地铁智慧能源管理控制平台研究

邓欣辰

摘要 随着地铁行业在全国大范围的发展，地铁运维中的节能降耗也成了一个重要课题。文章通过分析地铁能源管理方面的现状和需求，提出智慧能源管理控制平台的建设目标，对包括系统监测、指标管理及节能调控在内的核心业务功能进行概括;研究系统逻辑架构和物理架构，从通风空调系统运行工况和风水联动控制策略两方面着重剖析空调节能调节方案。

关键词 地铁;能源管理控制;通风空调系统;风水联动

中图分类号 U231.6文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）10-0004-03

0 引言

2021年12月“十四五”节能减排综合工作方案印发，国家对节能的整體工作要求进一步明确。到2025年，能源消费总量得到合理控制，节能减排政策机制更加健全，重点行业能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本达到国际先进水平。

根据国内已建成轨道交通线路运营经验，一条20 km长的地铁线路一年的用电量约为0.6～1亿kW·h[1]，电费占到城市轨道交通运营费用的50%，其中通风空调系统占总能耗的30%～45%[2]，单站年能耗约90～140万 kW·h。随着全国各地地铁运营里程的增长，地铁节能将是未来 “十四五”节能减排规划达标的重要方向。

1 需求分析

1.1 地铁能源管理的现状

目前地铁工程设有综合监控系统和环境与设备监控系统，侧重于系统与设备状态的监控和报警功能，对能耗统计方面关注不足，用能计量颗粒度较粗。在节能方面，采取根据乘客、站务反馈被动调整运行模式，负荷变化响应不及时，调节滞后时间长。在系统性能方面，环境目标温度控制不稳定，风水调节不联动，冷机冷凝负荷高效率低，供水温度保持唯一设定值，制冷效率低。

1.2 建设目标

根据目前地铁相关系统在能源管理方面所存在的问题，该次研究计划构建一个智慧能源管理控制平台，全方面对地铁车站用能进行管控。该系统可以利用平台软件协助制定、跟踪能耗定额管理、能耗计划、量化能耗目标。

通过数据分析给平台赋能，采用人工智能算法分析能耗数据、挖掘节能空间，对有能源效率提升空间的环节进行节能改造，进一步提升能源利用率。从多维度评价用能管理及节能改进措施效果，形成综合报表。为能耗管理体系建设、能耗情况汇报提供数据支撑。

2 业务功能

2.1 系统监测功能

系统监测功能包括能耗监测和设备监测两部分。能耗监测功能通过针对性设置的电表、水表对各电力回路、水路能耗实时监测。采用回路工艺图方式呈现，与实际工艺流程相符。设备监测功能可满足对系统内智能表计、通信管理机、交换机等设备运行状况的监测，展示系统运行状态，达成故障快速定位、排查。

2.2 指标管理功能

通过对能源供需现状的调查分析，结合行业的一般标准，做出时间、空间尺度上的能源需求预测，制定能耗规划。利用监测功能获取的能耗数据，分户、分项、分时统计能耗概况，结合能耗规划及生产工艺流程的能耗时段特征，挖掘规律并查找异常能耗情况。根据指标特征给出综合能耗指标评价。其中一级指标用于统筹、制定节能目标，评判整体能耗;二级指标用于规划节能重点，用系统能效、单位面积空调能耗等指标合理量化能耗考评;三级指标用于定位问题，包括机房COP、机组COP、冷冻输送系数，指导做出针对性调整。

系统同时具备移动端远程查看功能，方便用户随时掌握能耗情况。

2.3 负荷预测及节能调控功能

对室内外温湿度、送风温湿度、回风温湿度、室内CO₂浓度/客流、实时负荷/制冷量等参数进行不间断监测、分析。采用神经网络负荷预测算法，通过对制冷量、散热量、末端的全局控制，实现修正反馈机制，改善控制滞后，减少系统振荡。

