铁路客站智能节电技术研究及应用

刘航

（中国铁路设计集团有限公司 电化电信工程设计研究院，天津 300308）

0 引言

随着我国高速铁路快速发展，铁路客站由单一的铁路站房转变为多种交通方式有机结合的换乘中心，越来越注重为旅客提供良好的综合服务和舒适的站内空间。然而，伴随铁路客站建设标准的提升、站内旅服设施的增加以及旅客对舒适度的高要求，铁路客站的电能消耗水平大幅攀升，运营成本也大幅增加［1］。

为贯彻落实中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）关于“在铁路大客站推广智能节电技术”的工作要求，积极响应国铁集团“十三五”节能规划、实现节能降耗的总体目标，建设绿色、节能、舒适、温馨的现代化客站，智能节电技术的研究及应用是我国铁路可持续快速发展的必然选择。

1 铁路客站节电潜力分析

1.1 项目概况

北京朝阳站是北京铁路枢纽客运总格局中主要客站之一，建筑面积为18.3 万m2，车站共3 层，地上2 层，地下1 层，局部设有夹层。地上二层是高架候车厅，局部设有商业及设备夹层；地上一层为站台层，主要为进站厅、售票厅、设备及办公用房；地下层为换乘大厅、出站通廊、城市通廊、出租车上客及落客区、社会车库以及设备用房。

根据用电负荷分布情况及负荷等级要求，北京朝阳站新建双电源10/0.4 kV 变电所6 座（共12 台变压器），总装机容量为29 000 kVA，其中1#—4#变电所负责站房主体动力照明负荷；5#变电所负责部分旅服商业负荷；6#变电所负责季节性负荷。

1.2 用电负荷分析

北京朝阳站总用电负荷约37 550 kW，其中空调通风系统负荷约13 265 kW，占总负荷35.3%；照明负荷约2 800 kW，占总负荷约7.5%；电扶梯负荷约3 385 kW，占总负荷9.0%。以上负荷共计占总负荷51.8%。

上述负荷占比高，是进一步挖掘节电潜力、提升节能效果的关键研究对象。

1.3 节电潜力分析

1.3.1 空调系统

空调系统是铁路客站运行控制最复杂、用电量最大的系统，通过对空调系统的节电潜力挖掘，可大幅降低客站能耗。根据空调系统运行特点，可通过以下3种途径挖掘空调系统节电潜力［2］：

（1）通过空调系统自身协调性优化挖掘节能潜力。一般大型公共空间的空调系统由BAS 系统控制，依据暖通控制要求预设的控制模式，由空调系统现场控制设备执行工艺程序。空调末端检测到回风口温湿度变化，调节水阀开关量或调节风机转速，引起管道参数变化；水系统循环泵根据管道参数变化变频调速，引起水温变化；冷热源主机根据水温进行变频调速或加减机。为避免系统频繁动作，空调控制参数的设定考虑了冷热媒参数不能骤变的特点以及从需求端到冷热源端存在的滞后性。

然而，参数设定的滞后性可造成系统运行震荡，且参量偏离制冷机组、水泵等设备的最佳工作状态，导致机组效率降低；滞后期间如果相关设备处于超过实际需要的运行强度，则产生不合理的能耗；冷水机组加减机、变频策略简单，均为独立控制，没有协调机制，从多台机组总体能耗来看，无法达到运行的最佳能效；由于运行数据得不到记录分析，即便系统运行多年，运营管控策略还是主要依靠经验。

针对上述问题，设置更专业、更智能的控制系统，建立更合理的协调机制，减少无用运行时间与强度，是空调系统自身进一步挖掘节能潜力的途径之一。

（2）通过优化现场环境传感器布设的合理性挖掘节能潜力。温度采样点的选取影响空调运行状态和实际体感效果。在制冷状态下，当采集温度低于体感温度时，系统停止送风或停机，此时对应区域的舒适性可能并未达标；当采集温度高于体感温度时，系统继续送风，但对应区域的人体感知可能已经过冷，这种情况属于能源浪费。合理布置传感器、尽可能接近旅客聚集区等区域、提高控制基础数据的采集准确性及精准度，是进一步挖掘节能潜力的途径。

（3）基于蓄冷蓄热对初始制冷制热时间的影响，优化开停机方案。公共大空间的蓄冷蓄热效应，使空调系统由启动达到目标值所需的时间差异较大，对能耗和舒适性均有一定影响。运营时段前的预冷预热时间、开停机方案如何合理确定，基本依靠经验设置。随着智能化、机器自我学习等技术的发展，通过对历史数据分析，同时考虑外部气候数据、室内环境数据和客流数据以及客站运行特征等条件，逐步改进优化运行策略，也是进一步挖掘节能潜力的途径。

