地鐵智慧能源管理控制平臺研究

鄧欣辰

摘要 隨著地鐵行業在全國大范圍的發展，地鐵運維中的節能降耗也成了一個重要課題。文章通過分析地鐵能源管理方面的現狀和需求，提出智慧能源管理控制平臺的建設目標，對包括系統監測、指標管理及節能調控在內的核心業務功能進行概括;研究系統邏輯架構和物理架構，從通風空調系統運行工況和風水聯動控制策略兩方面著重剖析空調節能調節方案。

關鍵詞 地鐵;能源管理控制;通風空調系統;風水聯動

中圖分類號 U231.6文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）10-0004-03

0 引言

2021年12月“十四五”節能減排綜合工作方案印發，國家對節能的整體工作要求進一步明確。到2025年，能源消費總量得到合理控制，節能減排政策機制更加健全，重點行業能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本達到國際先進水平。

根據國內已建成軌道交通線路運營經驗，一條20 km長的地鐵線路一年的用電量約為0.6～1億kW·h[1]，電費占到城市軌道交通運營費用的50%，其中通風空調系統占總能耗的30%～45%[2]，單站年能耗約90～140萬 kW·h。隨著全國各地地鐵運營里程的增長，地鐵節能將是未來 “十四五”節能減排規劃達標的重要方向。

1 需求分析

1.1 地鐵能源管理的現狀

目前地鐵工程設有綜合監控系統和環境與設備監控系統，側重于系統與設備狀態的監控和報警功能，對能耗統計方面關注不足，用能計量顆粒度較粗。在節能方面，采取根據乘客、站務反饋被動調整運行模式，負荷變化響應不及時，調節滯后時間長。在系統性能方面，環境目標溫度控制不穩定，風水調節不聯動，冷機冷凝負荷高效率低，供水溫度保持唯一設定值，制冷效率低。

1.2 建設目標

根據目前地鐵相關系統在能源管理方面所存在的問題，該次研究計劃構建一個智慧能源管理控制平臺，全方面對地鐵車站用能進行管控。該系統可以利用平臺軟件協助制定、跟蹤能耗定額管理、能耗計劃、量化能耗目標。

通過數據分析給平臺賦能，采用人工智能算法分析能耗數據、挖掘節能空間，對有能源效率提升空間的環節進行節能改造，進一步提升能源利用率。從多維度評價用能管理及節能改進措施效果，形成綜合報表。為能耗管理體系建設、能耗情況匯報提供數據支撐。

2 業務功能

2.1 系統監測功能

系統監測功能包括能耗監測和設備監測兩部分。能耗監測功能通過針對性設置的電表、水表對各電力回路、水路能耗實時監測。采用回路工藝圖方式呈現，與實際工藝流程相符。設備監測功能可滿足對系統內智能表計、通信管理機、交換機等設備運行狀況的監測，展示系統運行狀態，達成故障快速定位、排查。

2.2 指標管理功能

通過對能源供需現狀的調查分析，結合行業的一般標準，做出時間、空間尺度上的能源需求預測，制定能耗規劃。利用監測功能獲取的能耗數據，分戶、分項、分時統計能耗概況，結合能耗規劃及生產工藝流程的能耗時段特征，挖掘規律并查找異常能耗情況。根據指標特征給出綜合能耗指標評價。其中一級指標用于統籌、制定節能目標，評判整體能耗;二級指標用于規劃節能重點，用系統能效、單位面積空調能耗等指標合理量化能耗考評;三級指標用于定位問題，包括機房COP、機組COP、冷凍輸送系數，指導做出針對性調整。

系統同時具備移動端遠程查看功能，方便用戶隨時掌握能耗情況。

2.3 負荷預測及節能調控功能

對室內外溫濕度、送風溫濕度、回風溫濕度、室內CO₂濃度/客流、實時負荷/制冷量等參數進行不間斷監測、分析。采用神經網絡負荷預測算法，通過對制冷量、散熱量、末端的全局控制，實現修正反饋機制，改善控制滯后，減少系統振蕩。

