軌道交通車站能耗采集及節能控制系統設計

廣州地鐵設計研究院有限公司 周 丹

軌道交通車站能耗采集及節能控制系統設計

廣州地鐵設計研究院有限公司 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備能耗采集方法、采集內容，并研究設備運用特性，提出一種可利用自動化技術制定能耗管控系統的技術方案。

城市軌道交通；車站能耗；節能控制

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、采集內容,并研究設備運用特性,利用計算機技術、數據庫技術、自動化技術制定能耗管控系統的技術方案。

1.1 典型地下車站通風空調系統能耗分析

在城市軌道交通各機電系統中,地下車站的通風空調系統能耗約占1/3,成為僅次于列車牽引系統的耗能大戶。且通風空調系統隨著客流、列車運行間隔、季節的變化,呈現較為明顯的峰谷差異,故該系統具有較為可觀的節能潛力。

圖1 地鐵各系統能耗占比

通風空調系統分為:隧道通風系統、車站通風空調系統(含消防排煙)、通風空調水系統。通風空調系統的主要設備有組合式空調器、空調柜機、各種通風機、冷機機組、水泵。而組合式空調器和空調柜機的耗能點主要在其內部的通風機,即通風空調系統的主要耗能設備為風機、冷水機組和水泵。

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,一般反射材料的發射率僅為50%左右。

除使用高光通的優質光源外,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生漫/擴散反射材料和產生鏡面反射材料兩種:鏡面反射材料的反射率要高于漫/擴散反射材料的。高純鋁板表面拋光后得到的鏡面反射鋁板,總反射率可達84-87%;在一般鋁板上復一層涂有高反射率銀的滌綸膜,反射率可達92-94%。

車站照明針對公共區、設備區、出入口的不同運營特點,設置多種照明運行模式。公共區照明可以自動或人工設置各種照明節電運行模式。

全線照明控制系統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空調、給排水、電扶梯、照明、弱電設備等。根據對北京、上海、廣州等多條地鐵運營線路的用電負荷的統計結果看出,耗能方式在不同線路表現相同,均以牽引用電和通風空調用電為主,兩項之和約占地鐵總能耗的3/4左右。耗能負荷大多在地鐵載客運營期間處于運行狀態,地鐵停運后僅有少量負荷在繼續運行。

綜上,在地下車站的機電設備中,通風空調、提升設備、照明占了主要部分,應作為車站能耗監測及節能管控研究的重點。

2 能耗數據采集系統

為更好地開展能源管理工作,為軌道交通的節能減排工作提供有力的支持,必須對能耗數據采集系統進行研究,能耗數據采集系統能實現對能源分類、分項、分戶計量,通過能源消耗情況、進行節能潛力分析以及效果驗證,因此,能耗數據采集可以為節能減排工作提供數據支持并提出優化建議,另外通過對相關回路的電能質量數據進行采集和分析,可以為軌道交通的就地、局部無功補充及諧波質量技術方案提供基礎數據及相關驗證。

根據變電所綜合自動化系統的架構情況,提出了兩種方案,方案一是獨立的網絡,配置獨立的網絡設備,獨立處理數據和網絡傳輸,方案二是和變電所綜合自動化共用網絡設備,成為其中的一個子系統。以軌道交通典型的牽引降壓變電所為例,列出兩個方案的設備配置。

車站 方案一設備配置 方案二設備配置為4 0 . 5 k V開關柜智能電表配置1臺2個串口, 1個光口串口服務器牽引降壓所與4 0 . 5 k V開關柜保護測控單元配置的1臺串口服務器共用為4 0 0 V開關柜配置1臺8個串口, 1個光口串口服務器與4 0 0 V開關柜保護測控單元配置的1臺串口服務器共用車站控制信號盤內配一臺通信處理器車站控制信號盤內總控單元共用到現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控采用專用光纜、光電轉換器和相關附件 與變電所綜合自動化共用

變電所綜合自動化側重于對供電設備的控制、重要參數的采集,供電系統的運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,缺點是需要增加設備的投資每站約50萬,增加綜合監控數據處理及傳輸的負荷;方案二能最大的利用既有設備,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備的升級、方案的完善,可以把影響降到最低;在現階段,為了確保不影響供電系統的運行,推薦方案一。

圖2 車站級能耗數據采集系統硬件構成圖

3 智能化控制策略與方案研究

地鐵通風空調系統是一個多設備、多系統集成的系統。各設備、各系統間互相影響、制約和藕合。如果各設備、各系統獨立控制、互不兼容,各自為戰的話,極易導致部分系統發生振蕩,致使整個系統不能高效穩定的運行。地鐵通風空調系統還具有負荷波動大、時滯性大的系統,如果整個系統不能很好的隨動負荷的變化,很容易造成服務水平下降、能耗浪費等一系列不良反應。因此一個整合了各設備、各系統,能很好的匹配負荷變化,并具有一定預測功能的控制系統,對于通風空調系統的穩定高效運行,具有重要的作用。

3.1 地鐵空調節能控制系統主要構成

(1)風系統控制策略(含空調器風機變頻及二通閥開度控制,即風水聯動控制);(2)冷凍水系統節能控制策略(冷凍水泵變頻控制策略);(3)冷卻水系統節能控制策略(冷凍水泵變頻控制策略);(4)冷水機組群控策略;(5)動態水力平衡控制策略;⑥變流量工況下安全保護控制。

3.2 智能照明系統部分組成

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

3.3 智能照明系統的控制功能

(1)地鐵站強調對客人的第一印象,要求利用明暗有序和適度的照明環境讓人進入地鐵站后就能感到高雅舒適的氣氛;(2)地鐵站的燈具數量多,品質高并十分昂貴,要求控制系統可以延長燈具壽命,降低地鐵站運行費用;(3)地鐵站管理要求能夠對地鐵站內所有公共區域的燈光實時監控并能根據環境改變當前照明狀態; (4)地鐵站的照明耗電約占整個能源的35%左右,要求通過控制系統能節省能源消耗;(5)地鐵站的主要功能區如: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境,營造不同的環境氣氛; (6)出入口處和站廳需要根據每天的時鐘變化不同的燈光場景,以適應不同照度情況下的燈光亮度需要,同時應該增加照度傳感器設備,當惡劣氣候來臨的時候整個系統可以自動打開燈光,提供適當的照度;(7)樓(扶)梯和站臺是人群聚集的地方,首先需要根據每天的時鐘變化不同的燈光場景,其次根據每年的季節變化實現不同的色溫變化,第三,當列車到達的時候可以打開或增量離軌道較近的燈光,便于人群進出列車;(8)整個車站在周末或節日還可以體現不同的場景。(9)燈光效果的控制實現全部自動化操作;(10)每個車站的節能控制系統可以對整個車站的全部燈光進行圖形化監控; (11)傳統的照明無法實現或難以實現上述功能需求,智能照明管理系統通過對調光模塊和開關模塊的控制設置,在面板的場景功能及對單回路的控制非常容易的實現這些功能需求。

［1］綜合能耗計算通則.GB/T2589—2008.

［2］企業能源審計技術通則.GB/T17166—1997.

［3］節能監測技術通則.GB/T15316-2009.