1.3.2 新风系统

铁路客站新风系统的控制逻辑相对简单，根据现场传感器采集的CO2浓度，按制冷季或采暖季调节新风阀开启程度，空气达标时停机。根据新风系统的运行特点，可通过对新风控制系统、传感器布置等在分区上的整合和优化，实现分区域按需供给，进一步挖掘新风系统的节能潜力。

1.3.3 电扶梯、垂直电梯

垂直电梯具备无外部召唤且轿厢在一段时间内无预置指令时自动转为节能运行模式的功能。2台及以上垂直电梯集中排列时（通达楼层空间完全相同），具有并联控制功能。

电扶梯在一段时间内无乘客后，扶梯能自动转入慢速运行直至速度为0，进入休眠状态，以达到节约能源、减少机器磨损的目的。当电扶梯感应光电扫描装置检测到有乘客乘坐时，电扶梯立即加速至额定速度正常运行［3］。

根据电扶梯、垂直电梯的运行特点，可知电扶梯、垂直电梯已实现节能运行目标，进一步节能潜力较小。

1.3.4 照明

铁路客站照明采用自然照明与人工照明相结合的方式，充分利用自然照明，采用高效、节能的人工照明，达到高效、节能、舒适、有益环境和提高效率的绿色照明设计目标。通过室内永久性辅助照明技术的应用，最大限度地直接利用日光照明，减少人工照明的工作时间和工作强度，以达到节能目的。

采用LED高效光源，以直接照明为主、间接照明为辅，最大限度地提高人工照明效率，也可达到节能目的。

采用智能照明控制系统［4］，设置具有光控、时控、人体感应等功能的智能照明控制装置，并结合实际到发车次、日照时间、人员密度、人员流动情况以及客站本身结构特点，将照明区域细化，每个区域分别设置相应的照明模式，由系统自动判断各种状态，启停灯光。在此基础上，照明考虑对自然光、显示屏的利用，在各处设置光传感器，采集各个空间实时照度，并通过智能照明控制系统发出相应指令，启停灯光。

通过以上几种方式，可最大幅度地挖掘照明节能潜力，实现照明节能的目标。

1.3.5 管理节能

管理节能对实际节能效果影响较大。客站可设置能源管控系统［5-7］，利用能源管控系统软件强大的数据收集、整理、分析能力，为管理水平的提升提供技术支持。因此，能源管控系统具备的数据分析水平和智能化程度是影响管理节能的关键。

2 智能节电技术应用

2.1 概述

通过对铁路客站各系统节电潜力的挖掘和分析可知［8］，设置建筑设备监控及能源管理系统（简称BASEMS 系统），即整合能耗管理系统和机电设备监控系统，实现对空调、采暖、通风、电梯、照明的控制和能源管理，可大幅度降低客站的用电消耗，并可实现客站全生命周期自动化节能控制运营，降低人工管理成本、提高工作效率。另外，结合客站结构特点，在站台雨棚上方停车场设置光导照明系统，将自然光引导至站台，可充分利用自然采光，减少人工照明工作时间和强度，达到照明节能的目的。

2.2 建筑设备监控及能源管理系统

2.2.1 系统架构

BAS-EMS 系统下设中央空调节能控制子系统、智能照明控制子系统、区域控制柜、数据采集主机、各类传感器和采集设备。此外，BAS-EMS 系统可接受FAS系统指令、强启消防设备和应急照明，并为远程抄表系统提供符合计量标准的本地数据。

BAS-EMS 系统可与客站旅客服务与生产管控平台（简称管控平台）互联实现信息交互，即通过权限设置，接受管控平台对照明、电梯等客运设备和应急操控设备的控制命令；为管控平台提供客运使用设备的状态、故障信息；管控平台为BAS-EMS 系统提供列车到发、人流密度等信息；向管控平台发送能耗数据报表、节能策略等。BAS-EMS 系统主要监控对象和系统架构见图1。

图1 BAS-EMS系统主要监控对象和系统架构

2.2.2 系统功能

BAS-EMS 系统将不同功能的设备智能化子系统和控制设备统一集成，形成具有信息汇集、资源共享及优化管控等综合功能的系统。中央空调由内部自闭环控制扩展为与整个环境相关的大闭环控制，增加系统内部各设备相互间协调动作逻辑、优化控制程序，进一步挖掘节能潜力。管控平台通过BAS-EMS 系统对公共区的空调系统、通风系统、照明系统、电扶梯等机电设备在特殊工况下进行控制。

