基于能源管理系統(tǒng)的城市軌道交通節(jié)能控制系統(tǒng)研究

吳君乾

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

能源管理系統(tǒng)是一種為城市軌道交通行業(yè)實現(xiàn)科學用能、合理用能、安全用能，以提高能效與節(jié)能效益為目的的城市軌道交通能源信息化管理系統(tǒng)?，F(xiàn)行的部分城市軌道交通電能管理系統(tǒng)落后單一，未充分發(fā)揮節(jié)能控制的作用。部分能源管理系統(tǒng)在實現(xiàn)對車站機電設(shè)備、弱電系統(tǒng)、車站照明的用電設(shè)施耗電量統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，不能根據(jù)現(xiàn)場運行情況和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)方案、運行參數(shù)、設(shè)備存在問題進行處理；無法兼容新技術(shù)與新工藝的應(yīng)用，更無法結(jié)合客流、列車運營模式、室外溫濕度、機電系統(tǒng)運行模式等相關(guān)專業(yè)信息進行管理調(diào)控。該研究針對節(jié)能控制系統(tǒng)，在得到設(shè)備實際運行參數(shù)、耗能情況、用能指標等數(shù)據(jù)后，分析設(shè)備的負荷變化特征，作為設(shè)備診斷和運行效率分析的依據(jù)，發(fā)現(xiàn)節(jié)能空間，最終達到節(jié)能的目的。

1 能源管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

城市軌道交通行業(yè)的能源管理系統(tǒng)，是集電子、自動化、通信與網(wǎng)絡(luò)、計算機與軟件等先進技術(shù)，通過能源在線計量、能源負荷和質(zhì)量監(jiān)測、能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、節(jié)能潛力分析、節(jié)能控制、節(jié)能效果驗證、節(jié)能管理等多種手段，實現(xiàn)科學用能、合理用能、安全用能，以提高能源管理水平及社會和經(jīng)濟效益為目的的信息化管理系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)功能

能源管理系統(tǒng)可實現(xiàn)用能設(shè)備的實時監(jiān)測、能耗數(shù)據(jù)的自動采集與存儲、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、報表顯示和打印、能耗預測和預警等功能（見圖1）。

圖1 能源管理系統(tǒng)各層級功能

2 節(jié)能控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)功能

節(jié)能控制系統(tǒng)作為能源管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)，通過采集的數(shù)據(jù)，獲取各監(jiān)控對象的工作狀態(tài)，在進行能耗指標評價后，按相應(yīng)模式控制相關(guān)設(shè)備。

節(jié)能控制系統(tǒng)具備以下功能：

第一，節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備運行狀況預測負荷變化趨勢，根據(jù)預測結(jié)果提前將用能設(shè)備調(diào)整到最優(yōu)工況下運行。

第二，節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)車站負荷變化情況，實時對用能設(shè)備進行運行模式調(diào)整，通過主動尋優(yōu)策略確保在能耗高效區(qū)運行。

第三，當成組設(shè)備處于低負荷運行時，節(jié)能控制系統(tǒng)能夠采取各種有效措施避免成組設(shè)備中單臺設(shè)備在低負荷率下長期運行，同時考慮頻繁操作對設(shè)備維護的負面影響，在設(shè)備低負荷運行時，采用最佳控制模式。

第四，節(jié)能控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄各用能設(shè)備的工況，并形成圖表，根據(jù)長期數(shù)據(jù)積累主動尋找最優(yōu)的節(jié)能控制系統(tǒng)控制算法，確保環(huán)控節(jié)能控制系統(tǒng)能夠長期運行在高效區(qū)。

第五，節(jié)能控制系統(tǒng)針對所有用能系統(tǒng)的設(shè)備進行聯(lián)動分析，通過系統(tǒng)主動尋優(yōu)算法調(diào)節(jié)各系統(tǒng)的模式，實現(xiàn)系統(tǒng)間的高效配合，使各系統(tǒng)的設(shè)備均處于最佳運行水平。

