城市軌道交通能源管理系統的總體設計及其主要功能*

李 曄 張凌云 劉國桐 王 忻 吉祥雨

(鐵科院(北京)工程咨詢有限公司, 100081, 北京∥第一作者, 助理研究員)

城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)的飛速發展伴隨著對能源管理要求的日益提高。《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》提出,至2025年,交通運輸行業單位運輸周轉量二氧化碳排放強度較2020年下降5%[1]。《中國城市軌道交通綠色城軌發展行動方案》提出發展綠色城軌,2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和的目標。《中國城市軌道交通智能城軌發展綱要》提出智慧城軌的發展需要與大數據、物聯網及區塊鏈等計算機技術深度融合,建立智能能源系統,至2025年運營能耗下降指標率達到15%的目標[2]。

城軌行業的飛速發展導致運營能耗的增加不容忽視,同時新能源、儲能等新技術的井噴式發展,使得電網特性日趨復雜[3]。隨著物聯網、大數據、機器學習等計算機技術在各行業的發展應用,利用信息化手段優化對城軌能源智能管控的方法,建立互聯網和能源網深度融合的能源互聯網是產業發展的大勢所趨,傳統的能源管理方式亟待轉變[4]。

1 城軌能源管理現狀及需求分析

1.1 現狀分析

目前,國內城軌能源管理的信息化程度不高,距離建設智能化的能源管理體系仍有很大差距,存在的具體問題如下:

1) 用能設備接入管控困難。國內城軌在時間、地域上呈現不平衡發展,較早建立的城軌站房與線路的絕大部分用能設備智能化水平較低,自動化節能措施不足。

2) 人工作業質量難以保證。目前仍然存在相當比例的車站與線路依賴人工抄表、人工檢修及人工記錄。人工作業的弊端較多,在抄表中容易造成錯抄、漏抄等情況;定期檢修造成問題發現不及時、故障原因分析效率低等;人工錄入的數據精度難以保證、數據格式不規范、信息傳遞效率較低,且在出現錯誤時無法有效溯源。

3) 信息壁壘難以打破。目前,一些城軌公司已建立的能源管理系統無法與其他信息系統形成有效的聯動,信息孤島現象仍然存在。

4) 數據資產的利用不充分。城軌行業現有的能源管理系統僅能夠實現遠程監控和能源數據統計分析此類較為基礎的功能,智能化管控的手段不足,對數據資產的利用不充分。

5) 能源管理系統定位模糊。城軌的能源消耗主要來源于電、水、氣,但在部分投入使用的能源管理系統中未能將水和氣納入管理范疇,導致管理對象不全面。

6) 能源管理方式落后。對于能源的管理方式較為傳統,未形成依托信息化的能源管理制度,缺乏對新能源業務的管理經驗[5]。

1.2 需求分析

針對城軌能源管理的現狀,存在如下應用需求:

1) 提升設備智能化水平。為建設基于數字孿生的城軌能源管理系統[6],提升各類設備的智能化水平,實現在虛擬空間的全方位映射。

2) 推進能源全壽命周期數據貫通。推進“源-網-荷-儲”的能源全壽命周期數據貫通,把控整體能源流向信息。

3) 完善數據資產管理機制。隨著設備智能化程度提高,結構化與非結構化的數據量呈指數增長趨勢,需利用大數據技術建立數據資產管理機制。

4) 擴大現有能源管理范圍。將除電能以外的其余能源納入管理范圍,擴大能源管理范圍。

5) 研發自動節能控能技術。研發節能算法,利用已有數據訓練模型,實現節能決策智能下發并對關鍵能耗設備的自動控制。

6) 建立數字能源管理體系。改變現有的能源管理方式,建立以信息化手段為基礎的數字能源管理體系。

2 城軌能源管理系統的總體設計

城軌能源管理系統圍繞“源-網-荷-儲”的能源流設計[7],以能量流和信息流為主線,實時監控能源全壽命周期流向中的各個關鍵節點數據,協調調配能源的分配與使用,以達到精準化控制、精細化管理及常態化節能的目的[8]。

2.1 總體目標

城軌能源管理系統基于對其能源管理現狀的深度分析及具體需求,提出以下3個總體目標:

