基于綜合監(jiān)控的城市軌道交通全線能源管理系統(tǒng)研究

張 偉 解 凱 張長開 張志學(xué)

(南京南瑞繼保電氣有限公司， 211102， 南京∥第一作者， 工程師)

目前，國內(nèi)主要城市已對城市軌道交通能源管理進(jìn)行研究并積累了相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)：文獻(xiàn)[1]研究了車站能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組成、整體架構(gòu)和功能；文獻(xiàn)[2]研究了一種基于EXTJS的城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式；文獻(xiàn)[3]從綜合監(jiān)控系統(tǒng)角度研究了相關(guān)機(jī)電設(shè)備的節(jié)能技術(shù)；文獻(xiàn)[4]根據(jù)南京地鐵自身特點(diǎn)細(xì)化分析了能耗分項(xiàng)模型。但是，目前已有研究大多從統(tǒng)計(jì)功能上進(jìn)行分析，未對能耗與設(shè)備運(yùn)行的內(nèi)在聯(lián)系以及影響能耗的因素進(jìn)行研究，所得數(shù)據(jù)的可靠性、針對性不盡如人意，數(shù)據(jù)的共享和利用也不夠充分。

因此，本文提出了一種基于綜合監(jiān)控的全線能源管理系統(tǒng)建設(shè)模式，建立以能耗為核心的層次化模型，對電力、水資源、設(shè)備、環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)視，并對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)功能，以及能耗狀態(tài)分析、設(shè)備狀態(tài)管理、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、節(jié)能控制、評估考核等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 全線能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

全線能源管理系統(tǒng)由中心級能源管理系統(tǒng)、車站級能源管理系統(tǒng)、節(jié)能控制系統(tǒng)、智能表計(jì)和通訊設(shè)備等構(gòu)成，采用兩級管理、三級控制方式。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、采集數(shù)據(jù)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)高度相似，因此可將全線能源管理系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)深度集成，如圖1所示。

1.1 中心級能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

中心級能源管理系統(tǒng)采用主備冗余應(yīng)用服務(wù)器，配置Web服務(wù)器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)發(fā)布至辦公管理網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息化遠(yuǎn)程管理。該層級的其余設(shè)備與綜合監(jiān)控系統(tǒng)共用。

1.2 車站級能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

車站級能源管理系統(tǒng)不單獨(dú)組建網(wǎng)絡(luò)，深度集成于車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)之中，僅需配置一套節(jié)能控制系統(tǒng)。

注：BAS——環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；Web——全球廣域網(wǎng)；FEP——前端處理器。

2 全線能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)包括電耗數(shù)據(jù)、水耗數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、能耗設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)等。其計(jì)量器皿配置及其相關(guān)的采集系統(tǒng)如表1所示。

3 全線能源管理系統(tǒng)的功能

該系統(tǒng)軟件平臺(tái)由一系列基于服務(wù)器和工作站的軟件模塊組成，支持基于中間件客戶端/服務(wù)器或?yàn)g覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，可按用戶需求進(jìn)行二次開發(fā)，能夠?qū)γ恳粋€(gè)功能模塊的公用數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。

該系統(tǒng)對全線進(jìn)行能耗分項(xiàng)、分類和分戶的分析研究，可實(shí)現(xiàn)分散采集、集中分析、輔助決策、優(yōu)化管理和節(jié)能控制。本文通過梳理現(xiàn)有的能耗狀況，明確能耗的構(gòu)成及其來龍去脈，在此基礎(chǔ)上建立科學(xué)的能耗模型，以優(yōu)化能源系統(tǒng)運(yùn)行方式，推>動(dòng)城市軌道交通行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化和智能化發(fā)展。

表1 計(jì)量器皿的配置原則及對應(yīng)的采集系統(tǒng)

3.1 中心級能源管理系統(tǒng)的功能

中心級能源管理系統(tǒng)基于能耗大數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分項(xiàng)、分戶處理，用于集中分析、輔助決策等信息化管理。該系統(tǒng)支持友好的人機(jī)界面展示和多種能耗報(bào)表查詢。通過動(dòng)態(tài)跟蹤能耗變化趨勢，發(fā)現(xiàn)用能異常環(huán)節(jié)、挖掘節(jié)能關(guān)鍵點(diǎn)。通過對各車站進(jìn)行能效指標(biāo)分析評估，樹立標(biāo)桿，明確目標(biāo)，為節(jié)能管理提供輔助決策。該系統(tǒng)采用Web數(shù)據(jù)發(fā)布技術(shù)將能耗數(shù)據(jù)發(fā)布至辦公管理網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息化遠(yuǎn)程管理，并具備向線網(wǎng)級能源管理系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的擴(kuò)展性。

