基于综合监控的城市轨道交通全线能源管理系统研究

张 伟 解 凯 张长开 张志学

(南京南瑞继保电气有限公司， 211102， 南京∥第一作者， 工程师)

目前，国内主要城市已对城市轨道交通能源管理进行研究并积累了相关数据和经验：文献[1]研究了车站能源管理系统设计、组成、整体架构和功能；文献[2]研究了一种基于EXTJS的城市轨道交通能源管理系统的实现方式；文献[3]从综合监控系统角度研究了相关机电设备的节能技术；文献[4]根据南京地铁自身特点细化分析了能耗分项模型。但是，目前已有研究大多从统计功能上进行分析，未对能耗与设备运行的内在联系以及影响能耗的因素进行研究，所得数据的可靠性、针对性不尽如人意，数据的共享和利用也不够充分。

因此，本文提出了一种基于综合监控的全线能源管理系统建设模式，建立以能耗为核心的层次化模型，对电力、水资源、设备、环境进行全面监视，并对网络架构、数据采集、系统功能，以及能耗状态分析、设备状态管理、设备运行优化、节能控制、评估考核等关键技术进行研究。

1 全线能源管理系统架构

全线能源管理系统由中心级能源管理系统、车站级能源管理系统、节能控制系统、智能表计和通讯设备等构成，采用两级管理、三级控制方式。该系统的网络架构、采集数据与综合监控系统高度相似，因此可将全线能源管理系统与综合监控系统深度集成，如图1所示。

1.1 中心级能源管理系统架构

中心级能源管理系统采用主备冗余应用服务器，配置Web服务器将实时数据和历史数据发布至办公管理网，实现信息化远程管理。该层级的其余设备与综合监控系统共用。

1.2 车站级能源管理系统架构

车站级能源管理系统不单独组建网络，深度集成于车站级综合监控系统之中，仅需配置一套节能控制系统。

注：BAS——环境监控系统；Web——全球广域网；FEP——前端处理器。

2 全线能源管理系统的数据采集

该系统的采集数据包括电耗数据、水耗数据、设备运行参数、能耗设备状态和环境参数等。其计量器皿配置及其相关的采集系统如表1所示。

3 全线能源管理系统的功能

该系统软件平台由一系列基于服务器和工作站的软件模块组成，支持基于中间件客户端/服务器或浏览器/服务器结构，可按用户需求进行二次开发，能够对每一个功能模块的公用数据进行访问。

该系统对全线进行能耗分项、分类和分户的分析研究，可实现分散采集、集中分析、辅助决策、优化管理和节能控制。本文通过梳理现有的能耗状况，明确能耗的构成及其来龙去脉，在此基础上建立科学的能耗模型，以优化能源系统运行方式，推>动城市轨道交通行业的标准化、数字化和智能化发展。

表1 计量器皿的配置原则及对应的采集系统

3.1 中心级能源管理系统的功能

中心级能源管理系统基于能耗大数据进行分类、分项、分户处理，用于集中分析、辅助决策等信息化管理。该系统支持友好的人机界面展示和多种能耗报表查询。通过动态跟踪能耗变化趋势，发现用能异常环节、挖掘节能关键点。通过对各车站进行能效指标分析评估，树立标杆，明确目标，为节能管理提供辅助决策。该系统采用Web数据发布技术将能耗数据发布至办公管理网，实现信息化远程管理，并具备向线网级能源管理系统传输数据的扩展性。

3.2 车站级能源管理系统的功能

车站级能源管理系统对各车站、车辆段/停车场的能耗数据进行实时监控和统计分析，实时跟踪能耗变化趋势。通过形象的人机界面数据展示帮助车站运营人员及时了解能耗状况。车站级数据通过光纤环网实时传送至中心级能源管理系统中，同时能够接收中心级系统下发的控制指令。车站节能控制系统根据接收到的目标指令实现空调机组优化运行。

4 全线能源管理系统的关键技术和优势

4.1 共享硬件资源

与独立的能源管理相比，该系统与综合监控系统共享硬件资源，减少了车站级的硬件设备，以及中心级的历史服务器、磁盘阵列、交换机等设备，大大减少了前期投资成本，提高了能源管理系统的建设经济效益，在保证功能需求的基础上有效减少了因设备空间不足带来的问题。

4.2 共用软件平台

全线能源管理系统与综合监控系统共用同一软件平台，从而避免了独立能源管理系统采集数据的局限性以及系统间数据频繁交互产生的不确定性。

4.3 与电力监控系统互连

该系统在车站端与电力监控系统进行互连，方便车站运行人员及时了解本站的能耗状况，为城市轨道交通能源管理运行管理制度建设奠定基础。同时，该系统可以充分利用从电力监控系统采集到的中低压电量和电能质量数据。

