地鐵車站綜合電能管理系統的設計與實現

陳班賢

摘 要：提高電能的使用效率、降低能耗是當前地鐵運營實現可持續發展的要求。根據城市軌道交通機電系統的特點及其能耗現狀，設計了一種基于TransActive軟件平臺的地鐵車站綜合電能管理系統。該系統采用模塊化設計理念，把系統設備模塊化、軟件組件化，并將它們靈活拼接起來，具有很強的適應性、開放性和穩定性。該系統在廣州地鐵三元里車站被成功應用，為舊線的節能改造和新線的節能建設提供了必要的參考。

關鍵詞：軌道交通；TransActive軟件平臺；電能管理系統；模塊化

中圖分類號：U231.8 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）24-0010-03

城市軌道交通以速度快、運量大、準時、污染小、能有效緩解路面交通壓力等優勢，被廣泛應用于各大城市中，而廣州也進入了新一輪的建設高峰期。截至目前，全面開工的地鐵線共有11條，長達262 km.

城市軌道交通與其他交通運輸方式相比，具有較高的能效。在同等運力條件下，它的能耗只有公交車的50%，小汽車的11%.然而，由于城市軌道交通具有行車密度大、運輸總量大、地鐵車站數量多等特點，所以，其總能耗量也是非常大的，是城市用電大戶，僅電費一項就占運營直接成本的20%左右。城市軌道交通的電能消耗主要分布在列車牽引用電、車站通風空調系統、提升設備和照明設備上，分別約占用電總負荷的45%，30%，12.5%和10%，如圖1所示。從圖1中可以看出，地鐵車站的機電系統設備占用了1/2以上的用電負荷，達到了55%，因此，很有必要研制1套電能管理系統，以實現對地鐵車站機電設備的節能控制。

1 地鐵車站機電設備能耗特點

地鐵車站機電設備主要是由照明設備、電扶梯設備和環境控制設備（通風空調設備、給排水設備和弱電系統等）組成的。其中，電扶梯設備、照明設備和弱電系統的電能消耗一直較為穩定；在雨季時，給排水設備的電能消耗量較大，而在正常情況下，其電能消耗較少，也較為穩定；通風空調設備是主要的用電設備，占車站機電設備總用電量的50%以上，同時，其電能消耗的波動較大，具有較高的節能潛力。

地鐵車站通風空調系統通常是由通風空調大系統和小系統組成，大系統、小系統的能耗比例約為7∶3. 其中，小系統用于設備用房的溫濕度調節，電能消耗較為穩定；大系統用于公共區域的溫濕度調節，為乘客提供舒適的乘車環境。大系統負荷主要受客流負荷、新風負荷、設備負荷和傳熱負荷的影響，各負荷能耗比例如圖2所示。在車站正常運營時，設備運行狀況和區間隧道溫度都比較穩定，因此，設備負荷和傳熱負荷也較為穩定。但是，客流負荷具有明顯的時段性——在早晚高峰時段高，其余時段較低，新風負荷受室外空氣焓值的影響較大；在最熱月，新風負荷波動不大，但到換季時，室外空氣焓值較低，其負荷下降較為明顯。因此，如何動態匹配客流負荷和新風負荷的變化是通風空調系統節能的關鍵。

2 系統結構設計

該系統使用了新科電子自主研究的TransActive軟件平臺。該平臺使用了C++軟件技術，采用了模塊化結構，根據系統的功能需求，把系統各功能模塊化、軟件組件化，從而實現了靈活拼接和調用，具有很強的適應性、開放性和穩定性。

2.1 硬件結構設計

此系統主要是由系統服務器、管理工作站、網絡設備、打印機和存儲設備等硬件設備組成的。其中，系統服務器用于數據的收發和處理；管理工作站為系統管理人員提供便捷、人性化的控制環境；網絡設備主要是指網絡交換機；存儲設備主要是指磁盤陣列，用于存儲系統中的歷史數據。

