軌道交通車站能耗采集及節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 周 丹

軌道交通車站能耗采集及節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 周 丹

本文通過分析軌道交通車站能耗特征，提出軌道交通主要耗能設(shè)備能耗采集方法、采集內(nèi)容，并研究設(shè)備運(yùn)用特性，提出一種可利用自動化技術(shù)制定能耗管控系統(tǒng)的技術(shù)方案。

城市軌道交通；車站能耗；節(jié)能控制

1 概論

軌道交通車站能耗采集及管控仍然處于初步階段,采集及管理手段單一,獲得信息有限,管控方式不一。通過分析軌道交通車站能耗特征,提出軌道交通能耗采集方法、采集內(nèi)容,并研究設(shè)備運(yùn)用特性,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、自動化技術(shù)制定能耗管控系統(tǒng)的技術(shù)方案。

1.1 典型地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

在城市軌道交通各機(jī)電系統(tǒng)中,地下車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗約占1/3,成為僅次于列車牽引系統(tǒng)的耗能大戶。且通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)隨著客流、列車運(yùn)行間隔、季節(jié)的變化,呈現(xiàn)較為明顯的峰谷差異,故該系統(tǒng)具有較為可觀的節(jié)能潛力。

圖1 地鐵各系統(tǒng)能耗占比

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)分為:隧道通風(fēng)系統(tǒng)、車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(含消防排煙)、通風(fēng)空調(diào)水系統(tǒng)。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備有組合式空調(diào)器、空調(diào)柜機(jī)、各種通風(fēng)機(jī)、冷機(jī)機(jī)組、水泵。而組合式空調(diào)器和空調(diào)柜機(jī)的耗能點(diǎn)主要在其內(nèi)部的通風(fēng)機(jī),即通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備為風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組和水泵。

1.2 典型地下車站照明能耗分析

地鐵車站中普遍使用的熒光燈管為360°均勻發(fā)光,除120°為直射外,其余240°均需反射后才能利用,一般反射材料的發(fā)射率僅為50%左右。

除使用高光通的優(yōu)質(zhì)光源外,高反射率的燈具也對減少燈具投資、電源投資有重要意義。

燈具反射器用材料大致分為產(chǎn)生漫/擴(kuò)散反射材料和產(chǎn)生鏡面反射材料兩種:鏡面反射材料的反射率要高于漫/擴(kuò)散反射材料的。高純鋁板表面拋光后得到的鏡面反射鋁板,總反射率可達(dá)84-87%;在一般鋁板上復(fù)一層涂有高反射率銀的滌綸膜,反射率可達(dá)92-94%。

車站照明針對公共區(qū)、設(shè)備區(qū)、出入口的不同運(yùn)營特點(diǎn),設(shè)置多種照明運(yùn)行模式。公共區(qū)照明可以自動或人工設(shè)置各種照明節(jié)電運(yùn)行模式。

全線照明控制系統(tǒng)采用分回路照明控制。對于成組控制的容量較大的廣告照明可用控制總回路的方式。城市軌道交通運(yùn)營能耗主要分布在列車牽引用電和動力照明用電兩大部分。動力照明用電主要包括通風(fēng)空調(diào)、給排水、電扶梯、照明、弱電設(shè)備等。根據(jù)對北京、上海、廣州等多條地鐵運(yùn)營線路的用電負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出,耗能方式在不同線路表現(xiàn)相同,均以牽引用電和通風(fēng)空調(diào)用電為主,兩項(xiàng)之和約占地鐵總能耗的3/4左右。耗能負(fù)荷大多在地鐵載客運(yùn)營期間處于運(yùn)行狀態(tài),地鐵停運(yùn)后僅有少量負(fù)荷在繼續(xù)運(yùn)行。

綜上,在地下車站的機(jī)電設(shè)備中,通風(fēng)空調(diào)、提升設(shè)備、照明占了主要部分,應(yīng)作為車站能耗監(jiān)測及節(jié)能管控研究的重點(diǎn)。

2 能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為更好地開展能源管理工作,為軌道交通的節(jié)能減排工作提供有力的支持,必須對能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行研究,能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對能源分類、分項(xiàng)、分戶計(jì)量,通過能源消耗情況、進(jìn)行節(jié)能潛力分析以及效果驗(yàn)證,因此,能耗數(shù)據(jù)采集可以為節(jié)能減排工作提供數(shù)據(jù)支持并提出優(yōu)化建議,另外通過對相關(guān)回路的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析,可以為軌道交通的就地、局部無功補(bǔ)充及諧波質(zhì)量技術(shù)方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及相關(guān)驗(yàn)證。

根據(jù)變電所綜合自動化系統(tǒng)的架構(gòu)情況,提出了兩種方案,方案一是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò),配置獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,獨(dú)立處理數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸,方案二是和變電所綜合自動化共用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,成為其中的一個(gè)子系統(tǒng)。以軌道交通典型的牽引降壓變電所為例,列出兩個(gè)方案的設(shè)備配置。

車站 方案一設(shè)備配置 方案二設(shè)備配置為4 0 . 5 k V開關(guān)柜智能電表配置1臺2個(gè)串口, 1個(gè)光口串口服務(wù)器牽引降壓所與4 0 . 5 k V開關(guān)柜保護(hù)測控單元配置的1臺串口服務(wù)器共用為4 0 0 V開關(guān)柜配置1臺8個(gè)串口, 1個(gè)光口串口服務(wù)器與4 0 0 V開關(guān)柜保護(hù)測控單元配置的1臺串口服務(wù)器共用車站控制信號盤內(nèi)配一臺通信處理器車站控制信號盤內(nèi)總控單元共用到現(xiàn)場通信采用專用光纜及附件 與變電所綜合自動化共用到綜合監(jiān)控采用專用光纜、光電轉(zhuǎn)換器和相關(guān)附件 與變電所綜合自動化共用