4.4 能耗状态分析

车站设备消耗的电能与运行状态有关，不同设备的运行状态变化会有所不同。对于通风系统设备，应从设备运行时间、运行频率、进出风口的温湿度、CO2浓度角度综合研究其能耗变化趋势；对于电扶梯及照明设备，应从设备运行时间和运行工况研究其能耗变化情况。

通过上述分析，应建立不同类型设备能耗与相关影响因素的优化模型，自动生成周期内的能耗健康分析报告，在明确能耗分布基础上给出引起能耗变化的主要因素。运营人员可根据不同时期的能耗分析报告全面掌握设备的能耗情况。

4.5 设备状态管理

能源管理系统配置有大量的采集计量器皿，如何对这些设备进行有效的维护和管理非常重要，这直接影响到数据源的可靠性和运维的高效性。

设备状态管理通过数据的反向校验分析，对设备运行健康状态进行评估和预警，通过建立运营系统和运维系统的能源对话机制，有效解决设备运行中可能出现的异常问题。

对于计量表计，考虑环境和客流因素，应根据周期内采集电量数据变化趋势对上送的数据进行合理性判断，对于异常突变数据作出预警提醒；对于大功率能耗设备，应基于能耗状态分析模型计算设备单位能效，一旦超过预警值应进行预警。例如，可通过拟合进出风口温度、CO2浓度、空调机组的运行频率等参数，与空调机组的能耗建立关联，计算出空调机组的制冷效率，当机组效率达到预警值时则提醒运维人员需要对该设备进行除垢清灰等维护操作。

4.6 设备运行优化

能源管理的目的是基于对能源状况的统计分析，在保证车站正常运行和乘客满意的基础上，为节能提供有效的方法决策。

首先根据公共区面积、出入口数量和客流量进行车站等级划分；然后根据车站的客流、温湿度、CO2浓度变化情况，基于大数据分析结果，提供不同时间段下通风设备、电扶梯等大功率能耗设备启停等的运行状态参考方案，供运营人员选择。例如，非高峰时段车站的客流量明显减少，系统检测出公共区CO2浓度降低，同时基于历史统计数据分析，可触发车站的低客流运行模式，即：启动新风机“单排单送”、部分进站扶梯停运等模式，运营人员可选择是否执行。

对于不同等级车站还可针对外界环境温度给出不同时间段冷水机组开启状态方案，以实现对冷水机组的优化运行，为当前粗放式运行模式提供参考。

4.7 节能控制技术

该系统可根据实时负荷情况自动调整空调机组的运行数量和运行参数，在满足负荷动态需求的同时，降低机电设备运行能耗，实现集群优化控制。如图2所示，采用闭环方式对送风温度和回风温度进行自动控制，根据边界条件和运行工况对温度设

注：P——比例调节参数；I——积分调节参数；D——微分调节参数；wij,wjk——比例调节微调参数。

定值进行自动优化整定，在满足负荷需求的同时减少了末端系统的运行能耗。

4.8 评估考核

综合能效评估是对所采取的节能方案以及不同车站间的综合能效进行评估考核。结合能耗的分类、分项模型，以及城市轨道交通运营绩效评估体系(MOPES)，本文建立了层次化的综合能效评估模型，如图3所示。

图3 综合能效评估模型

对于同类型车站，综合能效评估结果越大，则其排名更靠前，运行方式更为经济合理。通过对不同类型车站综合能效评估结果进行对比，可进一步挖掘能耗的影响因素，健全城市轨道交通的能源管理系统，帮助各车站制定合理的节能目标，并以此为基础建立能源考核体系，进而促进节能工作的有效实施。综合能效评估结果计算公式如下：

式中：

Vj——第j个车站的综合能效评估值。

B——基础层评估指标的总个数；

zij——第j个车站在基础层的第i个评估指标的标准化值；

zj——第j个车站的客流标准化值；

ωi——基础层的第i个评估指标相对于分项层的相对权重；

ξe——系统层的第e个评估指标相对于目标层的相对权重；

ξ——客流系数；

ηf——分项层的第f个评估指标相对于系统层的相对权重。

5 结语

基于综合监控的全线能源管理系统采用两级管理、三级控制架构，实现了与综合监控系统的硬件共享、平台共用。本文通过建立设备能耗与运行状态、环境和客流等影响因素优化模型，进行能耗状态分析、设备状态管理和设备运行优化，可及时发现能源消耗过程中的发展趋势、异常情况及节能潜力，从而为管理节能提供参考决策。该系统通过节能控制技术，优化了运行方式，提高了能源利用效率，可在保证正常运营和乘客满意度的基础上实现节能增效的目的。

该系统能全面准确地反映整条线路的能耗情况，可对各车站、各专业、各设备之间进行形象化的横向、纵向评估比较，为用户制定各种节能奖惩目标提供可靠的依据，规范了能源系统的运行管理。此外，该系统积累了大量数据资源、能源管理分析技术和节能控制经验，可为完善车站的数字化建设、提升城市轨道交通的信息化水平、发展智慧交通奠定基础。