第六，節(jié)能控制系統(tǒng)能記錄各類被控設(shè)備的使用時間（或動作次數(shù)），與預設(shè)維護時間（或次數(shù)）自動進行比對，進一步完善節(jié)能控制模式。

2.2 控制策略

各用能系統(tǒng)的設(shè)備往往具備多種運行模式，根據(jù)外界條件的變化，應(yīng)該選用不同的運行模式。例如，照明系統(tǒng)、通風空調(diào)系統(tǒng)、自動扶梯系統(tǒng)等可以根據(jù)客流量、環(huán)境參數(shù)，改變各設(shè)備在工作的用電強度、工作強度，避免不必要的能量損耗。在車站能耗中，照明系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、電扶梯設(shè)備的能耗之和占據(jù)車站能耗的90%以上，因此以環(huán)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電扶梯設(shè)備為控制策略研究對象，可有效實現(xiàn)節(jié)能的目標。

2.2.1 環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能控制

環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能控制監(jiān)控對象為車站、區(qū)間、車輛段及停車場的所有通風空調(diào)設(shè)備。節(jié)能控制系統(tǒng)對這些設(shè)備進行全方位的監(jiān)測和控制，具有采集相關(guān)環(huán)境信息、收集設(shè)備的運行參數(shù)、自動優(yōu)化控制策略等功能。通過主動尋優(yōu)算法，確保環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)備能夠長期運行在高效區(qū)，在保證環(huán)境安全舒適的同時，實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化。參與節(jié)能調(diào)控的通風空調(diào)設(shè)備包括空調(diào)冷源系統(tǒng)設(shè)備（冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、電動閥門、空調(diào)末端設(shè)備等）、大系統(tǒng)變頻設(shè)備及風閥、大系統(tǒng)所有傳感設(shè)備、小系統(tǒng)風管傳感設(shè)備、空調(diào)冷源系統(tǒng)所有傳感設(shè)備等。

（1）控制目標

環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)大系統(tǒng)空調(diào)運行狀況和小系統(tǒng)空調(diào)運行狀況預測車站負荷變化趨勢，車站空調(diào)環(huán)控節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)預測結(jié)果提前將冷水機房設(shè)備調(diào)整到最優(yōu)工況下運行。根據(jù)車站負荷變化情況，實時調(diào)整冷水機組及壓縮機的加減載和負荷，通過主動尋優(yōu)策略確保冷水機組負荷率在高效區(qū)運行。

（2）控制模式

（a）全新風空調(diào)工況時，根據(jù)站內(nèi)平均溫度調(diào)節(jié)組合式空調(diào)機組頻率，并利用站廳、站臺二氧化碳濃度做保護。站內(nèi)平均溫度與設(shè)定溫度進行比較，調(diào)節(jié)目標是站內(nèi)平均溫度=設(shè)定溫度。當站內(nèi)平均溫度＞設(shè)定溫度時，需提高空調(diào)機組的頻率；當站內(nèi)平均溫度＜設(shè)定溫度時，需降低空調(diào)機組的頻率。

（b）全通風工況時，當12℃≤室外溫度≤送風溫度時，站內(nèi)平均溫度與設(shè)定溫度（25℃）進行比較，調(diào)節(jié)目標是站內(nèi)平均溫度=設(shè)定溫度。當站內(nèi)平均溫度＞設(shè)定溫度時，需提高空調(diào)機組的頻率；當站內(nèi)送風溫度＜設(shè)定溫度時，需降低空調(diào)機組的頻率，并利用站廳、站臺二氧化碳濃度做保護。當室外溫度＜12℃時，組合式空調(diào)機組控制風機頻率按室內(nèi)外溫差不大于13℃所需的最小風量運行，且不應(yīng)低于25Hz，并利用站廳、站臺二氧化碳濃度做保護。

（c）水冷式冷水機組控制策略：冷水機組的加、減載由系統(tǒng)根據(jù)冷負荷的變化進行控制。當LD≤50%時，開啟一臺冷水機組，冷凍水泵變頻運行；當50%＜LD＜100% 時，開啟兩臺冷水機組，冷凍水泵變頻運行；當LD=100%時，冷凍水泵工頻運行。

