城市軌道交通車站智慧能耗管理系統(tǒng)研究

周 超，張 銘，趙俊華，王越彤，韓佩瑤

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

1 背景

隨著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的擴大，其能源消耗也日益增加[1-2]。車站作為城市軌道交通系統(tǒng)的“最小單元”，能耗管理效應(yīng)的發(fā)揮主要從“車站”入手。同時，為助推國家雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)實施，文章結(jié)合《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[3]及應(yīng)用需求，以能耗管理智能化為主線，研究節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)，搭建車站能耗管理系統(tǒng)[4-5]。

通常情況下，車站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)（大系統(tǒng)和空調(diào)水系統(tǒng)）能耗占整個車站常規(guī)用電的50%以上，尤其在制冷季節(jié)，甚至達到60%～80%。在前期設(shè)計階段，空調(diào)系統(tǒng)均需要按照城市軌道交通運營的最大負荷進行設(shè)計，并預(yù)留一定的余量。而在實際運營過程中，空調(diào)系統(tǒng)運行在較大負荷水平的時間占比通常不到全部時間的20%，采用常規(guī)控制策略存在較大的能源浪費[6-8]。傳統(tǒng)的能耗統(tǒng)計管理方法無法實現(xiàn)車站電梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、環(huán)控設(shè)備、屏蔽門系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、消防設(shè)備等的用電量檢測以及車站主供水管路、衛(wèi)生間供水管路及冷卻塔供水管路等的用水量檢測。近年來，各地城市軌道交通運營企業(yè)開展了各類節(jié)能技術(shù)的產(chǎn)品應(yīng)用，如變頻空調(diào)技術(shù)、LED照明技術(shù)、空調(diào)溫度智能調(diào)節(jié)技術(shù)、高頻輔逆技術(shù)、空氣凈化技術(shù)、中壓能饋設(shè)備等，以此達到節(jié)能降耗的目的。部分車站在現(xiàn)場加裝智能電表和水表，通過遠程通信實現(xiàn)與能耗管理系統(tǒng)后臺的對接，并對車站內(nèi)用電、用水量進行統(tǒng)計分析，以輔助實現(xiàn)節(jié)能控制[9-11]。這些舉措雖然提高了車站對各專業(yè)能源使用的監(jiān)視效率，但各專業(yè)能耗管理相對分散、獨立，尚未深入開展對各專業(yè)的綜合能耗管控研究，車站能源消耗的智能化分析和精準管理水平仍存在不足。因此，本文將深入分析車站能耗研究現(xiàn)狀，研究城市軌道交通能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)及針對性的能耗管理策略，實現(xiàn)對車站水、氣、電、熱等多種的綜合分析，在提升車站智慧化水平的同時實現(xiàn)車站節(jié)能增效。

2 車站能耗現(xiàn)狀分析

2.1 高效能耗管理需求

城市軌道交通車站內(nèi)傳統(tǒng)的能耗統(tǒng)計管理存在周期長，風(fēng)水系統(tǒng)無智能化聯(lián)動，電表、水表出現(xiàn)故障時不能及時發(fā)現(xiàn)和處理等缺陷與不足，影響車站運營安全。在人工抄表情況下存在人工出錯、數(shù)據(jù)重復(fù)統(tǒng)計修正、無法實時統(tǒng)計、上報數(shù)據(jù)的情況，造成人力物力資源浪費。冷卻水與風(fēng)機目前為定時任務(wù)模式，存在能耗進一步優(yōu)化空間。因此，迫切需要一套智慧能耗管理系統(tǒng)，實現(xiàn)各類能源的節(jié)能管理與管控，對風(fēng)、水、電及其他能源消耗進行實時監(jiān)控，對能源消耗規(guī)律及趨勢進行分析并提供數(shù)據(jù)支撐，以制定科學(xué)合理的節(jié)能策略。

2.2 站點環(huán)境特點分析

（1）站內(nèi)熱源常年存在。城市軌道交通地下建筑受室外氣象條件影響較小，而地下車站內(nèi)部存在顯著的內(nèi)熱源，具有較大的熱源屬性，常年的冷負荷較高。

