基于綜合監控的城市軌道交通全線能源管理系統研究

張 偉 解 凱 張長開 張志學

(南京南瑞繼保電氣有限公司， 211102， 南京∥第一作者， 工程師)

目前，國內主要城市已對城市軌道交通能源管理進行研究并積累了相關數據和經驗：文獻[1]研究了車站能源管理系統設計、組成、整體架構和功能；文獻[2]研究了一種基于EXTJS的城市軌道交通能源管理系統的實現方式；文獻[3]從綜合監控系統角度研究了相關機電設備的節能技術；文獻[4]根據南京地鐵自身特點細化分析了能耗分項模型。但是，目前已有研究大多從統計功能上進行分析，未對能耗與設備運行的內在聯系以及影響能耗的因素進行研究，所得數據的可靠性、針對性不盡如人意，數據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控的全線能源管理系統建設模式，建立以能耗為核心的層次化模型，對電力、水資源、設備、環境進行全面監視，并對網絡架構、數據采集、系統功能，以及能耗狀態分析、設備狀態管理、設備運行優化、節能控制、評估考核等關鍵技術進行研究。

1 全線能源管理系統架構

全線能源管理系統由中心級能源管理系統、車站級能源管理系統、節能控制系統、智能表計和通訊設備等構成，采用兩級管理、三級控制方式。該系統的網絡架構、采集數據與綜合監控系統高度相似，因此可將全線能源管理系統與綜合監控系統深度集成，如圖1所示。

1.1 中心級能源管理系統架構

中心級能源管理系統采用主備冗余應用服務器，配置Web服務器將實時數據和歷史數據發布至辦公管理網，實現信息化遠程管理。該層級的其余設備與綜合監控系統共用。

1.2 車站級能源管理系統架構

車站級能源管理系統不單獨組建網絡，深度集成于車站級綜合監控系統之中，僅需配置一套節能控制系統。

注：BAS——環境監控系統；Web——全球廣域網；FEP——前端處理器。

2 全線能源管理系統的數據采集

該系統的采集數據包括電耗數據、水耗數據、設備運行參數、能耗設備狀態和環境參數等。其計量器皿配置及其相關的采集系統如表1所示。

3 全線能源管理系統的功能

該系統軟件平臺由一系列基于服務器和工作站的軟件模塊組成，支持基于中間件客戶端/服務器或瀏覽器/服務器結構，可按用戶需求進行二次開發，能夠對每一個功能模塊的公用數據進行訪問。

該系統對全線進行能耗分項、分類和分戶的分析研究，可實現分散采集、集中分析、輔助決策、優化管理和節能控制。本文通過梳理現有的能耗狀況，明確能耗的構成及其來龍去脈，在此基礎上建立科學的能耗模型，以優化能源系統運行方式，推>動城市軌道交通行業的標準化、數字化和智能化發展。

表1 計量器皿的配置原則及對應的采集系統

3.1 中心級能源管理系統的功能

中心級能源管理系統基于能耗大數據進行分類、分項、分戶處理，用于集中分析、輔助決策等信息化管理。該系統支持友好的人機界面展示和多種能耗報表查詢。通過動態跟蹤能耗變化趨勢，發現用能異常環節、挖掘節能關鍵點。通過對各車站進行能效指標分析評估，樹立標桿，明確目標，為節能管理提供輔助決策。該系統采用Web數據發布技術將能耗數據發布至辦公管理網，實現信息化遠程管理，并具備向線網級能源管理系統傳輸數據的擴展性。

3.2 車站級能源管理系統的功能

車站級能源管理系統對各車站、車輛段/停車場的能耗數據進行實時監控和統計分析，實時跟蹤能耗變化趨勢。通過形象的人機界面數據展示幫助車站運營人員及時了解能耗狀況。車站級數據通過光纖環網實時傳送至中心級能源管理系統中，同時能夠接收中心級系統下發的控制指令。車站節能控制系統根據接收到的目標指令實現空調機組優化運行。

4 全線能源管理系統的關鍵技術和優勢

4.1 共享硬件資源

與獨立的能源管理相比，該系統與綜合監控系統共享硬件資源，減少了車站級的硬件設備，以及中心級的歷史服務器、磁盤陣列、交換機等設備，大大減少了前期投資成本，提高了能源管理系統的建設經濟效益，在保證功能需求的基礎上有效減少了因設備空間不足帶來的問題。

4.2 共用軟件平臺

全線能源管理系統與綜合監控系統共用同一軟件平臺，從而避免了獨立能源管理系統采集數據的局限性以及系統間數據頻繁交互產生的不確定性。

4.3 與電力監控系統互連

該系統在車站端與電力監控系統進行互連，方便車站運行人員及時了解本站的能耗狀況，為城市軌道交通能源管理運行管理制度建設奠定基礎。同時，該系統可以充分利用從電力監控系統采集到的中低壓電量和電能質量數據。