綜合電能管理系統通過網絡交換機和局域網與節能控制系統、能源管理系統、綜合監控系統、自動售檢票系統等外部接口系統實現交互數據的分析和管理，如圖3所示。

2.2 軟件結構設計

電能管理系統主要是由物理接口層、數據處理層和管理層構成的，如圖4所示。

2.2.1 物理接口層

物理接口層包括能源管理系統、節能管理系統、綜合監控系統和自動售檢票系統等4個接口模塊。它主要用于收集與地鐵車站機電系統相關的能耗數據和環境數據，并發送相關控制信息。

2.2.2 數據處理層

數據處理層主要用于分析和計算收集到的原始數據，并優化、調整相關設備的運行參數。

2.2.3 管理層

管理層主要用于統計和分析采集到的能耗數據，并按照要求形成圖形曲線和報表。同時，它還為系統提供基礎管理功能，即事件日志、報表打印、報警提醒和相關應用統計等。

3 系統功能設計

為了盡可能地滿足系統管理人員對地鐵車站電能的管理需求，本著操作簡單、顯示簡潔、功能齊全等原則進行系統功能設計。系統主要具備接口通信、系統實時能耗統計、系統歷史數據查詢、系統能效分析、系統決策和環境數據監視等6大功能。

3.1 接口通信功能

結合地鐵車站機電系統的特點，本文采用了當前較為流行、成熟的Modbus Tcp通訊協議。該協議位于OSI模型的第七層，主要為設備之間使用不同總線或網絡鏈接的客戶端/服務器實現信息交互。Modbus Tcp數據幀是由MBAP報文頭、功能代碼和數據3部分組成的，如圖5所示。通過單元標識符區分外部接口系統報文。其中，節能管理系統單元標識符為0x81，能源管理系統為0x21，綜合監控系統為0x64，自動售檢票系統為0x42，通過不同的數據點地址分配獲取電流、電壓、有功功率和溫度等信息。

3.2 系統實時能耗統計

系統實時能耗統計主要包括能耗數據匯總、照明電能數據、扶梯電能數據和環控電能數據統計等4個功能。其中，能耗數據匯總用于匯總截至當前整個車站機電系統、照明設備、扶梯設備和環境控制系統的總用電量。圖6給出了三元里車站在2014-10-08的能耗數據匯總。照明電能數據、扶梯電能數據和環控電能數據主要用于查詢具體設備當前的電流、電壓、功率和功率因數曲線。

3.3 系統歷史數據查詢

系統歷史數據查詢主要用于查詢地鐵車站的日電耗匯總、月電耗匯總、日能耗差異和月能耗差異，同時，也可以查詢具體某一設備的能耗情況和設備能耗排名統計，以便工作人員全面掌握車站機電系統各設備的用電情況。

3.4 系統能效分析

系統能效分析是系統的核心功能，主要包括車站整體能效分析、設備能效分析、設備能耗異常報警和能耗分析報告等4個功能。通過車站內部CO2濃度、人流密度、溫度變化、有功電度的變化曲線間接反映車站的整體能效和設備能效情況，并報警提醒能耗異常的設備，同時，還提供了相關的能耗分析報告。圖7顯示了三元里車站冷卻塔1和冷水機組1在2014-10-08當天的有功電度與CO2濃度、人流密度、溫度的變化曲線圖。從圖中可以看出，人流密度和溫度越大，其有功電度就越大。由此可知，這兩個設備的能效是比較高的。

3.5 系統決策

本文使用反饋調整法，即根據現場反饋的CO2濃度、客流密度、溫度等信息，優化、調整車站風機、空調、水泵等設備的運行參數進行調整，從而避免能源浪費，提高電能效率。

3.6 環境數據監視

環境數據主要是指溫度、濕度、CO2濃度和客流密度等信息。環境數據監視有利于系統工作人員快速查看系統優化、調整后環境數據的變化情況。

4 系統主要特色

4.1 跨多專業實現電能管理

目前，在城市軌道交通設計中，電能管理大多是以單一系統或設備為研究對象的，很難滿足城市軌道交通的節能減排需要。本文結合地鐵運營規模和實際工程的特點，從系統層面上，跨越多個專業實現地鐵車站的電能管理，將系統設備的能耗統計、分析和管理結合起來，解決了單一專業或設備節能措施片面性的問題。