（2）空調(diào)負荷波動較大。車站空調(diào)通風(fēng)負荷的設(shè)計標(biāo)準通常長達20～30年。隨著城市發(fā)展、沿線人口增長、換乘站點增多后，客流量將出現(xiàn)顯著變化，最初的空調(diào)負荷設(shè)計和控制方案往往隨著運營時間的推移而日趨不合理。同時，車站空調(diào)負荷也具有周期性變化和突發(fā)波動并存的特性。采用定流量、定風(fēng)量的控制策略不合理，并且易造成一定的能耗浪費。

（3）通風(fēng)要求高。高峰時段車站內(nèi)高度密集的人群會釋放出大量的異味和二氧化碳。由于車站作為長期固定建筑，因地層的蓄熱作用，自運營初期起城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部的溫度會逐年升高。若未能及時排出熱量，會增大城市軌道交通系統(tǒng)的遠期熱負荷，增加空調(diào)系統(tǒng)能耗。

2.3 現(xiàn)有控制技術(shù)缺陷

（1）冷源系統(tǒng)運行與風(fēng)系統(tǒng)舒適度脫節(jié)。站內(nèi)不同區(qū)域?qū)照{(diào)的需求量各不相同，而且隨著人流量、季節(jié)、天氣、時間等因素的變化，空調(diào)的負荷需求也動態(tài)變化。常規(guī)的冷源群控系統(tǒng)與風(fēng)控系統(tǒng)一般獨立設(shè)計、獨立運行，水系統(tǒng)與風(fēng)系統(tǒng)的運行信息沒有互通互聯(lián)。供應(yīng)側(cè)的運行無法參考需求側(cè)的信息，系統(tǒng)一定程度上處于“盲控”狀態(tài)，人工或常規(guī)的群控策略不可避免地造成冷/熱量的過供應(yīng)，造成一定能源浪費，末端服務(wù)質(zhì)量也難以持續(xù)保證。

（2）未采用有效的變流量控制。暖通水系統(tǒng)設(shè)計通常是針對設(shè)計日工況（即末端負荷最大的工況）進行系統(tǒng)管路和動力設(shè)備的選型配置。而設(shè)計日工況的運行時間，在空調(diào)系統(tǒng)全年運行的時間占比不到20%，大部分時段系統(tǒng)都處于部分負荷，系統(tǒng)水流量有較大富余，存在一定的能源浪費。此外，當(dāng)前一次泵和冷卻水泵以工頻方式運行也存在大量能源耗費。即使采用基于壓差的變頻控制策略，也僅考慮到管路壓力信息，沒有考慮末端負荷需求情況，水泵的頻率控制存在一定盲目性。

（3）系統(tǒng)工況復(fù)雜，節(jié)能難度高。站內(nèi)風(fēng)水系統(tǒng)涉及冷主機、冷凍循環(huán)泵、冷卻循環(huán)泵、冷卻塔以及多臺風(fēng)機設(shè)備，實際運行環(huán)境下的設(shè)備運行組合表現(xiàn)為空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗。常規(guī)的群控系統(tǒng)不能實時提供所需的決策支持信息，實際運行過程中也未對上述信息進行粗略匯總。因此，有必要采用更加智能的風(fēng)水聯(lián)動智能控制單元，全時段、全自動地對空調(diào)系統(tǒng)運行進行優(yōu)化。

（4）設(shè)備運行維護缺乏決策支持系統(tǒng)。車站空調(diào)系統(tǒng)每年的設(shè)備維保費用超過年能耗成本的10%，設(shè)備維保直接關(guān)系到系統(tǒng)的能效水平和穩(wěn)定運行。對于冷水主機、組合式空調(diào)箱等設(shè)備，投資大且維護成本高，沒有制定相應(yīng)的設(shè)備維保策略。因此，有必要通過性能檢測跟蹤技術(shù)，實時檢測設(shè)備性能變化，對異常的性能衰減給出提示信息并針對性給出維護建議。

