道交通消耗能源體量巨大，前端采集的海量數(shù)據(jù)很難通過人工方式分析其合理性；設(shè)備系統(tǒng)類型多、方案復(fù)雜、運行模式復(fù)雜，很難判斷設(shè)備運行狀況是否在最佳節(jié)能工況等。目前運營單位能源管理系統(tǒng)在節(jié)能管理方面存在以下問題。

3.1 缺少科學(xué)的指標(biāo)評估功能

城市軌道交通運營后，隨設(shè)備運營期增加，自控系統(tǒng)故障或設(shè)備維護(hù)原因造成設(shè)備能效降低。內(nèi)部耗能設(shè)備極其復(fù)雜，很難對耗能狀態(tài)合理性進(jìn)行直觀的分析。通過綜合交通樞紐節(jié)能降碳分析平臺（以下簡稱“節(jié)能平臺”）提供的大數(shù)據(jù)分析功能，及時掌握樞紐各類能耗指標(biāo)，綜合判斷用城市軌道交通能消耗是否在合理指標(biāo)范圍內(nèi)。

3.2 用能異常情況很難在第一時間發(fā)覺

如果設(shè)備能源消耗在不正常區(qū)間，往往伴隨設(shè)備故障、帶病運行等情況。通過節(jié)能平臺內(nèi)置專家分析規(guī)則庫能夠及時對異常能耗進(jìn)行預(yù)警，節(jié)約能耗的同時提高設(shè)備運行效率。

3.3 能源數(shù)據(jù)分析，缺少多維度數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)能耗統(tǒng)計方式，因數(shù)據(jù)量大，統(tǒng)計工作復(fù)雜，往往不重視過程數(shù)據(jù)分析。通過節(jié)能平臺能夠?qū)崿F(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的全過程管理，形成歷史能源消耗統(tǒng)計曲線。同時可與環(huán)境、客流、設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性分析，打破以往數(shù)據(jù)壁壘，充分挖掘節(jié)能潛力。

3.4 缺少碳排放監(jiān)督功能

樞紐采取多項節(jié)能措施，對于降碳是否達(dá)標(biāo)及是否存在降碳空間無法進(jìn)行量化及考核。

4 城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)研究關(guān)鍵點

4.1 多維數(shù)據(jù)分析輔助節(jié)能運行控制研究

城市軌道交通內(nèi)高耗能機電設(shè)備眾多，且均設(shè)置低壓控制設(shè)備，按照節(jié)能模式聯(lián)動運行。對于部分不易進(jìn)行評估的指標(biāo)，能源管理平臺通過與機電設(shè)備進(jìn)行對接，實時監(jiān)視設(shè)備運行狀態(tài)，分析節(jié)能策略執(zhí)行情況，防止因人為操作失誤或設(shè)備執(zhí)行錯誤造成能源浪費。

4.2 能耗數(shù)據(jù)指標(biāo)化方案研究

能效指標(biāo)是反映城市軌道交通能耗水平及節(jié)能執(zhí)行情況的重要依據(jù)，通過能源管理平臺獲取的設(shè)備運行屬于及前端傳感器數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r計算出能效指標(biāo)。指標(biāo)應(yīng)采取分層設(shè)置方案，包含城市軌道交通綜合能效指標(biāo)、系統(tǒng)能效指標(biāo)、子系統(tǒng)能效指標(biāo)以及設(shè)備能效指標(biāo)。

4.3 能耗趨勢分析方案研究

通過節(jié)能平臺對能耗趨勢進(jìn)行實時監(jiān)督，量化節(jié)能指標(biāo)。通過對能耗數(shù)據(jù)的不斷積累，結(jié)合設(shè)備運行情況及時發(fā)現(xiàn)節(jié)能空間。運用可視化技術(shù)，融合數(shù)據(jù)集成、可視化與實時交互為一體，將圖形與實時數(shù)據(jù)流進(jìn)行統(tǒng)一整合，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與圖形信息的聯(lián)動。

4.4 能耗分析規(guī)則及決策方案研究

打通系統(tǒng)內(nèi)各個功能模塊，精準(zhǔn)識別各類高耗能場景，設(shè)置適合樞紐重點機電設(shè)備的分析規(guī)則，實現(xiàn)精準(zhǔn)告警。

4.5 降碳分析研究

科學(xué)預(yù)測計算城市軌道交通運行期碳排放量，制定城市軌道交通年度、月度碳排放計劃，分析制定降碳目標(biāo)和降碳策略，并對降碳工作進(jìn)行績效評價。

5 城市軌道交通能源系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

5.1 對城市軌道交通能源系統(tǒng)準(zhǔn)確定位

城市軌道交通能源系統(tǒng)研究中，根據(jù)上述多方面的分析，及時積累應(yīng)用經(jīng)驗，對城市軌道交通能源系統(tǒng)準(zhǔn)確定位，在此基礎(chǔ)上，精準(zhǔn)優(yōu)化系統(tǒng)。城市軌道交通能源系統(tǒng)的應(yīng)用，監(jiān)測能源消耗是主要目的，消耗的核心為電能，其次涉及水、氣消耗，打造更完整、多功能的軌道交通能源管理系統(tǒng)，準(zhǔn)確定位的同時，充分發(fā)揮出城市軌道交通能源系統(tǒng)的節(jié)能管理作用。特別是節(jié)能反饋控制方面，搭配能源管理系統(tǒng)中的管理功能，對城市軌道運行期間的各種機電設(shè)備等進(jìn)行監(jiān)督控制，并且展開節(jié)能化調(diào)控，以此為城市軌道交通能源系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