在實際應(yīng)用過程中，節(jié)能控制系統(tǒng)的控制策略需要與設(shè)備供貨商聯(lián)合優(yōu)化設(shè)備選型，優(yōu)化控制策略，調(diào)整條件參數(shù)，最終達到節(jié)能控制目標。

2.2.2 照明系統(tǒng)節(jié)能控制

軌道交通的傳統(tǒng)照明控制方式為接觸器控制，通過上位系統(tǒng)使用控制線接入照明回路的接觸器，對照明回路進行回路控制。由于車站的照明回路數(shù)量不多，同一個回路的燈具集中在車站的某個區(qū)域，因此按回路開關(guān)控制照明系統(tǒng)容易造成車站內(nèi)照度不均，無法滿足現(xiàn)場的運營需求。傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)控制方式無法調(diào)節(jié)燈具本身的亮度，無法針對局部位置進行控制，因此難以在滿足實際運行需求的情況下達到良好的節(jié)能效果。照明系統(tǒng)的節(jié)能控制，可對單個燈具進行合理的控制。在環(huán)境中設(shè)置各類傳感器，采集環(huán)境信息，通過節(jié)能控制系統(tǒng)的預設(shè)的模型計算分析，最終實現(xiàn)照明系統(tǒng)的自動節(jié)能控制。

（1）控制目標

照明系統(tǒng)節(jié)能控制的主要目標為在滿足實際運營的前提下，降低照明能耗。節(jié)能控制系統(tǒng)采集和分析實時環(huán)境參數(shù)，按照預設(shè)置的控制方式，利用控制元件對燈具進行管理控制，實現(xiàn)照明系統(tǒng)的節(jié)能。

（2）控制模式

（a）照明分區(qū)劃分

對車站進行區(qū)域劃分，針對不同的區(qū)域，采取不同的控制措施。系統(tǒng)對照明分區(qū)進行精細化的控制。照明分區(qū)的分類如下。

人員流動區(qū)：根據(jù)相關(guān)國標規(guī)范及要求，設(shè)置此區(qū)域的亮度標準。根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，按照度標準對燈具進行調(diào)光。

設(shè)備操作區(qū)：利用傳感器捕捉人員的進入情況。當有人員進入此區(qū)域操作設(shè)備時，節(jié)能控制系統(tǒng)調(diào)高人員所在區(qū)域的燈具亮度，方便人員進行操作。當傳感器探測到人員離開現(xiàn)場時，降低此區(qū)域的燈具亮度，實現(xiàn)此區(qū)域的節(jié)能。

廣告照明區(qū)：由于廣告燈箱往往亮度較高，因此在接近廣告燈箱的區(qū)域，可以降低普通照明的亮度。降低后的照度與車站內(nèi)的其他區(qū)域一致，同時滿足使用需求及達到節(jié)能效果。

樓扶梯區(qū)：為確保乘客在扶梯和樓梯區(qū)域行走安全，在樓扶梯區(qū)域的燈具亮度相對調(diào)高，滿足現(xiàn)場需求。

休息區(qū)：對于車站內(nèi)的休息區(qū)，可根據(jù)有無人使用設(shè)置燈光照度。當乘客進入休息區(qū)時，利用傳感器探測人員進入，系統(tǒng)調(diào)整該區(qū)域亮度；當乘客離開時，系統(tǒng)降低亮度，達到節(jié)能效果。

屏蔽門區(qū)：當屏蔽門需要開啟時，在列車進站前后調(diào)高屏蔽門光帶的照度，提醒乘客列車進站信息和方便上下車。在列車出站后，降低屏蔽門光帶的照度，達到節(jié)能效果。

地面區(qū)：在地下車站的出入口等地面區(qū)域，可利用自然光達到節(jié)能效果。在此區(qū)域設(shè)置照度傳感器，當自然光充足時可降低或關(guān)閉燈光。