綜上所述，城市軌道交通車站的能源種類繁多，包括水、電、氣、太陽能等，因其大面積、多專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計、現(xiàn)代化的高標(biāo)準服務(wù)要求，車站內(nèi)設(shè)施耗能不斷增加。此外，由于城市軌道交通車站地下空間居多，水、電、氣等各個系統(tǒng)重要負荷多，與乘客出行的舒適度及運營服務(wù)水平緊密相關(guān)，在疫情防控常態(tài)化的背景下，車站設(shè)備使用強度和頻率呈現(xiàn)不規(guī)律性，因此需要結(jié)合實際需求，構(gòu)建智慧能耗管理系統(tǒng)，實現(xiàn)主要高能耗設(shè)備系統(tǒng)的集中化管理，提高車站的綜合運營效能。智慧能耗管理系統(tǒng)以綜合監(jiān)管為核心，利用圖像高度可視化，直觀準確地對各系統(tǒng)的用電量與用水量進行評估管理；建立車站的能耗運營管理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，提供各項信息服務(wù)并進行數(shù)據(jù)分析；建立趨勢分析預(yù)案，豐富充實本地化信息數(shù)據(jù)庫；同時可利用數(shù)字化智能監(jiān)管技術(shù)，進行全天候的信息捕獲、分析、處理，提高事件處置效率，實現(xiàn)設(shè)備與信息的高度共享與智能決策。

3 智慧能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)

智慧能耗管理系統(tǒng)的建設(shè)重點包括3個方面：細顆粒度的能源信息采集、管控范圍的補強、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）深度聯(lián)動控制，具體如下。

（1）對能源信息采集、存儲、管理和利用進行完善，通過數(shù)據(jù)分析獲取調(diào)整能耗應(yīng)用方案的策略。

（2）在原有用電管理的基礎(chǔ)上，智慧能耗管理系統(tǒng)增加對用水、變電所及熱力的管理，將車站內(nèi)智能水表與智能熱力表進行連接，相關(guān)數(shù)據(jù)匯總到采集箱內(nèi)進行集中處理。

（3）智慧能耗管理系統(tǒng)可通過BAS系統(tǒng)獲取城市軌道交通設(shè)備的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，并將相關(guān)能源管控策略通過BAS系統(tǒng)下達至各系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)合理控制。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧能耗管理系統(tǒng)主要對能耗設(shè)備進行信息采集、監(jiān)控，根據(jù)能耗數(shù)據(jù)分析挖掘有針對性的節(jié)能降耗策略，與設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)動控制，從而達到節(jié)能降耗的效果。根據(jù)城市軌道交通列車早、晚發(fā)車和停運信息制定照明、空調(diào)等設(shè)備的相關(guān)能耗管控策略，由智慧能耗管理系統(tǒng)配置控制策略并執(zhí)行節(jié)能控制。通過采集不同區(qū)域、不同設(shè)備的能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，對分類分項能耗使用情況進行分析，為能耗評估分析提供數(shù)據(jù)支撐。智慧能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)分為5層：基礎(chǔ)層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層。每層之間通過制定接口協(xié)議對接，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）基礎(chǔ)層。作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)場景設(shè)備采集的組成部分，包括智能基表、傳感器、智能檢測主機等。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。作為整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的組成部分，提供系統(tǒng)運行的通信和運行環(huán)境。

（3）平臺層。主要為系統(tǒng)做接口，通過為數(shù)據(jù)提供接口將各設(shè)備數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)主站與測量儀表之間通過現(xiàn)場總線或電力載波進行通信，與變電所測量儀表之間通過通信管理機進行通信。

（4）應(yīng)用層。進行日常能源使用的監(jiān)控、管理，制定節(jié)能策略，如用電量監(jiān)控管理、用水量監(jiān)控管理等。

（5）展現(xiàn)層。作為與用戶交互的終端，如應(yīng)用軟件、Web端網(wǎng)頁等。

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車站智慧能耗管理系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示，通過通信網(wǎng)絡(luò)（根據(jù)需求不同采用有線或無線的通信方式）將分布在車站不同空間位置的各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備連接起來，設(shè)置智能載波采集器、智能電表、集中器等動態(tài)采集空調(diào)機組、電梯扶梯供電回路及其他重要負荷或用電量大的能耗數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)交換機接入車站內(nèi)局域網(wǎng)，進一步傳輸至車站能耗管理服務(wù)器，在智慧能耗管理系統(tǒng)上將監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析結(jié)果進行可視化展示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

