城市軌道交通智能能源管理系統研究

董 哲

（中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，天津 300250）

城市軌道交通智能能源管理系統的研究，是針對城市軌道交通項目特點展開的。作為公眾交通服務項目，其建設規模大，投資高，并且運營成本多，能源消耗大。伴隨我國全社會用電量平穩增長，我國的能源消耗總量排名世界第二，但人均能源占有量僅為世界平均水平的40 %。尤其在“雙碳”政策背景下，節能減排已成為我國能源管理的必然趨勢。基于此，加大對城市軌道交通智能能源管理系統研究力度，響應政府“雙碳”政策，制訂完善的節能減排戰略計劃，為城市軌道交通智能能源高效利用與科學管理奠定了基礎。

1 研究背景與意義

《國家綜合立體交通網規劃綱要》指出：加快推進綠色低碳發展，交通領域二氧化碳排放盡早達峰的要求。北京城市副中心站綜合交通樞紐是《北京城市總體規劃（2016年—2035年）》中明確的10個全國客運樞紐之一，既是京唐城際近期工程始發終到站，也是城際鐵路聯絡線及其他多條城市軌道交通集中換乘站點，樞紐全日單向客流集散規模達到47.1萬人次，軌道交通全日客流量為22.5萬人次，作為用能大戶，綜合交通樞紐（以下簡稱“樞紐”）如何更好地踐行綠色發展社會責任，在綠色低碳發展中起到示范引領作用，是能源管理多年來一直探索前行的方向。

結合物聯網監測、大數據分析及可視化管理等技術，通過節能平臺統一集成能源消耗、設備運行以及環境等數據，綜合判定樞紐用電合理性。對耗能進行指標化管理，并進行節能分析，實現從“能耗監測系統”向“輔助降耗系統”的轉變。

2 淺析城市軌道交通智能能源管理系統

城市軌道交通智能能源管理系統的主體是監測、分析以及記錄交通運營能耗，軌道交通能耗類型比較多，水能、燃油、冷量、電能等均在監測之列。結合監測數據，對城市軌道交通能耗情況有所了解。通過監測數據分析與能耗變化情況，聯系軌道交通正常運行與發展需求，及時制訂節能降耗計劃，為城市軌道交通能源有效管理提供依據。城市軌道交通能源管理系統的應用，在很大程度上降低城市軌道交通運行與能源成本，充分利用城市軌道交通能源，科學抑制交通能源管理中的浪費現象，提高城市軌道交通能源管理水平。城市軌道交通能源管理系統的設計與優化，借助在線計量能源、能耗數據統計、節能控制、監測能源質量等技術，客觀分析城市軌道交通能源節能潛力，科學管理能耗數據，及時驗證能源降耗效果。目前城市軌道交通能源管理系統，包括能耗定額、能耗監督、能耗控制、能耗考核等。

3 城市軌道交通智能能源管理系統研究必要性

城市軌道交通消耗能源體量巨大，前端采集的海量數據很難通過人工方式分析其合理性；設備系統類型多、方案復雜、運行模式復雜，很難判斷設備運行狀況是否在最佳節能工況等。目前運營單位能源管理系統在節能管理方面存在以下問題。

3.1 缺少科學的指標評估功能

城市軌道交通運營后，隨設備運營期增加，自控系統故障或設備維護原因造成設備能效降低。內部耗能設備極其復雜，很難對耗能狀態合理性進行直觀的分析。通過綜合交通樞紐節能降碳分析平臺（以下簡稱“節能平臺”）提供的大數據分析功能，及時掌握樞紐各類能耗指標，綜合判斷用城市軌道交通能消耗是否在合理指標范圍內。

3.2 用能異常情況很難在第一時間發覺

如果設備能源消耗在不正常區間，往往伴隨設備故障、帶病運行等情況。通過節能平臺內置專家分析規則庫能夠及時對異常能耗進行預警，節約能耗的同時提高設備運行效率。

3.3 能源數據分析，缺少多維度數據

傳統能耗統計方式，因數據量大，統計工作復雜，往往不重視過程數據分析。通過節能平臺能夠實現能耗數據的全過程管理，形成歷史能源消耗統計曲線。同時可與環境、客流、設備運行狀態等數據進行綜合性分析，打破以往數據壁壘，充分挖掘節能潛力。

3.4 缺少碳排放監督功能

樞紐采取多項節能措施，對于降碳是否達標及是否存在降碳空間無法進行量化及考核。

4 城市軌道交通智能能源管理系統研究關鍵點

4.1 多維數據分析輔助節能運行控制研究

城市軌道交通內高耗能機電設備眾多，且均設置低壓控制設備，按照節能模式聯動運行。對于部分不易進行評估的指標，能源管理平臺通過與機電設備進行對接，實時監視設備運行狀態，分析節能策略執行情況，防止因人為操作失誤或設備執行錯誤造成能源浪費。

4.2 能耗數據指標化方案研究

能效指標是反映城市軌道交通能耗水平及節能執行情況的重要依據，通過能源管理平臺獲取的設備運行屬于及前端傳感器數據，能夠實時計算出能效指標。指標應采取分層設置方案，包含城市軌道交通綜合能效指標、系統能效指標、子系統能效指標以及設備能效指標。

4.3 能耗趨勢分析方案研究

通過節能平臺對能耗趨勢進行實時監督，量化節能指標。通過對能耗數據的不斷積累，結合設備運行情況及時發現節能空間。運用可視化技術，融合數據集成、可視化與實時交互為一體，將圖形與實時數據流進行統一整合，實現現場數據與圖形信息的聯動。