（b）運行模式

運行模式主要設(shè)置全亮模式、平峰模式、低峰模式、停運模式、消防模式、維修模式等六個模式。根據(jù)不同的時間點和使用功能，執(zhí)行不同的模式。全亮模式主要用于工作日的高峰時段，提供較高的亮度，滿足乘客密集時的需求。在節(jié)假日，由于附近有大型綜合商城及游樂園，預計客流量較大，也可按照高峰模式運行。平峰模式應(yīng)用于客流量一般時段，低峰模式應(yīng)用于夜晚等客流量較少的時段。停運模式、消防模式、維修模式分別用于特定的場景。上述的運營模式如表1 所示。在實際應(yīng)用過程中，可通過其他專業(yè)系統(tǒng)如自動售檢票系統(tǒng)提供相關(guān)客流數(shù)據(jù)。通過客流數(shù)據(jù)定義照明控制系統(tǒng)模式，優(yōu)化控制策略，最終達到節(jié)能控制目標。

表1 主要的運營模式表

2.2.3 電扶梯系統(tǒng)節(jié)能控制

自動扶梯和電梯能耗主要由電能轉(zhuǎn)換為機械能。目前，最為廣泛且技術(shù)成熟的自動扶梯節(jié)能控制方式為：無人時采用變頻技術(shù)改變扶梯的速度進行節(jié)能。

在乘客量較低的運營初期階段列車密度較低，在車站運行時段，有約一半以上的時間自動扶梯處于為空載運行狀態(tài)。針對較大時間占比的扶梯空載運行狀態(tài)，扶梯運行模式優(yōu)化后，可較大幅度地降低自動扶梯的能耗。采用變頻技術(shù)改變扶梯空載運行狀態(tài)時的節(jié)能方式，可分為在空載時以低速運行或停止運行兩種模式。

（1）空載運行時扶梯節(jié)能模式一：無乘客時慢速運行

此節(jié)能方式是當沒有乘客乘坐扶梯時，扶梯慢速運行（0.13m/s）的模式?？蛰d時從外阻損耗看，速度由0.65m/s 變成0.13m/s，可以減少能量損耗85%，扶梯的速度由設(shè)在裙板的光柵控制，只要有乘客在光柵探測范圍內(nèi)被檢測到，扶梯就會按預先設(shè)定的額定加速度加速至額定速度（0.65m/s）。

（2）空載運行時扶梯節(jié)能模式二：無乘客時自動停梯

此節(jié)能方式是當沒有乘客乘坐扶梯時停止運行，在有需要時自動啟動的間歇運行模式。通過設(shè)置在登梯口處的啟動元件（接觸墊或者光柵）作用，自動扶梯根據(jù)乘客的使用需求進行啟動。在啟動元件起作用的最后時刻，自動扶梯通過時間繼電器啟動運行直至最后一位乘客離開并且在所設(shè)定的后繼時間結(jié)束后停止運行。通過設(shè)置在扶梯上、下端頭的交通燈表示自動扶梯的運行狀態(tài)以及運行方向。

3 結(jié)語

目前，地鐵車站內(nèi)各系統(tǒng)之間利用能源管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互、模式聯(lián)動的程度較低。未來節(jié)能控制系統(tǒng)可充分利用能源管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)，結(jié)合供能和用能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備類型或不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備、車流、人流、環(huán)境條件、運行管理方式、運行年限、不同區(qū)域等因素，進行大數(shù)據(jù)研究，為地鐵規(guī)劃設(shè)計、建議運行管理方式提供決策依據(jù)；采用系統(tǒng)化手段客觀全面評估能效和運行方式，提升能源管理水平。節(jié)能控制系統(tǒng)在得到設(shè)備實際運行參數(shù)、耗能情況、用能指標等數(shù)據(jù)后，分析設(shè)備的負荷變化特征，作為設(shè)備診斷和運行效率分析的依據(jù)，發(fā)現(xiàn)節(jié)能空間。通過調(diào)整設(shè)備運行模式、優(yōu)化設(shè)備的運行方式，降低維護成本，減少能源消耗成本，提高用能設(shè)備的運行管理效率，對用能設(shè)備進行全過程和全方位管理，最終達到節(jié)能的目的。