3.3 功能架構(gòu)

智慧能耗管理系統(tǒng)具備各種能耗設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、統(tǒng)計、分析、報警功能，可對能源供應(yīng)的安全性、能耗量、設(shè)備運行能耗的數(shù)據(jù)進行清洗、過濾、加載，運用建模方法挖掘能耗降低的關(guān)鍵性狀態(tài)，同時可結(jié)合場景條件與設(shè)備的自動控制相融合。功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 功能架構(gòu)

（1）能耗監(jiān)測。該功能可實現(xiàn)能源使用全過程精細化監(jiān)測管理，實現(xiàn)能源消耗狀態(tài)的可視化、監(jiān)測實時化，通過分類分項能耗監(jiān)測、重點設(shè)備能耗監(jiān)測、區(qū)域能耗監(jiān)測，全面綜合的將車站能耗清晰展示于系統(tǒng)中，如各條支路的耗電量、功率等參數(shù)，水管的跑冒滴漏等狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢。運行過程中會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)基于完善的數(shù)據(jù)分類管理策略，可以查詢?nèi)我鈺r段內(nèi)、任意能耗設(shè)備或能耗單元的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)信息的快速查詢；同時，可顯示全車站不同區(qū)域、不同時間段內(nèi)的整體能耗以及單位面積能耗情況，能夠按照配置的建筑環(huán)境參考因素形成對比，根據(jù)相應(yīng)環(huán)境因素特點，形成相應(yīng)曲線趨勢圖。

（3）能源報警管理。該功能模塊可實現(xiàn)配電回路、用能設(shè)備單位時間的能耗監(jiān)測報警，當(dāng)用電回路的日能耗超出設(shè)定閾值時，進行異常報警。該系統(tǒng)可對城市軌道交通車站內(nèi)所有基礎(chǔ)設(shè)施的能耗過程進行全面監(jiān)測報警。

（4）能源數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析是智慧能耗管理系統(tǒng)的核心功能，針對各類能源的消耗過程，該功能以能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過與機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換，分析現(xiàn)場室內(nèi)外環(huán)境狀態(tài)、設(shè)備實時能耗數(shù)據(jù)等信息，建立能耗數(shù)據(jù)分析模型，并自動對比歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)能耗管理存在的問題，進而從能耗管理的角度對設(shè)備能耗、車站能耗水平、能耗管理流程等給出分析評估，從而推薦機電設(shè)備采用最優(yōu)的節(jié)能控制策略，達到優(yōu)化設(shè)備運行及管理流程、提高能源效率、降低能源消耗的目的。

（5）報表管理。報表功能是基于數(shù)據(jù)庫中的歷史、實時數(shù)據(jù)，根據(jù)日常辦公、管理需求，提供能耗統(tǒng)計、能源分析、綜合報表等各類報表。

（6）能源看板。能源看板是系統(tǒng)提供的一項系統(tǒng)概覽功能，可以根據(jù)管理需求，以各類圖表的方式從時間、空間、統(tǒng)計的維度直接呈現(xiàn)整體能耗、各分類分項能耗及能耗趨勢等信息，可實現(xiàn)同比、環(huán)比能耗對比和趨勢分析，也可呈現(xiàn)車站能耗管理制度、指標(biāo)內(nèi)容等。

4 能耗管理與控制策略

結(jié)合車站的能耗管理業(yè)務(wù)特點，智慧能耗管理系統(tǒng)在用電、用水、用熱方面與設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)動控制，設(shè)計專項節(jié)能策略以達到智慧化節(jié)能的目的。

4.1 能耗管理策略

能耗管理策略應(yīng)分類建立能耗基線，通過逐步迭代不斷優(yōu)化以確定更加精準的節(jié)能控制方案。車站能耗管理的重點專業(yè)包括：冷熱源、暖通空調(diào)、新風(fēng)、水泵、電熱設(shè)備、照明系統(tǒng)、電扶梯等。

（1）用電管理策略。對于照明與插座用電按照公共區(qū)照明、工作區(qū)照明、廣告照明和其他照明進行分類采集，能耗計量裝置根據(jù)不同的管理單位進行分類設(shè)置；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用電可按照生產(chǎn)工作區(qū)域、乘客服務(wù)區(qū)域、設(shè)備機房區(qū)域等進行分類采集。

