铁路客运站综合能源系统关键技术应用研究

王永泽，杨 斌，谢汉生，田 冉，李要红

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081；2. 中国国家铁路集团有限公司 工程管理中心，北京 100844；3. 北京理工大学 机械与车辆学院，北京100084）

0 引言

随着我国铁路建设规模和运营里程的不断扩大，铁路客运站数量持续增加。2018 年9 月和2020 年9月，中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)印发了《关于全面推进绿色铁路发展的通知》[1]和《智能高速铁路体系架构1.0》[2]，推动我国铁路向绿色低碳、智能高效的方向快速发展。铁路客运站作为智能铁路体系架构和铁路绿色发展的重要组成部分，其能源管理的技术水平直接影响着铁路客运站运营的智能化、绿色化水平。

为提高我国铁路车站的能源利用效率，近年来在我国多个铁路客运站推广应用能源管控系统，通过信息化平台掌握整个车站的能源消耗情况和主要耗能设备的节能管理情况[3]。该系统除了能够对客运站内各类能源消耗情况进行实时监测和能耗统计分析之外，还能够对主要耗能设备进行远程控制和自动控制，提高了车站能源管理的数字化和科学化水平[4]。与此同时，随着国家对清洁能源应用比例的要求逐渐提高，铁路作为重要的能源消耗行业，光伏发电项目在铁路客运站的应用越来越多[5]，尤其是近年新建的铁路大型客运站；此外，冷热电三联供技术在北京南站、上海虹桥等车站得以应用，新建铁路客运站停车场的电动汽车充电桩数量逐渐增多，这些构成了铁路客运站新的能源生产和消耗形式。

德国、英国、丹麦、美国、日本等在综合能源系统关键技术研究和应用方面较为领先，相关技术的应用和发展为能源的可持续发展和节能减排提供了强大动力[6]。如今，综合能源系统已经逐渐成为我国能源领域发展的新业态，该系统集成了电源-电网-负荷-储能-充放电等多项技术创新，也融合了云技术、大数据、物联网、人工智能、区块链等新一代信息技术，目前已经在多个高校、机场及产业园区进行了应用，有效提高了综合能源利用效率[7]。为解决传统铁路客运站供能系统中能源利用率较低的问题，李要红等[8]结合客运站的能源供应种类及用能负荷需求，在供能侧引入太阳能和风能等可再生能源，建立了客运站冷热电一体化综合能源系统模型，并通过仿真软件分析了该综合能源系统模型应用于铁路客运站产生的节能效果。本文在该分布式模型研究基础之上，将光伏发电、冷热电三联供等综合能源系统关键技术与传统铁路能源管控系统进行有机结合，针对北方某车站实际用能开发了示范软件，以验证基于能量流理论模型的综合能源系统关键技术的应用效果。

1 铁路客运站综合能源系统关键技术研究

综合能源系统包含的能源产生和消费模式多样，带动了从能源产生到能源消费的多种技术综合发展。风力、光伏等新能源发电技术，冷热电三联供技术，混和储能技术，光储充一体化技术，地源热泵、空气源热泵、冷水机组的复合能源供应技术，以及综合能源智慧管控技术等，均为综合能源系统实施的关键技术[9]。随着铁路智能化发展对铁路客运站综合用能效率提升的要求，以及近年光伏、冷热电三联供、储能等多种综合能源系统关键技术在铁路应用的增多，结合能源系统相关技术在公共建筑等应用取得的良好节能效果，开展铁路客运站综合能源系统关键技术研究十分必要。

1.1 铁路客运站能源管控系统

铁路客运站能源管控系统在对车站能源计量系统进行完善和功能升级的基础上，将传统的能耗人工采集方式变为信息系统自动采集和在线监测，有效提高了能源计量系统的采集效率和精确程度；此外，还针对车站耗能大的空调、照明等进行了智能化节能控制，有效降低了车站能源消耗。该系统已经在北京北站、桂林站、长沙南站等进行了应用。铁路客运站能源管控系统的典型组成架构如图1所示。

图1 铁路客运站能源管控系统的典型组成架构

1.2 基于能量流的铁路客运站综合能源系统建模方法

基于能量流的系统建模方法最早源于电力系统，后逐渐应用于热力系统、电-气混联综合能源系统及冷热电三联供系统的建模研究之中。能量流理论描述了热量、电量和动量的输运过程，其本质为驱动力与驱动流之间的线性输运关系，上述线性输运过程均同时体现了守恒性和不可逆性。其中，驱动力提供了输运的势差，而驱动流具有守恒特性。此外，输运过程还存在耗散特性，描述耗散特性的普适方法是耗散量与驱动流平方间的比值，即阻力(如电阻、热阻或流阻等)[10]。