3 系统架构

3.1 平台逻辑架构

智慧能源管理控制平台从逻辑上由感知层、平台层和应用层组成。

感知层是平台的数据采集及控制层面，通过Modbus、CIP、DLT645、Http等协议与智能仪表、互联系统、被控设备进行数据通信。采集能耗数据，感知周边环境，完成与其他相关系统如PSCADA、BAS、综合监控的数据共享及与被控设备的控制接口功能。

平台层为智慧能源控制系统提供了数据支撑功能，包括数据处理模块、监控模块、可视化模块、数据存储模块、人工智能算法库模块。数据处理模块负责逻辑运算、数据筛选、异常告警、数据分发功能;监控模块满足状态获取、控制下发、组态分布功能;可视化模块实现Web访问，图表展示，矢量SVG，3D地图;数据存储模块完成实时数据收集，历史数据归类存储;人工智能算法库模块提供神经网络、数据局预测、机器学习、系统建模等的预置算法。

应用层部署平台所特有的各类应用，利用感知层的数据通信和接口控制功能，基于平台层的数据支撑功能，满足了能耗统计分析、智能节能调控、能耗指标管理、数据异常报警、AI负荷预测、信息多平台发布、运维辅助决策、设备在线监测和能源费用结算等功能。

3.2 平台物理架构

目前国内地铁工程大多设置有综合监控系统和环境与设备监控系统（BAS），对车站内环境信息的采集、各类机电设备进行集中监控，各子系统进行状态管理。该研究基于目前国内地铁建设的通常做法，构建地铁智慧能源管理控制平台，兼顾既有系统架构和新型功能需求，同时适应于改造工程和新建工程。

智慧能源管理控制平台采用“中心级—车站级”的二层结构。能源管理中心平行于综合监控中心级系统，构成中心级;车站级节能系统连同车站级BAS系统、采集设备及被控设备组成车站级系统。其物理架构图见图1所示。

中心级是智慧能源管理控制平台的核心级系统设备，是信息接入、抽取、清洗、存储、挖掘的数据中心，也是针对全线能源管理的人工智能、机器学习技术的应用平台。中心级各服务模块分别与车站级设备信息和数据服务平台进行数据传递，接入相应外部系统（综合监控系统、AFC系统、TCMS系统等），通过安全防护等措施，与其他相关系统网络互联互通，信息可及时同步至中心级的服务集群（应用服务器、数据服务器）进行集中管理。DA0610A4-C261-406D-B037-F0FBC0ECBDE8

车站级系统包括节能系统车站交换机、节能工作站、节能PLC[3]。车站级是设备信息采集、设备运用、设备执行控制的源头，通过和环境与设备监控系统的互联，采集各表计、传感器、设备上传的信息。利用内置于节能PLC内的节能算法，有效完成该站负荷预测及节能调控功能。

4 关键技术——空调节能调控方案

在地铁车站这种大型地下建筑的节能调控策略中，“供求平衡”是最根本的原则。即在地铁车站内环境指标维持在焓值目标的情况下，尽量减少不必要的能量消耗。

考虑到地铁车站目前大多采用全封闭式屏蔽门，没有列车进出站带来的活塞风。地铁车站与外界环境的热交换仅来自出入口，车站内的发热量主要来自乘客、工作人员及设备散热，模型相对简洁。

4.1 通风空调系统运行工况

在实际地铁正常运营中，通风空调系统主要包括两种工况：空调季节工况和非空调季节工况。

非空调季节时空调水系统停止运行，冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备关停，室外环境焓值低于焓值控制预设值。对于车站公共区，空调大系统采用新风模式，室外空气送入室内，室内余温余湿排出。对于设备办公区，空调小系统开启VRV多联机，根据房屋性质及空调需求的不同，调节每个房间不同的新风量，提供相应冷源、热源。

