基于綠色船閘的智能能效管理平臺及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

蒲 皓，劉 轟

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014）

全球資源與環(huán)境問題日益嚴(yán)重，綠色低碳的發(fā)展方式已成為國際社會統(tǒng)一的發(fā)展思路。我國自然資源緊缺，能源問題突出，急需在各領(lǐng)域提倡節(jié)能的理念，并將其迅速推廣至應(yīng)用領(lǐng)域。

黨的十八屆五中全會把“綠色發(fā)展”作為五大發(fā)展理念之一，倡導(dǎo)在“十三五”期間堅(jiān)持走節(jié)約資源的文明發(fā)展道路。水運(yùn)作為一種低能耗和相對環(huán)保的交通運(yùn)輸方式，越來越得到重視。特別是綠色水運(yùn)，更是具有可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)內(nèi)涵的航運(yùn)模式。因此，減少船閘在運(yùn)行過程中的消耗，削減管理運(yùn)營的成本，降低船閘運(yùn)行對周邊生態(tài)環(huán)境造成的影響，成為當(dāng)今交通運(yùn)輸領(lǐng)域一個(gè)意義重大的課題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析與評價(jià)

目前，國內(nèi)在船閘機(jī)電領(lǐng)域?qū)?jié)能技術(shù)的應(yīng)用主要集中在照明設(shè)備的更新或?qū)﹄妱訖C(jī)變頻器、光伏等技術(shù)的引入[1-2]。總體來說，尚未形成系統(tǒng)的節(jié)能方案，節(jié)能方式單一，智能化程度低，節(jié)能效果不夠顯著。

2 智能能效管理平臺設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

智能能效管理平臺針對船閘主要耗電系統(tǒng)和裝置，利用能源計(jì)量控制設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，把分散的能源信息（信息孤島）匯總、計(jì)算、分析，從而科學(xué)地挖掘節(jié)能潛力，為領(lǐng)導(dǎo)提供決策依據(jù)，實(shí)現(xiàn)主觀和客觀控制的節(jié)能，最終實(shí)現(xiàn)能源管理、節(jié)能降耗，進(jìn)而降低成本，提高效益。

2.2 功能分析

從功能上分析，智能能效管理平臺分為能耗監(jiān)測、節(jié)能評估、節(jié)能管控和節(jié)能效果分析四個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 智能能效管理平臺功能系統(tǒng)框圖

2.2.1 能耗監(jiān)測

結(jié)合船閘2.5維圖形實(shí)現(xiàn)主要電力（空調(diào)照明及動力等）消耗量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和累計(jì)數(shù)據(jù)的圖形化顯示，功能包括實(shí)時(shí)能耗顯示、實(shí)時(shí)報(bào)警、負(fù)荷曲線。

2.2.2 節(jié)能評估

利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)節(jié)能評估（供配電、照明、空調(diào)等系統(tǒng)），為船閘管理者提供節(jié)能決策的支持。功能包括統(tǒng)計(jì)報(bào)表、節(jié)能分析。

2.2.3 智能管控

4.人才不夠。各試點(diǎn)省份稅務(wù)系統(tǒng)公職律師人員普遍不多，且分布不均，一些地市稅務(wù)系統(tǒng)仍舊沒有合格的公職律師人選。此外，部分具備法律專業(yè)背景的干部缺乏法律服務(wù)工作經(jīng)驗(yàn)，法律服務(wù)的技能和水平還有待提高。

借助節(jié)能措施和方案對船閘電力系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能管理和控制，功能包括管理節(jié)能和設(shè)備節(jié)能。

（1）管理節(jié)能。針對船閘運(yùn)行特點(diǎn)制定可行的節(jié)能用電計(jì)劃，實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)、辦公區(qū)域耗電情況，對無需運(yùn)行的設(shè)備、無人使用的辦公區(qū)采取限電措施，減少能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)管理節(jié)能。

（2）設(shè)備節(jié)能。針對船閘運(yùn)營過程中生產(chǎn)、生活用電設(shè)備的運(yùn)行，利用節(jié)電補(bǔ)償裝置、通信網(wǎng)絡(luò)及節(jié)電管理裝置實(shí)現(xiàn)設(shè)備節(jié)能。

2.3 設(shè)備節(jié)能解決方案

2.3.1 船閘用電情況分析

根據(jù)多年來對船閘運(yùn)營的研究經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)分析，船閘運(yùn)營過程中電能消耗的情況為：動力約32%，照明約23%，空調(diào)占約37%，其他用電約8%。因此，對設(shè)備節(jié)能方案的研究重點(diǎn)集中于電能質(zhì)量、動力、照明以及空調(diào)用電。

2.3.2 設(shè)備節(jié)能的功能分析

據(jù)以上分析，設(shè)備節(jié)能功能分為四個(gè)核心模塊：電能質(zhì)量優(yōu)化管理、動力節(jié)能控制、照明節(jié)能控制和空調(diào)節(jié)能控制。