3.2 車站級能源管理系統(tǒng)的功能

車站級能源管理系統(tǒng)對各車站、車輛段/停車場的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時(shí)跟蹤能耗變化趨勢。通過形象的人機(jī)界面數(shù)據(jù)展示幫助車站運(yùn)營人員及時(shí)了解能耗狀況。車站級數(shù)據(jù)通過光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送至中心級能源管理系統(tǒng)中，同時(shí)能夠接收中心級系統(tǒng)下發(fā)的控制指令。車站節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的目標(biāo)指令實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行。

4 全線能源管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)勢

4.1 共享硬件資源

與獨(dú)立的能源管理相比，該系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)共享硬件資源，減少了車站級的硬件設(shè)備，以及中心級的歷史服務(wù)器、磁盤陣列、交換機(jī)等設(shè)備，大大減少了前期投資成本，提高了能源管理系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益，在保證功能需求的基礎(chǔ)上有效減少了因設(shè)備空間不足帶來的問題。

4.2 共用軟件平臺(tái)

全線能源管理系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)共用同一軟件平臺(tái)，從而避免了獨(dú)立能源管理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的局限性以及系統(tǒng)間數(shù)據(jù)頻繁交互產(chǎn)生的不確定性。

4.3 與電力監(jiān)控系統(tǒng)互連

該系統(tǒng)在車站端與電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行互連，方便車站運(yùn)行人員及時(shí)了解本站的能耗狀況，為城市軌道交通能源管理運(yùn)行管理制度建設(shè)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，該系統(tǒng)可以充分利用從電力監(jiān)控系統(tǒng)采集到的中低壓電量和電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。

4.4 能耗狀態(tài)分析

車站設(shè)備消耗的電能與運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，不同設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)變化會(huì)有所不同。對于通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)從設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行頻率、進(jìn)出風(fēng)口的溫濕度、CO2濃度角度綜合研究其能耗變化趨勢；對于電扶梯及照明設(shè)備，應(yīng)從設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行工況研究其能耗變化情況。

通過上述分析，應(yīng)建立不同類型設(shè)備能耗與相關(guān)影響因素的優(yōu)化模型，自動(dòng)生成周期內(nèi)的能耗健康分析報(bào)告，在明確能耗分布基礎(chǔ)上給出引起能耗變化的主要因素。運(yùn)營人員可根據(jù)不同時(shí)期的能耗分析報(bào)告全面掌握設(shè)備的能耗情況。

4.5 設(shè)備狀態(tài)管理

能源管理系統(tǒng)配置有大量的采集計(jì)量器皿，如何對這些設(shè)備進(jìn)行有效的維護(hù)和管理非常重要，這直接影響到數(shù)據(jù)源的可靠性和運(yùn)維的高效性。

設(shè)備狀態(tài)管理通過數(shù)據(jù)的反向校驗(yàn)分析，對設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)進(jìn)行評估和預(yù)警，通過建立運(yùn)營系統(tǒng)和運(yùn)維系統(tǒng)的能源對話機(jī)制，有效解決設(shè)備運(yùn)行中可能出現(xiàn)的異常問題。

對于計(jì)量表計(jì)，考慮環(huán)境和客流因素，應(yīng)根據(jù)周期內(nèi)采集電量數(shù)據(jù)變化趨勢對上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性判斷，對于異常突變數(shù)據(jù)作出預(yù)警提醒；對于大功率能耗設(shè)備，應(yīng)基于能耗狀態(tài)分析模型計(jì)算設(shè)備單位能效，一旦超過預(yù)警值應(yīng)進(jìn)行預(yù)警。例如，可通過擬合進(jìn)出風(fēng)口溫度、CO2濃度、空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行頻率等參數(shù)，與空調(diào)機(jī)組的能耗建立關(guān)聯(lián)，計(jì)算出空調(diào)機(jī)組的制冷效率，當(dāng)機(jī)組效率達(dá)到預(yù)警值時(shí)則提醒運(yùn)維人員需要對該設(shè)備進(jìn)行除垢清灰等維護(hù)操作。

4.6 設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化

能源管理的目的是基于對能源狀況的統(tǒng)計(jì)分析，在保證車站正常運(yùn)行和乘客滿意的基礎(chǔ)上，為節(jié)能提供有效的方法決策。

首先根據(jù)公共區(qū)面積、出入口數(shù)量和客流量進(jìn)行車站等級劃分；然后根據(jù)車站的客流、溫濕度、CO2濃度變化情況，基于大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提供不同時(shí)間段下通風(fēng)設(shè)備、電扶梯等大功率能耗設(shè)備啟停等的運(yùn)行狀態(tài)參考方案，供運(yùn)營人員選擇。例如，非高峰時(shí)段車站的客流量明顯減少，系統(tǒng)檢測出公共區(qū)CO2濃度降低，同時(shí)基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，可觸發(fā)車站的低客流運(yùn)行模式，即：啟動(dòng)新風(fēng)機(jī)“單排單送”、部分進(jìn)站扶梯停運(yùn)等模式，運(yùn)營人員可選擇是否執(zhí)行。