3 系統架構

3.1 平臺邏輯架構

智慧能源管理控制平臺從邏輯上由感知層、平臺層和應用層組成。

感知層是平臺的數據采集及控制層面，通過Modbus、CIP、DLT645、Http等協議與智能儀表、互聯系統、被控設備進行數據通信。采集能耗數據，感知周邊環境，完成與其他相關系統如PSCADA、BAS、綜合監控的數據共享及與被控設備的控制接口功能。

平臺層為智慧能源控制系統提供了數據支撐功能，包括數據處理模塊、監控模塊、可視化模塊、數據存儲模塊、人工智能算法庫模塊。數據處理模塊負責邏輯運算、數據篩選、異常告警、數據分發功能;監控模塊滿足狀態獲取、控制下發、組態分布功能;可視化模塊實現Web訪問，圖表展示，矢量SVG，3D地圖;數據存儲模塊完成實時數據收集，歷史數據歸類存儲;人工智能算法庫模塊提供神經網絡、數據局預測、機器學習、系統建模等的預置算法。

應用層部署平臺所特有的各類應用，利用感知層的數據通信和接口控制功能，基于平臺層的數據支撐功能，滿足了能耗統計分析、智能節能調控、能耗指標管理、數據異常報警、AI負荷預測、信息多平臺發布、運維輔助決策、設備在線監測和能源費用結算等功能。

3.2 平臺物理架構

目前國內地鐵工程大多設置有綜合監控系統和環境與設備監控系統（BAS），對車站內環境信息的采集、各類機電設備進行集中監控，各子系統進行狀態管理。該研究基于目前國內地鐵建設的通常做法，構建地鐵智慧能源管理控制平臺，兼顧既有系統架構和新型功能需求，同時適應于改造工程和新建工程。

智慧能源管理控制平臺采用“中心級—車站級”的二層結構。能源管理中心平行于綜合監控中心級系統，構成中心級;車站級節能系統連同車站級BAS系統、采集設備及被控設備組成車站級系統。其物理架構圖見圖1所示。

中心級是智慧能源管理控制平臺的核心級系統設備，是信息接入、抽取、清洗、存儲、挖掘的數據中心，也是針對全線能源管理的人工智能、機器學習技術的應用平臺。中心級各服務模塊分別與車站級設備信息和數據服務平臺進行數據傳遞，接入相應外部系統（綜合監控系統、AFC系統、TCMS系統等），通過安全防護等措施，與其他相關系統網絡互聯互通，信息可及時同步至中心級的服務集群（應用服務器、數據服務器）進行集中管理。DA0610A4-C261-406D-B037-F0FBC0ECBDE8

車站級系統包括節能系統車站交換機、節能工作站、節能PLC[3]。車站級是設備信息采集、設備運用、設備執行控制的源頭，通過和環境與設備監控系統的互聯，采集各表計、傳感器、設備上傳的信息。利用內置于節能PLC內的節能算法，有效完成該站負荷預測及節能調控功能。

4 關鍵技術——空調節能調控方案

在地鐵車站這種大型地下建筑的節能調控策略中，“供求平衡”是最根本的原則。即在地鐵車站內環境指標維持在焓值目標的情況下，盡量減少不必要的能量消耗。

考慮到地鐵車站目前大多采用全封閉式屏蔽門，沒有列車進出站帶來的活塞風。地鐵車站與外界環境的熱交換僅來自出入口，車站內的發熱量主要來自乘客、工作人員及設備散熱，模型相對簡潔。

4.1 通風空調系統運行工況

在實際地鐵正常運營中，通風空調系統主要包括兩種工況：空調季節工況和非空調季節工況。

非空調季節時空調水系統停止運行，冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等設備關停，室外環境焓值低于焓值控制預設值。對于車站公共區，空調大系統采用新風模式，室外空氣送入室內，室內余溫余濕排出。對于設備辦公區，空調小系統開啟VRV多聯機，根據房屋性質及空調需求的不同，調節每個房間不同的新風量，提供相應冷源、熱源。