1) 擴大能源數據資產管理范圍。在城軌站房及沿線增加分布式光伏組件、逆變器、雙向電表、充電樁等智能設備,將新能源設備及下一年度充電設備納入城軌能源使用范圍以內;對既有老舊電氣設備進行更新,利用物聯網技術監控關鍵運行數據。

2) 完善智能節能算法。在形成對能源數據資產的治理機制后,利用海量數據不斷訓練優化各類分析、預測及控制模型,實現以先進的計算機技術對能源的精準調配,最大限度地達到節能降耗的目的。

3) 構建數字能源管理體系。新能源在城軌上的應用及管理仍處于初級階段,還未形成有效的管理模式。項目深層次目標在于依托信息化平臺,結合目前的業務需求和功能需求,建立設備資產臺賬,構建數字化新能源設備運維管理體系;深挖新能源管理業務(包括合同能源管理業務、財務業務及碳交易業務等),形成完善的能源管理體系。

2.2 總體架構

城軌能源管理系統的總體架構突出了海量能源數據的采集、存儲、分析、調度等能力,自下而上劃分為數據感知層、網絡傳輸層、數據存儲層、數據處理層、數據分析層、應用層及表示層[9-11]。城軌能源管理系統的總體架構如圖1所示。

注:GIS為地理信息系統;BIM為建筑信息模型;CIM為城市信息模型;4G為第4代移動通信技術;5G為第5代移動通信技術;LTE為長期演進;GSM為全球移動通信標準。

1) 數據感知層。對老舊電氣設備進行更換或改造,利用物聯網技術采集能源流向節點中的關鍵數據,為城軌能源管理系統模型的建立提供數據基礎。

2) 網絡傳輸層。在原有通信方式上增加5G傳輸方式,保證設備、服務器與系統間數據傳輸的穩定性和即時性。

3) 數據存儲層。利用大數據技術深度挖掘能源管理業務的相關數據,對不同類型結構型數據進行分析和存儲,并建立合理的數據管理機制。

4) 數據處理層。利用數據清洗、數據融合、數據挖掘等技術對數據進行初步處理。

5) 數據分析層。建立不同能源管理場景下的算法模型,進一步挖掘數據的潛在價值。

6) 應用層。加強城軌能源設備的運用、維護、檢修等業務,以及能源管理中的能源調配、財務管理、合同能源管理等業務的智能化建設。

7) 展示層。利用折線圖、柱狀圖及餅圖等進行不同維度的統計分析,利用GIS、BIM對線路與建筑進行可視化建模,把握能源在各關鍵節點的重要信息及整體流向。

3 城軌能源管理系統的主要功能

城軌能源管理系統利用數字孿生技術,建立綠色節能的數字化城軌,以豐富的數據資產及強大的云計算能力作為支點,改變以人為控制為主導的能源管理模式,實現信息流和能源流的深度融合。城軌能源管理系統的主要功能如下:

1) 智能調配。結合能源峰谷價格以及產能測、儲能側與用能測的能源信息,對能源的可靠性和經濟性進行綜合研判,利用最優化方法建立數學模型,制定當前最佳能源調配策略。

2) 智能巡檢。利用VCA(智能視頻分析)技術,對城軌站房、線路布設的高清視頻圖像數據進行分析,建立災害監測、異物入侵監測、人員行為監測等模型,實現遠程智能巡檢,提高巡檢效率。

3) 智能運維。利用PHM(故障預測與健康管理)技術,結合各類設備傳輸到地面的運行參數數據,建立各關鍵設備的故障診斷、故障預測及健康狀態評估模型,以保證硬件的運行狀態良好,防止因設備故障導致的能源損耗。

4) 智能控制。利用邊緣計算、機器學習及深度學習等計算機技術,結合客流、環境等因素對關鍵用能場景進行深入分析,為主要用能設備建立節能模型,實時規劃用能策略并對用能設備進行智能控制。

4 結語

全面發展各類綠色節能新技術,推動建設綠色智能城軌是雙碳背景下能源管理發展的必然要求。通過分析能源管理現狀,總結今后建設能源管理系統的普適性規律,研究城軌行業能源管理平臺總體架構,以達到建設綠色城軌,提高能源管理水平的目的。