4.4 能耗分析規則及決策方案研究

打通系統內各個功能模塊，精準識別各類高耗能場景，設置適合樞紐重點機電設備的分析規則，實現精準告警。

4.5 降碳分析研究

科學預測計算城市軌道交通運行期碳排放量，制定城市軌道交通年度、月度碳排放計劃，分析制定降碳目標和降碳策略，并對降碳工作進行績效評價。

5 城市軌道交通能源系統設計優化

5.1 對城市軌道交通能源系統準確定位

城市軌道交通能源系統研究中，根據上述多方面的分析，及時積累應用經驗，對城市軌道交通能源系統準確定位，在此基礎上，精準優化系統。城市軌道交通能源系統的應用，監測能源消耗是主要目的，消耗的核心為電能，其次涉及水、氣消耗，打造更完整、多功能的軌道交通能源管理系統，準確定位的同時，充分發揮出城市軌道交通能源系統的節能管理作用。特別是節能反饋控制方面，搭配能源管理系統中的管理功能，對城市軌道運行期間的各種機電設備等進行監督控制，并且展開節能化調控，以此為城市軌道交通能源系統節能優化控制的實現奠定基礎。

5.2 城市軌道交通能源系統智慧化設計

城市軌道交通能源系統智能化設計內容眾多，此次研究主要以機電系統為中心展開，具體涉及以下幾方面。

5.2.1 風水智能控制系統的能源管控

系統功能為完成車站通風空調系統中風水的協調耦合控制，將通風空調系統的設備處在高效區，降低系統運行能耗。圖1為風水控制系統運行能耗梳理圖。結合圖1了解風水智能控制系統因素關系。

圖1 風水控制系統運行能耗梳理圖

機電能源管控及運維系統通過網絡通信可與控制層進行連接，負責整個受控通風空調系統（大系統和水系統）的集中監視、控制和管理，并完成車站兩端通風空調大系統、小系統與水系統間的協調控制。能源管控系統的優化，網絡架構設計包括智慧運維系統服務器、節能優化控制柜、云能效、移動運維、AI大屏展示、以太網總線、冷源機房節能控制柜、多端大系統節能控制柜等。控制系統中的水系統，2臺冷水主機，2臺冷凍水泵，2臺冷卻水泵，2臺冷卻塔，8 個電動蝶閥，1 個壓差旁通閥12 個溫度傳感器，1個壓差傳感器，2個流量計，1個室外溫濕度傳感器。具體實施方案見圖2。

圖2 水系統冷源機房節能控制柜能源控制圖

控制系統的大系統包括2臺組合式空調，2臺回排風機，2個表冷器比例積分閥，10組電動風閥16個溫濕度傳感器，4個水溫傳感器，4個壓力傳感器，8個CO2傳感器。圖3為大系統節能控制柜能源控制圖。

圖3 大系統節能控制柜能源控制圖

節能控制優化方案：優化冷凍水溫；部分負荷下，適當提高冷凍水溫，提高主機COP；末端選型優化，適應冷凍水變溫供水；風水聯動控制，保證用冷需求同時能耗最低。盡量降低冷卻水溫，提高主機COP；冷卻塔選型優化，降低冷卻水逼近度；智能尋優控制，用最小功率獲得較低冷卻水溫。風水聯動節能控制技術消除了空調控制的孤島，根據空調運行狀況預測負荷變化趨勢，并同步調節空調末端的風量、冷源系統的冷凍水流量及冷水機組的負荷，降低系統的綜合能耗，減小系統的控制波動。

5.2.2 智能照明系統的能源管控

智能照明控制系統采用先進的智能總線控制管理系統，可實現對公共區域照明的智能控制和集中管理；具有靈活多樣的控制模式，如集中監控，現場控制、定時控制、調光控制和場景控制等。系統架構如下：

（1）網絡設備：系統電源、網關、總線、各種接口模塊等。

（2）輸入設備：可編程的多功能（開/關、調光等）輸入開關、各種型式及多功能的控制板、各種功能傳感器。

（3）輸出設備：各種型號的繼電器、調光模塊等。

在高架車站公共區照明配電箱內設置調光模塊（或開關模塊），在站廳、站臺及室外適當位置設置光線感應器，根據需求在照明配電室設置操作面板，通過總線接入智慧運維系統。

5.2.3 智能監測儀表的能源管控

隨著GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統技術規范》的實施，消防給水系統設置自動啟泵功能，若管道破損或栓口漏水會導致消防水泵的誤啟動，進一步加大管道漏損量，并威脅整個管道系統的安全性，對于區間管道，更是影響行車安全，及時有效監測區間消防管網壓力。機電智慧運維平臺通過BAS 負責整個儀表的數據采集及分析，提供區間消防管網故障報警信息。設置壓力傳感器+水流指示器的方式，確定漏損管段，通過BAS 系統發送報警信號至車控室，由管理人員遠程停止水泵或關斷水管閥門等緊急操作。

6 結束語

通過對城市軌道交通智能能源系統的研究可以發現，現代化城市交通發展下，智能化水平明顯提高。將智能化技術與能源控制結合，制定更完善的節能降耗方案，有效改善城市軌道交通智能能源消耗大的難點，科學應對能源管理高要求。不僅如此，以智能能源系統，提高城市軌道交通能源管理信息化水平，明確能源管控關鍵點，在此基礎上，取得理想的能源管控效果，充分發揮出能源在城市軌道交通中的效能。