對于不同等級車站還可針對外界環(huán)境溫度給出不同時(shí)間段冷水機(jī)組開啟狀態(tài)方案，以實(shí)現(xiàn)對冷水機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行，為當(dāng)前粗放式運(yùn)行模式提供參考。

4.7 節(jié)能控制技術(shù)

該系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷情況自動(dòng)調(diào)整空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量和運(yùn)行參數(shù)，在滿足負(fù)荷動(dòng)態(tài)需求的同時(shí)，降低機(jī)電設(shè)備運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)集群優(yōu)化控制。如圖2所示，采用閉環(huán)方式對送風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，根據(jù)邊界條件和運(yùn)行工況對溫度設(shè)

注：P——比例調(diào)節(jié)參數(shù)；I——積分調(diào)節(jié)參數(shù)；D——微分調(diào)節(jié)參數(shù)；wij,wjk——比例調(diào)節(jié)微調(diào)參數(shù)。

定值進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化整定，在滿足負(fù)荷需求的同時(shí)減少了末端系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

4.8 評估考核

綜合能效評估是對所采取的節(jié)能方案以及不同車站間的綜合能效進(jìn)行評估考核。結(jié)合能耗的分類、分項(xiàng)模型，以及城市軌道交通運(yùn)營績效評估體系(MOPES)，本文建立了層次化的綜合能效評估模型，如圖3所示。

圖3 綜合能效評估模型

對于同類型車站，綜合能效評估結(jié)果越大，則其排名更靠前，運(yùn)行方式更為經(jīng)濟(jì)合理。通過對不同類型車站綜合能效評估結(jié)果進(jìn)行對比，可進(jìn)一步挖掘能耗的影響因素，健全城市軌道交通的能源管理系統(tǒng)，幫助各車站制定合理的節(jié)能目標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)建立能源考核體系，進(jìn)而促進(jìn)節(jié)能工作的有效實(shí)施。綜合能效評估結(jié)果計(jì)算公式如下：

式中：

Vj——第j個(gè)車站的綜合能效評估值。

B——基礎(chǔ)層評估指標(biāo)的總個(gè)數(shù)；

zij——第j個(gè)車站在基礎(chǔ)層的第i個(gè)評估指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；

zj——第j個(gè)車站的客流標(biāo)準(zhǔn)化值；

ωi——基礎(chǔ)層的第i個(gè)評估指標(biāo)相對于分項(xiàng)層的相對權(quán)重；

ξe——系統(tǒng)層的第e個(gè)評估指標(biāo)相對于目標(biāo)層的相對權(quán)重；

ξ——客流系數(shù)；

ηf——分項(xiàng)層的第f個(gè)評估指標(biāo)相對于系統(tǒng)層的相對權(quán)重。

5 結(jié)語

基于綜合監(jiān)控的全線能源管理系統(tǒng)采用兩級管理、三級控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的硬件共享、平臺(tái)共用。本文通過建立設(shè)備能耗與運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境和客流等影響因素優(yōu)化模型，進(jìn)行能耗狀態(tài)分析、設(shè)備狀態(tài)管理和設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)能源消耗過程中的發(fā)展趨勢、異常情況及節(jié)能潛力，從而為管理節(jié)能提供參考決策。該系統(tǒng)通過節(jié)能控制技術(shù)，優(yōu)化了運(yùn)行方式，提高了能源利用效率，可在保證正常運(yùn)營和乘客滿意度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的目的。

該系統(tǒng)能全面準(zhǔn)確地反映整條線路的能耗情況，可對各車站、各專業(yè)、各設(shè)備之間進(jìn)行形象化的橫向、縱向評估比較，為用戶制定各種節(jié)能獎(jiǎng)懲目標(biāo)提供可靠的依據(jù)，規(guī)范了能源系統(tǒng)的運(yùn)行管理。此外，該系統(tǒng)積累了大量數(shù)據(jù)資源、能源管理分析技術(shù)和節(jié)能控制經(jīng)驗(yàn)，可為完善車站的數(shù)字化建設(shè)、提升城市軌道交通的信息化水平、發(fā)展智慧交通奠定基礎(chǔ)。