（1）能源数据采集。通过对通信、客服信息、通风空调、电扶梯、站台门、水泵、旅服、广告、电伴热、电开水器等设备末端配电箱加装智能表计，采集设备用电、用水、用热的各项数据，并上传至采集主机，主机按BAS-EMS 系统要求打包上传数据至BASEMS系统平台。

（2）能源管理策略分析。接收能耗采集数据、各传感器信息、FAS 系统联动信息、管控平台互联信息，对全站所有电、热、水用能进行数据分析，生成统计报告、能耗分析、节能诊断、优化控制等图表。

（3）自动节能控制。优化BAS-EMS 系统运行逻辑，通过对光照度、温湿度、PM2.5 浓度、CO2浓度、CO 浓度等传感器信息及客运信息的分析判断，下发控制命令，实现现场照明与光照度、人流密度、列车到发信息等条件的实时联动；实现空调系统与现场温湿度等条件的实时联动，以及经气候数据和室内温度梯度综合分析后的预冷、预热时间的合理调整；实现通风系统与现场PM2.5 浓度、CO2浓度等条件的实时联动。

（4）设备管理功能。负责对客运使用设备的运行及故障状态进行监测。

2.3 光导照明

在北京朝阳站10 m 层停车场设置管道式阳光导入照明系统，通过采光装置聚集自然光线并导入系统内部，再经过特殊制作的导光装置（导光管）强化与高效传输后，由系统底部的漫射装置把自然光线均匀导入到0 m 站台层。从黎明到黄昏，甚至是阴天或雨天，系统导入室内的光线仍然十分充足。

阳光导入照明系统不消耗任何二次能源，同时还节约了电气照明所需的电能，由于系统结构具备自洁功能，不需检修维护，一次性投入，长期受益，可节约大量能源，是一项零碳环保的绿色新技术［9-10］。光导照明现场工程实例见图2。

图2 光导照明现场工程实例

3 节电效益分析

3.1 投入产出

BAS-EMS 系统主要通过控制和管理2 个途径实现节能。控制节能通过实时的需求分析，减少能耗设备的无效开启数量或调解运行强度实现节能；管理节能则是一个长期持续改进的过程，需要经验和数据支持。

BAS-EMS 系统具有设备故障报告、自动生成报表等功能，还可降低运行管理和维护成本。

系统节能率，目前尚无统一理论分析方法。设计参照类似系统在南京南站、上海虹桥站的节能指标（年整体节能率为15%以上），以及市场调查到的最高节能率30%，设定最高节能率为25%。按运行前几年节能率提升较为显著、随着时间推移节能率提升水平逐步递减的规律进行分析。设4年时间内预计节能率逐年递增为10%、20%、23%、25%左右。据此，投资回报分析见表1。

表1中：（1）总投入包含了空调系统设备的投资增量，投运期维保费第一年为赠送，之后每年为50万元。维保费按增加2 名系统工程师，年薪2×15 万元=30 万元，耗材、维修费用20 万元/年，共计50 万元。（2）2021 年系统自动控制显现节能效果，节电率10%左右；2022 年提升系统管理措施，节电率上升为20%左右；2023 年系统持续优化，节电率为23%左右；2024年系统持续优化，节电率为25%左右。结果表明，投资回收期约为4年。

表1 投资回报分析

3.2 间接收益

BAS-EMS 系统在综合考虑各子系统相互影响的基础上，采用规范化、合理化的运营维护流程和守则，可有效降低由于人员管理不到位所造成的事故比率，保障生产作业的安全性。

BAS-EMS 系统采用最优化控制，保证设备在最优状态下运行，同时对重点机电设备提供全生命周期管理，可在提高设备使用寿命的基础上，大幅度提高设备使用率。

BAS-EMS 系统具备实时能源监测、能耗跟踪，可提高能源利用率，实现科学用能、节约用能、有序用能，为管理者提供决策数据支持，进一步规范管理制度与流程。

4 结束语

北京朝阳站通过采用一系列的智能节电技术，实现了铁路客站节能降耗的总体目标，符合节能减排的国家政策要求，有助于树立铁路保护环境和节约资源的良好社会形象，打造绿色铁路、智慧高铁的新形象，为其他铁路客站节能降耗相关措施的应用提供可参考的案例。