4.4 能耗狀態分析

車站設備消耗的電能與運行狀態有關，不同設備的運行狀態變化會有所不同。對于通風系統設備，應從設備運行時間、運行頻率、進出風口的溫濕度、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備，應從設備運行時間和運行工況研究其能耗變化情況。

通過上述分析，應建立不同類型設備能耗與相關影響因素的優化模型，自動生成周期內的能耗健康分析報告，在明確能耗分布基礎上給出引起能耗變化的主要因素。運營人員可根據不同時期的能耗分析報告全面掌握設備的能耗情況。

4.5 設備狀態管理

能源管理系統配置有大量的采集計量器皿，如何對這些設備進行有效的維護和管理非常重要，這直接影響到數據源的可靠性和運維的高效性。

設備狀態管理通過數據的反向校驗分析，對設備運行健康狀態進行評估和預警，通過建立運營系統和運維系統的能源對話機制，有效解決設備運行中可能出現的異常問題。

對于計量表計，考慮環境和客流因素，應根據周期內采集電量數據變化趨勢對上送的數據進行合理性判斷，對于異常突變數據作出預警提醒；對于大功率能耗設備，應基于能耗狀態分析模型計算設備單位能效，一旦超過預警值應進行預警。例如，可通過擬合進出風口溫度、CO2濃度、空調機組的運行頻率等參數，與空調機組的能耗建立關聯，計算出空調機組的制冷效率，當機組效率達到預警值時則提醒運維人員需要對該設備進行除垢清灰等維護操作。

4.6 設備運行優化

能源管理的目的是基于對能源狀況的統計分析，在保證車站正常運行和乘客滿意的基礎上，為節能提供有效的方法決策。

首先根據公共區面積、出入口數量和客流量進行車站等級劃分；然后根據車站的客流、溫濕度、CO2濃度變化情況，基于大數據分析結果，提供不同時間段下通風設備、電扶梯等大功率能耗設備啟停等的運行狀態參考方案，供運營人員選擇。例如，非高峰時段車站的客流量明顯減少，系統檢測出公共區CO2濃度降低，同時基于歷史統計數據分析，可觸發車站的低客流運行模式，即：啟動新風機“單排單送”、部分進站扶梯停運等模式，運營人員可選擇是否執行。

對于不同等級車站還可針對外界環境溫度給出不同時間段冷水機組開啟狀態方案，以實現對冷水機組的優化運行，為當前粗放式運行模式提供參考。

4.7 節能控制技術

該系統可根據實時負荷情況自動調整空調機組的運行數量和運行參數，在滿足負荷動態需求的同時，降低機電設備運行能耗，實現集群優化控制。如圖2所示，采用閉環方式對送風溫度和回風溫度進行自動控制，根據邊界條件和運行工況對溫度設

注：P——比例調節參數；I——積分調節參數；D——微分調節參數；wij,wjk——比例調節微調參數。

定值進行自動優化整定，在滿足負荷需求的同時減少了末端系統的運行能耗。

4.8 評估考核

綜合能效評估是對所采取的節能方案以及不同車站間的綜合能效進行評估考核。結合能耗的分類、分項模型，以及城市軌道交通運營績效評估體系(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，綜合能效評估結果越大，則其排名更靠前，運行方式更為經濟合理。通過對不同類型車站綜合能效評估結果進行對比，可進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，幫助各車站制定合理的節能目標，并以此為基礎建立能源考核體系，進而促進節能工作的有效實施。綜合能效評估結果計算公式如下：

式中：

Vj——第j個車站的綜合能效評估值。

B——基礎層評估指標的總個數；

zij——第j個車站在基礎層的第i個評估指標的標準化值；

zj——第j個車站的客流標準化值；

ωi——基礎層的第i個評估指標相對于分項層的相對權重；

ξe——系統層的第e個評估指標相對于目標層的相對權重；

ξ——客流系數；

ηf——分項層的第f個評估指標相對于系統層的相對權重。

5 結語

基于綜合監控的全線能源管理系統采用兩級管理、三級控制架構，實現了與綜合監控系統的硬件共享、平臺共用。本文通過建立設備能耗與運行狀態、環境和客流等影響因素優化模型，進行能耗狀態分析、設備狀態管理和設備運行優化，可及時發現能源消耗過程中的發展趨勢、異常情況及節能潛力，從而為管理節能提供參考決策。該系統通過節能控制技術，優化了運行方式，提高了能源利用效率，可在保證正常運營和乘客滿意度的基礎上實現節能增效的目的。

該系統能全面準確地反映整條線路的能耗情況，可對各車站、各專業、各設備之間進行形象化的橫向、縱向評估比較，為用戶制定各種節能獎懲目標提供可靠的依據，規范了能源系統的運行管理。此外，該系統積累了大量數據資源、能源管理分析技術和節能控制經驗，可為完善車站的數字化建設、提升城市軌道交通的信息化水平、發展智慧交通奠定基礎。