智能節能調控功能應用潛力主要在空調季節。根據室外焓值與回風焓值的相對關系，空調季節工況又分為空調季節全新風工況和空調季節小新風工況。全新風工況發生于換季時候的過渡季節，溫濕度適宜，室外溫濕度小于或等于回風溫濕度。為了防止浪費，降低能耗，空調系統關閉回風閥，打開新風閥，采用全新風模式，引入室外空氣，流過表面冷卻器金屬管道外壁進行熱交換，達到降溫除濕的目標[4]。小新風工況則發生于室外溫濕度大于回風溫濕度時。此時，空調系統工作原則是盡量隔絕室內外空氣，避免室外空氣對流，造成能耗增加。系統根據室內二氧化碳濃度、室外溫濕度、回風溫濕度等參數，智能調節新風閥和回風閥開度，把控新風量與回風量。同時調節電動二通閥開度，調節表面冷卻器內冷凍水的水量[5]。

4.2 風水聯動控制策略

地鐵通風空調的風系統和水系統在運行中相互依賴，相互影響，相互制約，具有很強的耦合性。傳統地鐵通風空調系統，大多由環境與設備監控系統根據預置的工藝控制計劃進行固定的控制[4]。在空調季節，造成車站制冷量大于車站實際需求的冷量，長期浪費能源。同時，水系統沒有考慮變頻需求，采用工頻工作模式，工作狀態遠離最佳工作點，導致進一步的低效。因此，優化原本相對獨立的環控風系統、水系統的節能控制策略，引入風水聯動策略，可大大提升通風空調系統的制冷效率。風系統中的空調機組、小新風機和回排風機，水系統的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔均需要采用變頻運行，是風水聯動的前提[6]。

空調節能控制策略主要包括風系統調節、風水協調、冷凍水系統調節、冷卻水系統調節。

（1）風系統調節。因為地鐵車站地下空間大，作為調節空間環境參數的通風空調系統在控制響應方面具有很明顯的大滯后性。采用實時數據，結合客流數據、車站二氧化碳濃度，按照每天不同時段，以調控周期為單位對公共區冷量需求進行預測，并以此為依據觸發送/回風機控制環節，調節風機工作頻率。對風系統進行更有效的調節，減少系統振蕩。

（2）風水協調。當送風溫度偏離預設值時，風水協調控制環節被觸發。系統根據按需分配的原則自動調節水系統各水閥的開度，使送風溫度回歸預設值[7]。

（3）冷凍水系統調節。當系統的總供冷量偏離預期值時，觸發冷凍水控制環節。系統根據負荷預測模型調節冷凍水泵的工作頻率，改變總冷量的供給，使其滿足預期需求[7]。

（4）冷卻水系統調節。在空調系統的運行中，隨著溫度、濕度的變化，系統最佳工作點也會隨之改變。節能控制系統根據智能節能優化算法，找到通風空調冷卻水系統效率最高的最佳工作點，計算最佳冷卻溫度，改變冷卻水流量，使冷卻泵、冷水機組、冷卻塔的效率最高。

5 結論

在地鐵建設蓬勃發展和節能減排需求背景下，該文所提出的地鐵智慧能源管理控制平臺充分兼顧傳統地鐵綜合監控系統、環境與設備監控系統的系統架構，同時適用于新建地鐵工程和地鐵改造工程，具有建設指導意義和廣泛應用前景。智慧能源管理控制平臺整合地鐵主要的能耗用戶數據，對其進行全面的采集、統計、分析、展示。針對能耗大戶空調通風系統，利用平臺提供的大量數據和智能算法，挖掘節能潛力，實現大規模的節能降耗。在提高地鐵設備發展和運維水平的同時，也將取得顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]李文波. 城市軌道交通節能線路設計研究[J]. 都市快軌交通， 2013（2）： 8-13.

[2]高玉龍. 地鐵系統能源流管理模型研究[D]. 天津：河北工業大學， 2012.

[3]吳振華. 地鐵BAS系統節能控制方案優化與實踐[D]. 南昌：華東交通大學， 2018.

[4]趙正凱. 基于BAS的地鐵環控系統優化與節能設計[D]. 大連：大連理工大學， 2018.

[5]曾逸婷. 地鐵車站公共區通風空調系統運行方案優化方法研究[D]. 西安：西安建筑科技大學， 2019.

[6]李曉健. 地鐵通風空調系統的運行現狀和節能措施研究[J]. 中國室內裝飾裝修天地， 2020（3）： 384.

[7]黃亮亮. 軌道交通車站通風空調系統“風-水”聯調分析與應用[J]. 中國市政工程， 2017（4）： 3.DA0610A4-C261-406D-B037-F0FBC0ECBDE8