（2）用水管理策略。對站內(nèi)用水能耗按照用水類型制定相應(yīng)的能耗采集策略。在各個水表位置增加壓力傳感器，通過流量壓力檢測給水系統(tǒng)漏損情況，在供暖管網(wǎng)中地暖總管進出水位置增加壓力傳感器，檢測漏損情況。

（3）用熱管理策略。集中供熱時，在供熱一次側(cè)和二次側(cè)增設(shè)熱量表，在二次側(cè)增設(shè)電動調(diào)節(jié)閥，同時在地暖總管位置加裝電動調(diào)節(jié)閥，以便根據(jù)供熱負荷實時調(diào)節(jié)達到節(jié)能的目的。

4.2 節(jié)能控制策略

以車站能耗重點系統(tǒng)給排水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)為例進行節(jié)能控制策略分析。

（1）給排水系統(tǒng)節(jié)能控制策略。對車站、區(qū)間各種水泵（包括集水井、污水坑、電梯基坑等）均采用液位監(jiān)控和自動控制，通過控制水泵的運行方式、臺數(shù)和相應(yīng)閥門的動作來進行污水、積水的及時排放，達到供水量與需水量之間的平衡，實現(xiàn)對給排水系統(tǒng)最優(yōu)控制。

（2）空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制策略?？照{(diào)子系統(tǒng)通過采集各個暖通設(shè)備的運行信息，完成對控制系統(tǒng)設(shè)備的修復(fù)及增補，可實現(xiàn)暖通項目的監(jiān)控與計量、各關(guān)鍵數(shù)據(jù)的報警以及數(shù)據(jù)信息的記錄統(tǒng)計。增設(shè)室外微型氣象站監(jiān)測室外溫濕度、空氣質(zhì)量以及增加風(fēng)速風(fēng)向傳感器、雨量傳感器等設(shè)備采集的數(shù)據(jù)作為空調(diào)控制系統(tǒng)、新風(fēng)控制系統(tǒng)的控制依據(jù)，通過空調(diào)機理變量、環(huán)境變量、冷熱水循環(huán)效率、冷熱源負荷能效模型優(yōu)化空調(diào)運行管理效率。此外，結(jié)合車站列車到發(fā)時間、區(qū)域客流情況，對車站的組合式空調(diào)進行預(yù)調(diào)節(jié)和重點區(qū)域定向調(diào)節(jié)。

（3）智能照明節(jié)能控制策略。針對大型車站出入口多以及乘客聚集等情況，在客流集散量大和乘客稀疏的出入口、電梯口、進出站通道等公共區(qū)域采用智能照明總線控制，在消防控制室集中控制照明狀態(tài)的同時，在車站控制室、站臺等處也可設(shè)置智能可編程控制單聯(lián)面板以實現(xiàn)更加靈活的控制方式。在車站部分重點區(qū)域設(shè)置照度傳感器，對受控區(qū)域的照明回路進行細化，可根據(jù)采光度調(diào)整相應(yīng)照明區(qū)域光照強度，根據(jù)列車運行時間段及客流量進行分區(qū)域、分時段照明時間控制，進出站通道可利用廣告屏照度兼做照明增強，從而實現(xiàn)照明節(jié)能。

5 結(jié)束語

碳達峰、碳中和戰(zhàn)略對城市軌道交通行業(yè)既是挑戰(zhàn)更是實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的機遇，文章以智慧賦能城市軌道交通車站節(jié)能降碳為目標(biāo)，提出智慧能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對風(fēng)、水、電、熱、氣等各類能源的實時數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視，通過對能源消耗規(guī)律及趨勢分析制定合理科學(xué)的節(jié)能策略，最終實現(xiàn)對車站能源的綜合節(jié)能管理與管控。智慧能耗管理系統(tǒng)是城市軌道交通綜合能耗智能管理的一種有益嘗試，下一步要加強對節(jié)能降耗體系和評估指標(biāo)的研究，同時通過示范項目打造綠色車站標(biāo)桿，進一步引導(dǎo)行業(yè)積極開展綠色城市軌道交通落地實踐。