（1）電能質(zhì)量優(yōu)化管理。利用能耗監(jiān)測系統(tǒng)提供的電力系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過智能芯片或遠(yuǎn)程服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理分析，采取適合的技術(shù)措施對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要針對電力系統(tǒng)電壓、電流和功率因素等電能指標(biāo)進(jìn)行綜合管理，提升電能品質(zhì)，消除由于電能品質(zhì)不佳產(chǎn)生的浪費(fèi)與損害。

（2）動力節(jié)能控制。根據(jù)現(xiàn)場采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)智能分析計(jì)算，估算動力系統(tǒng)用電的合理需求，與實(shí)際用電情況比較，通過調(diào)節(jié)設(shè)備的功率，減少能源損耗。

（3）照明節(jié)能控制。針對生產(chǎn)生活照明，根據(jù)本地日出日落時(shí)間和光照值，采用時(shí)控、光控相結(jié)合的控制方法，根據(jù)現(xiàn)場采集的工作電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，由遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行分析，智能調(diào)節(jié)電力參數(shù)，控制照明設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、功率和亮度值。另外，采用能效高的光源和綠色能源供能方案[3]。

（4）空調(diào)節(jié)能控制。在現(xiàn)場裝設(shè)傳感裝置，采集現(xiàn)場溫濕度等數(shù)據(jù)，通過智能管理平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，遠(yuǎn)程通過控制終端對空調(diào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，或遠(yuǎn)程設(shè)定溫濕度閾值及開啟時(shí)段。

2.3.3 設(shè)備節(jié)能的關(guān)鍵問題解決方案

本課題核心在于利用智能能效管理平臺強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和分析能力，對各能耗重點(diǎn)進(jìn)行有針對的調(diào)節(jié)和管理，通過先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)對不同設(shè)備類型采取相應(yīng)的節(jié)能方案和優(yōu)化手段。

（1）對電能質(zhì)量的優(yōu)化管理，首要需解決供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集問題。通常，船閘設(shè)計(jì)中設(shè)置有電力監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)控對象為配電房變配電一次設(shè)備，包括高壓負(fù)荷開關(guān)、低壓斷路器、變壓器（溫控儀）、發(fā)電機(jī)（控制屏）等。

本能效管理平臺與電力監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)管控一體化，利用電力監(jiān)控系統(tǒng)已有的軟硬件設(shè)備收集供配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)[4]。

電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響因素有供電電壓、電流以及功率因素等。在電流電壓方面，產(chǎn)生損耗的一個(gè)重要原因是供電系統(tǒng)普遍存在的三相負(fù)荷不平衡。其中不平衡電流的負(fù)序、零序電流嚴(yán)重威脅電力設(shè)備的安全運(yùn)行，加大了設(shè)備的損耗。因此，解決三相平衡問題是保證電能質(zhì)量的重要思路。

（2）對動力節(jié)能控制，電機(jī)的啟動電流一般為額定電流的4～7倍，啟動電流過大會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，影響電能質(zhì)量，造成損耗，嚴(yán)重還可能損壞設(shè)備，可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用合適的啟動模式。

此外，為保證生產(chǎn)的可靠性，機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動力驅(qū)動時(shí)，都留有一定的富余量。通常，電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。動力節(jié)能多采用變頻的方法，降低電機(jī)的運(yùn)行速度，使其在恒壓的同時(shí)節(jié)約電能。變頻方案的關(guān)鍵問題在于變頻器的參數(shù)設(shè)置，利用智能能效管理平臺的數(shù)據(jù)分析能力，可采用合理算法得出最優(yōu)的運(yùn)行方案。

（3）照明節(jié)能的重點(diǎn)在于通過對光照、電壓、電流等數(shù)據(jù)的收集，運(yùn)用智能能效管理平臺采用合理算法計(jì)算，以精確的電壓、電流、功率調(diào)整方式控制照明設(shè)備的開關(guān)或亮度值。采用能效高、壽命長的新型光源是一種合理的節(jié)能措施，而采用綠色能源供能更是照明節(jié)能的關(guān)鍵。目前，最廣泛使用的綠色能源包括光能、風(fēng)能等。

（4）空調(diào)耗電是船閘節(jié)能的重要關(guān)注點(diǎn)。智能能效管理平臺除根據(jù)時(shí)段設(shè)置控制空調(diào)開關(guān)外，還要根據(jù)區(qū)域、環(huán)境溫濕度條件以及人員活動情況采取不同的溫控措施，以在滿足人員的舒適度需求的前提下，減少能耗。

3 結(jié)語

智能能效管理平臺的設(shè)計(jì)思路，以響應(yīng)十八屆五中全會提倡的“綠色發(fā)展”理念為前提，將先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)、船閘機(jī)電系統(tǒng)以及智能大數(shù)據(jù)分析平臺緊密相結(jié)合，加大船閘節(jié)能環(huán)保技術(shù)的研究力度，從技術(shù)和管理角度推動節(jié)能減排，提高機(jī)電管理效能，保障船閘安全高效生產(chǎn)。這對于填補(bǔ)該項(xiàng)研究在國內(nèi)船閘行業(yè)領(lǐng)域的空白，具有很重要的實(shí)際意義。