4.2 能耗異常報警

過去，如果設備能耗發生異常，只有當其壞了或者故障報警時才能被人發現。為了盡早發現異常設備，通過分析設備的日能耗差異和月能耗差異，實現了設備的異常報警提醒，有助于工作人員快速找出異常設備，提高了系統的穩定性，減少了電能消耗。

4.3 實現動態調整

本文解決了能耗統計分析與電能管理脫節的問題。通過反饋調整法，將環境的實時數據作為控制參數，動態調整風機、冷水機組、水泵等設備的運行參數；通過能效曲線可以直觀、有效地判定系統或設備的電能消耗是否合理。

5 結束語

根據地鐵車站的系統組成和能耗特點，設計了1套電能管理系統。該系統突破了傳統的節能控制技術，從系統的角度出發，跨越多個專業，把環境數據與節能控制緊密聯系在一起，直觀、有效、便捷地實現了對地鐵車站的電能管理。

參考文獻

[1]劉海東，蘇梅，彭宏勤.城市軌道交通列車制動問題研究[M].北京：交通運輸系統工程與信息，2011.

[2]胡鵬.城市軌道交通列車運行能耗優化及仿真[D].成都：西南交通大學，2013.

[3]楊雪峰.城市軌道交通列車節能運行模式的研究[J].城市軌道交通研究，2010（8）：68-72.

[4]丁大勇，許玲，朱培根.地鐵運行初期通風空調系統能耗模擬與分析[J].建筑熱能通風空調，2008，27（2）：69-72.

[5]雷波.地鐵通風空調系統變頻節能研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[6]袁鳳東.智能化地鐵通風空調系統節能技術研究[D].天津：天津大學，2010.

〔編輯：白潔〕

3.3 系統歷史數據查詢

系統歷史數據查詢主要用于查詢地鐵車站的日電耗匯總、月電耗匯總、日能耗差異和月能耗差異，同時，也可以查詢具體某一設備的能耗情況和設備能耗排名統計，以便工作人員全面掌握車站機電系統各設備的用電情況。

3.4 系統能效分析

系統能效分析是系統的核心功能，主要包括車站整體能效分析、設備能效分析、設備能耗異常報警和能耗分析報告等4個功能。通過車站內部CO2濃度、人流密度、溫度變化、有功電度的變化曲線間接反映車站的整體能效和設備能效情況，并報警提醒能耗異常的設備，同時，還提供了相關的能耗分析報告。圖7顯示了三元里車站冷卻塔1和冷水機組1在2014-10-08當天的有功電度與CO2濃度、人流密度、溫度的變化曲線圖。從圖中可以看出，人流密度和溫度越大，其有功電度就越大。由此可知，這兩個設備的能效是比較高的。

3.5 系統決策

本文使用反饋調整法，即根據現場反饋的CO2濃度、客流密度、溫度等信息，優化、調整車站風機、空調、水泵等設備的運行參數進行調整，從而避免能源浪費，提高電能效率。

3.6 環境數據監視

環境數據主要是指溫度、濕度、CO2濃度和客流密度等信息。環境數據監視有利于系統工作人員快速查看系統優化、調整后環境數據的變化情況。

4 系統主要特色

4.1 跨多專業實現電能管理

目前，在城市軌道交通設計中，電能管理大多是以單一系統或設備為研究對象的，很難滿足城市軌道交通的節能減排需要。本文結合地鐵運營規模和實際工程的特點，從系統層面上，跨越多個專業實現地鐵車站的電能管理，將系統設備的能耗統計、分析和管理結合起來，解決了單一專業或設備節能措施片面性的問題。

4.2 能耗異常報警

過去，如果設備能耗發生異常，只有當其壞了或者故障報警時才能被人發現。為了盡早發現異常設備，通過分析設備的日能耗差異和月能耗差異，實現了設備的異常報警提醒，有助于工作人員快速找出異常設備，提高了系統的穩定性，減少了電能消耗。

4.3 實現動態調整

本文解決了能耗統計分析與電能管理脫節的問題。通過反饋調整法，將環境的實時數據作為控制參數，動態調整風機、冷水機組、水泵等設備的運行參數；通過能效曲線可以直觀、有效地判定系統或設備的電能消耗是否合理。

5 結束語

根據地鐵車站的系統組成和能耗特點，設計了1套電能管理系統。該系統突破了傳統的節能控制技術，從系統的角度出發，跨越多個專業，把環境數據與節能控制緊密聯系在一起，直觀、有效、便捷地實現了對地鐵車站的電能管理。

參考文獻

[1]劉海東，蘇梅，彭宏勤.城市軌道交通列車制動問題研究[M].北京：交通運輸系統工程與信息，2011.