5.2 城市軌道交通能源系統(tǒng)智慧化設(shè)計

城市軌道交通能源系統(tǒng)智能化設(shè)計內(nèi)容眾多，此次研究主要以機電系統(tǒng)為中心展開，具體涉及以下幾方面。

5.2.1 風(fēng)水智能控制系統(tǒng)的能源管控

系統(tǒng)功能為完成車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)水的協(xié)調(diào)耦合控制，將通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備處在高效區(qū)，降低系統(tǒng)運行能耗。圖1為風(fēng)水控制系統(tǒng)運行能耗梳理圖。結(jié)合圖1了解風(fēng)水智能控制系統(tǒng)因素關(guān)系。

圖1 風(fēng)水控制系統(tǒng)運行能耗梳理圖

機電能源管控及運維系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信可與控制層進(jìn)行連接，負(fù)責(zé)整個受控通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（大系統(tǒng)和水系統(tǒng)）的集中監(jiān)視、控制和管理，并完成車站兩端通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)、小系統(tǒng)與水系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制。能源管控系統(tǒng)的優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計包括智慧運維系統(tǒng)服務(wù)器、節(jié)能優(yōu)化控制柜、云能效、移動運維、AI大屏展示、以太網(wǎng)總線、冷源機房節(jié)能控制柜、多端大系統(tǒng)節(jié)能控制柜等?？刂葡到y(tǒng)中的水系統(tǒng)，2臺冷水主機，2臺冷凍水泵，2臺冷卻水泵，2臺冷卻塔，8 個電動蝶閥，1 個壓差旁通閥12 個溫度傳感器，1個壓差傳感器，2個流量計，1個室外溫濕度傳感器。具體實施方案見圖2。

圖2 水系統(tǒng)冷源機房節(jié)能控制柜能源控制圖

控制系統(tǒng)的大系統(tǒng)包括2臺組合式空調(diào)，2臺回排風(fēng)機，2個表冷器比例積分閥，10組電動風(fēng)閥16個溫濕度傳感器，4個水溫傳感器，4個壓力傳感器，8個CO2傳感器。圖3為大系統(tǒng)節(jié)能控制柜能源控制圖。

圖3 大系統(tǒng)節(jié)能控制柜能源控制圖

節(jié)能控制優(yōu)化方案：優(yōu)化冷凍水溫；部分負(fù)荷下，適當(dāng)提高冷凍水溫，提高主機COP；末端選型優(yōu)化，適應(yīng)冷凍水變溫供水；風(fēng)水聯(lián)動控制，保證用冷需求同時能耗最低。盡量降低冷卻水溫，提高主機COP；冷卻塔選型優(yōu)化，降低冷卻水逼近度；智能尋優(yōu)控制，用最小功率獲得較低冷卻水溫。風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能控制技術(shù)消除了空調(diào)控制的孤島，根據(jù)空調(diào)運行狀況預(yù)測負(fù)荷變化趨勢，并同步調(diào)節(jié)空調(diào)末端的風(fēng)量、冷源系統(tǒng)的冷凍水流量及冷水機組的負(fù)荷，降低系統(tǒng)的綜合能耗，減小系統(tǒng)的控制波動。

5.2.2 智能照明系統(tǒng)的能源管控

智能照明控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的智能總線控制管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)對公共區(qū)域照明的智能控制和集中管理；具有靈活多樣的控制模式，如集中監(jiān)控，現(xiàn)場控制、定時控制、調(diào)光控制和場景控制等。系統(tǒng)架構(gòu)如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：系統(tǒng)電源、網(wǎng)關(guān)、總線、各種接口模塊等。

（2）輸入設(shè)備：可編程的多功能（開/關(guān)、調(diào)光等）輸入開關(guān)、各種型式及多功能的控制板、各種功能傳感器。

（3）輸出設(shè)備：各種型號的繼電器、調(diào)光模塊等。

在高架車站公共區(qū)照明配電箱內(nèi)設(shè)置調(diào)光模塊（或開關(guān)模塊），在站廳、站臺及室外適當(dāng)位置設(shè)置光線感應(yīng)器，根據(jù)需求在照明配電室設(shè)置操作面板，通過總線接入智慧運維系統(tǒng)。

5.2.3 智能監(jiān)測儀表的能源管控

隨著GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的實施，消防給水系統(tǒng)設(shè)置自動啟泵功能，若管道破損或栓口漏水會導(dǎo)致消防水泵的誤啟動，進(jìn)一步加大管道漏損量，并威脅整個管道系統(tǒng)的安全性，對于區(qū)間管道，更是影響行車安全，及時有效監(jiān)測區(qū)間消防管網(wǎng)壓力。機電智慧運維平臺通過BAS 負(fù)責(zé)整個儀表的數(shù)據(jù)采集及分析，提供區(qū)間消防管網(wǎng)故障報警信息。設(shè)置壓力傳感器+水流指示器的方式，確定漏損管段，通過BAS 系統(tǒng)發(fā)送報警信號至車控室，由管理人員遠(yuǎn)程停止水泵或關(guān)斷水管閥門等緊急操作。

6 結(jié)束語

通過對城市軌道交通智能能源系統(tǒng)的研究可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代化城市交通發(fā)展下，智能化水平明顯提高。將智能化技術(shù)與能源控制結(jié)合，制定更完善的節(jié)能降耗方案，有效改善城市軌道交通智能能源消耗大的難點，科學(xué)應(yīng)對能源管理高要求。不僅如此，以智能能源系統(tǒng)，提高城市軌道交通能源管理信息化水平，明確能源管控關(guān)鍵點，在此基礎(chǔ)上，取得理想的能源管控效果，充分發(fā)揮出能源在城市軌道交通中的效能。