變電所綜合自動化側(cè)重于對供電設(shè)備的控制、重要參數(shù)的采集,供電系統(tǒng)的運(yùn)行依賴于變電所綜合自動化的可靠行、安全性,故方案一對既有變電所綜合自動化無影響,缺點(diǎn)是需要增加設(shè)備的投資每站約50萬,增加綜合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理及傳輸?shù)呢?fù)荷;方案二能最大的利用既有設(shè)備,但會影響變電所自動化的可靠性、安全性,但隨著變電所綜合自動化設(shè)備的升級、方案的完善,可以把影響降到最低;在現(xiàn)階段,為了確保不影響供電系統(tǒng)的運(yùn)行,推薦方案一。

圖2 車站級能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

3 智能化控制策略與方案研究

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)多設(shè)備、多系統(tǒng)集成的系統(tǒng)。各設(shè)備、各系統(tǒng)間互相影響、制約和藕合。如果各設(shè)備、各系統(tǒng)獨(dú)立控制、互不兼容,各自為戰(zhàn)的話,極易導(dǎo)致部分系統(tǒng)發(fā)生振蕩,致使整個(gè)系統(tǒng)不能高效穩(wěn)定的運(yùn)行。地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)還具有負(fù)荷波動大、時(shí)滯性大的系統(tǒng),如果整個(gè)系統(tǒng)不能很好的隨動負(fù)荷的變化,很容易造成服務(wù)水平下降、能耗浪費(fèi)等一系列不良反應(yīng)。因此一個(gè)整合了各設(shè)備、各系統(tǒng),能很好的匹配負(fù)荷變化,并具有一定預(yù)測功能的控制系統(tǒng),對于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行,具有重要的作用。

3.1 地鐵空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)主要構(gòu)成

(1)風(fēng)系統(tǒng)控制策略(含空調(diào)器風(fēng)機(jī)變頻及二通閥開度控制,即風(fēng)水聯(lián)動控制);(2)冷凍水系統(tǒng)節(jié)能控制策略(冷凍水泵變頻控制策略);(3)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略(冷凍水泵變頻控制策略);(4)冷水機(jī)組群控策略;(5)動態(tài)水力平衡控制策略;⑥變流量工況下安全保護(hù)控制。

3.2 智能照明系統(tǒng)部分組成

(1)中央監(jiān)控電腦;(2)總線耦合器(網(wǎng)關(guān)); (3)智能控制模塊;(4)智能控制面板;(5)照度傳感器。

3.3 智能照明系統(tǒng)的控制功能

(1)地鐵站強(qiáng)調(diào)對客人的第一印象,要求利用明暗有序和適度的照明環(huán)境讓人進(jìn)入地鐵站后就能感到高雅舒適的氣氛;(2)地鐵站的燈具數(shù)量多,品質(zhì)高并十分昂貴,要求控制系統(tǒng)可以延長燈具壽命,降低地鐵站運(yùn)行費(fèi)用;(3)地鐵站管理要求能夠?qū)Φ罔F站內(nèi)所有公共區(qū)域的燈光實(shí)時(shí)監(jiān)控并能根據(jù)環(huán)境改變當(dāng)前照明狀態(tài); (4)地鐵站的照明耗電約占整個(gè)能源的35%左右,要求通過控制系統(tǒng)能節(jié)省能源消耗;(5)地鐵站的主要功能區(qū)如:出入口、站廳、樓(扶)梯和站臺等需要因不同的場面而變換不同的燈光環(huán)境,營造不同的環(huán)境氣氛; (6)出入口處和站廳需要根據(jù)每天的時(shí)鐘變化不同的燈光場景,以適應(yīng)不同照度情況下的燈光亮度需要,同時(shí)應(yīng)該增加照度傳感器設(shè)備,當(dāng)惡劣氣候來臨的時(shí)候整個(gè)系統(tǒng)可以自動打開燈光,提供適當(dāng)?shù)恼斩?(7)樓(扶)梯和站臺是人群聚集的地方,首先需要根據(jù)每天的時(shí)鐘變化不同的燈光場景,其次根據(jù)每年的季節(jié)變化實(shí)現(xiàn)不同的色溫變化,第三,當(dāng)列車到達(dá)的時(shí)候可以打開或增量離軌道較近的燈光,便于人群進(jìn)出列車;(8)整個(gè)車站在周末或節(jié)日還可以體現(xiàn)不同的場景。(9)燈光效果的控制實(shí)現(xiàn)全部自動化操作;(10)每個(gè)車站的節(jié)能控制系統(tǒng)可以對整個(gè)車站的全部燈光進(jìn)行圖形化監(jiān)控; (11)傳統(tǒng)的照明無法實(shí)現(xiàn)或難以實(shí)現(xiàn)上述功能需求,智能照明管理系統(tǒng)通過對調(diào)光模塊和開關(guān)模塊的控制設(shè)置,在面板的場景功能及對單回路的控制非常容易的實(shí)現(xiàn)這些功能需求。

［1］綜合能耗計(jì)算通則.GB/T2589—2008.

［2］企業(yè)能源審計(jì)技術(shù)通則.GB/T17166—1997.

［3］節(jié)能監(jiān)測技術(shù)通則.GB/T15316-2009.