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[4]丁大勇，許玲，朱培根.地鐵運行初期通風空調系統能耗模擬與分析[J].建筑熱能通風空調，2008，27（2）：69-72.

[5]雷波.地鐵通風空調系統變頻節能研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[6]袁鳳東.智能化地鐵通風空調系統節能技術研究[D].天津：天津大學，2010.

〔編輯：白潔〕

3.3 系統歷史數據查詢

系統歷史數據查詢主要用于查詢地鐵車站的日電耗匯總、月電耗匯總、日能耗差異和月能耗差異，同時，也可以查詢具體某一設備的能耗情況和設備能耗排名統計，以便工作人員全面掌握車站機電系統各設備的用電情況。

3.4 系統能效分析

系統能效分析是系統的核心功能，主要包括車站整體能效分析、設備能效分析、設備能耗異常報警和能耗分析報告等4個功能。通過車站內部CO2濃度、人流密度、溫度變化、有功電度的變化曲線間接反映車站的整體能效和設備能效情況，并報警提醒能耗異常的設備，同時，還提供了相關的能耗分析報告。圖7顯示了三元里車站冷卻塔1和冷水機組1在2014-10-08當天的有功電度與CO2濃度、人流密度、溫度的變化曲線圖。從圖中可以看出，人流密度和溫度越大，其有功電度就越大。由此可知，這兩個設備的能效是比較高的。

3.5 系統決策

本文使用反饋調整法，即根據現場反饋的CO2濃度、客流密度、溫度等信息，優化、調整車站風機、空調、水泵等設備的運行參數進行調整，從而避免能源浪費，提高電能效率。

3.6 環境數據監視

環境數據主要是指溫度、濕度、CO2濃度和客流密度等信息。環境數據監視有利于系統工作人員快速查看系統優化、調整后環境數據的變化情況。

4 系統主要特色

4.1 跨多專業實現電能管理

目前，在城市軌道交通設計中，電能管理大多是以單一系統或設備為研究對象的，很難滿足城市軌道交通的節能減排需要。本文結合地鐵運營規模和實際工程的特點，從系統層面上，跨越多個專業實現地鐵車站的電能管理，將系統設備的能耗統計、分析和管理結合起來，解決了單一專業或設備節能措施片面性的問題。

4.2 能耗異常報警

過去，如果設備能耗發生異常，只有當其壞了或者故障報警時才能被人發現。為了盡早發現異常設備，通過分析設備的日能耗差異和月能耗差異，實現了設備的異常報警提醒，有助于工作人員快速找出異常設備，提高了系統的穩定性，減少了電能消耗。

4.3 實現動態調整

本文解決了能耗統計分析與電能管理脫節的問題。通過反饋調整法，將環境的實時數據作為控制參數，動態調整風機、冷水機組、水泵等設備的運行參數；通過能效曲線可以直觀、有效地判定系統或設備的電能消耗是否合理。

5 結束語

根據地鐵車站的系統組成和能耗特點，設計了1套電能管理系統。該系統突破了傳統的節能控制技術，從系統的角度出發，跨越多個專業，把環境數據與節能控制緊密聯系在一起，直觀、有效、便捷地實現了對地鐵車站的電能管理。

參考文獻

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[2]胡鵬.城市軌道交通列車運行能耗優化及仿真[D].成都：西南交通大學，2013.

[3]楊雪峰.城市軌道交通列車節能運行模式的研究[J].城市軌道交通研究，2010（8）：68-72.

[4]丁大勇，許玲，朱培根.地鐵運行初期通風空調系統能耗模擬與分析[J].建筑熱能通風空調，2008，27（2）：69-72.

[5]雷波.地鐵通風空調系統變頻節能研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[6]袁鳳東.智能化地鐵通風空調系統節能技術研究[D].天津：天津大學，2010.

〔編輯：白潔〕