基于上述能量流的建模理论方法，结合目前铁路客运站多样的能源供给和消费模式，尤其是冷热电三联供和光伏等技术的应用，根据车站暖通空调系统在整体能耗中占据主要部分的特点，本研究将铁路客运站的暖通空调等热力系统和光伏发电系统组成综合能源系统统筹考虑，建立适用于铁路客运站的电力-热力综合能源系统模型。

研究以电力系统模型为主，将热力系统模型融入现有电力系统模型体系中。以能量流为核心，采用热电比拟思想，结合热系统火积理论，建立了与电力系统模型体系相容的热力系统模型，包括换热、储热、热电转换等不同的环节，以及传导、对流、辐射等不同的热传递方式，然后将热力系统模型融入电力系统模型，最终形成电力-热力综合能源系统的统一模型。在此基础上，结合可再生能源(风电)、储热等环节，基于电易输、热易储的天然互补性，最终建立了适用于铁路客运站的分布式综合能源系统优化模型，为研究提出适用于铁路客运站的综合能源系统优化运行方法提供了基础。

1.3 适用于铁路客运站的综合能源系统运行控制方法

基于建立的铁路客运站分布式综合能源系统优化模型，在保障满足铁路客运站的电、热、冷用能需求的前提下，研究分析了铁路客运站的运行特点和时间规律，提出了一种优化的综合能源系统运行控制策略。运行优化控制策略如图2所示。

根据图2，O1O2为系统运行的最优热电产能曲线，根据客运站所需电负荷和热负荷与系统运行最小和最大热电负荷Emin、Emax、Qmin、Qmax之间的关系，将负荷需求划分为7 个不同子区域，每个子区域对应综合能源系统不同的运行场景。通过分析不同运行场景下系统所需热电的来源和分配，给出综合能源系统最优的控制策略。经过仿真软件分析，相较于传统的控制策略，该优化控制策略可使系统综合性能有效提升，并显著缩短投资回收期。

图2 适用于铁路客运站的综合能源系统运行优化控制策略

2 适用于铁路客运站的综合能源系统应用示范软件

根据研究提出的铁路客运站综合能源系统建模方法和运行优化控制策略，在原有铁路能源管控系统基础上，结合北方某车站的供能和用能特性，对上述提出的铁路客运站综合能源系统建模方法和运行优化控制方法进一步完善，开发出一套适用于该车站的综合能源系统应用示范软件，以验证基于能量流理论的建模方法和控制策略优化方法的有效性。该软件可提供丰富的可视化功能，将数据进行抽取计算，并对运行结果数据进行统计和对比分析；用图形变化和色彩组合等展现不同的视觉效果，使运行管理人员对综合能源系统的运行状态一目了然，方便及时采取有效的控制措施。

该车站冬季采用市政供暖方式，夏季采用4 台冷水机组进行制冷，并在站房屋顶设有较大容量的光伏发电系统。研究针对车站供能、用能特点进行控制算法优化。软件界面首页展示了4 台冷水机组每日的最优负荷输出和能耗、产生的节能效果。操作界面展示了每台机组的属性和输入负荷数据。

以该车站夏季某典型日的运行数据为例，图3 至图5 分别展示了车站某夏季典型日的光伏发电量预测数据曲线和车站全部机组的热电负荷预测数据曲线。其中，图3 至图5 横坐标均为按照每30 min 间隔所取的对应时刻(下同)。

图3 车站某典型日光伏发电量曲线

图4 车站空调机组电负荷输出预测数据

根据该车站典型日的输入数据曲线，在软件中运行研究的优化控制算法，可得到各空调机组的输出负荷数据，即该车站综合能源系统运行的优化控制策略，如图6所示。

应用基于能量流的综合能源系统建模方法及优化控制策略后，该车站整个空调机组产生的能耗前后对比如图7 所示。通过对比可以看出，采用该优化控制策略可有效降低空调机组能耗，对示范软件应用前后不同时刻优化的用电量进行对比计算，优化后的节电率约为15.19%。

图5 车站空调机组热负荷输出预测数据

图6 车站4台空调机组输出负荷数据曲线

3 总结与展望

研究结果表明，基于能量流理论的铁路客运站综合能源系统建模方法和能源优化控制方法能够提升车站的综合能源利用效率，在综合能源系统相关技术服务日益完善和我国铁路客运站智能化发展的大趋势下，随着分布式光伏发电系统和空气源、地源热泵等多种供能方式在铁路的应用，应用综合能源系统关键技术对于提高铁路客运站可再生能源利用比例和构建综合协调、绿色低碳的铁路客运站具有积极意义。

图7 优化后能耗对比