智能节能调控功能应用潜力主要在空调季节。根据室外焓值与回风焓值的相对关系，空调季节工况又分为空调季节全新风工况和空调季节小新风工况。全新风工况发生于换季时候的过渡季节，温湿度适宜，室外温湿度小于或等于回风温湿度。为了防止浪费，降低能耗，空调系统关闭回风阀，打开新风阀，采用全新风模式，引入室外空气，流过表面冷却器金属管道外壁进行热交换，达到降温除湿的目标[4]。小新风工况则发生于室外温湿度大于回风温湿度时。此时，空调系统工作原则是尽量隔绝室内外空气，避免室外空气对流，造成能耗增加。系统根据室内二氧化碳浓度、室外温湿度、回风温湿度等参数，智能调节新风阀和回风阀开度，把控新风量与回风量。同时调节电动二通阀开度，调节表面冷却器内冷冻水的水量[5]。

4.2 风水联动控制策略

地铁通风空调的风系统和水系统在运行中相互依赖，相互影响，相互制约，具有很强的耦合性。传统地铁通风空调系统，大多由环境与设备监控系统根据预置的工艺控制计划进行固定的控制[4]。在空调季节，造成车站制冷量大于车站实际需求的冷量，长期浪费能源。同时，水系统没有考虑变频需求，采用工频工作模式，工作状态远离最佳工作点，导致进一步的低效。因此，优化原本相对独立的环控风系统、水系统的节能控制策略，引入风水联动策略，可大大提升通风空调系统的制冷效率。风系统中的空调机组、小新风机和回排风机，水系统的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔均需要采用变频运行，是风水联动的前提[6]。

空调节能控制策略主要包括风系统调节、风水协调、冷冻水系统调节、冷却水系统调节。

（1）风系统调节。因为地铁车站地下空间大，作为调节空间环境参数的通风空调系统在控制响应方面具有很明显的大滞后性。采用实时数据，结合客流数据、车站二氧化碳浓度，按照每天不同时段，以调控周期为单位对公共区冷量需求进行预测，并以此为依据触发送/回风机控制环节，调节风机工作频率。对风系统进行更有效的调节，减少系统振荡。

（2）风水协调。當送风温度偏离预设值时，风水协调控制环节被触发。系统根据按需分配的原则自动调节水系统各水阀的开度，使送风温度回归预设值[7]。

（3）冷冻水系统调节。当系统的总供冷量偏离预期值时，触发冷冻水控制环节。系统根据负荷预测模型调节冷冻水泵的工作频率，改变总冷量的供给，使其满足预期需求[7]。

（4）冷却水系统调节。在空调系统的运行中，随着温度、湿度的变化，系统最佳工作点也会随之改变。节能控制系统根据智能节能优化算法，找到通风空调冷却水系统效率最高的最佳工作点，计算最佳冷却温度，改变冷却水流量，使冷却泵、冷水机组、冷却塔的效率最高。

5 结论

在地铁建设蓬勃发展和节能减排需求背景下，该文所提出的地铁智慧能源管理控制平台充分兼顾传统地铁综合监控系统、环境与设备监控系统的系统架构，同时适用于新建地铁工程和地铁改造工程，具有建设指导意义和广泛应用前景。智慧能源管理控制平台整合地铁主要的能耗用户数据，对其进行全面的采集、统计、分析、展示。针对能耗大户空调通风系统，利用平台提供的大量数据和智能算法，挖掘节能潜力，实现大规模的节能降耗。在提高地铁设备发展和运维水平的同时，也将取得显著的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]李文波. 城市轨道交通节能线路设计研究[J]. 都市快轨交通， 2013（2）： 8-13.

[2]高玉龙. 地铁系统能源流管理模型研究[D]. 天津：河北工业大学， 2012.

[3]吴振华. 地铁BAS系统节能控制方案优化与实践[D]. 南昌：华东交通大学， 2018.

[4]赵正凯. 基于BAS的地铁环控系统优化与节能设计[D]. 大连：大连理工大学， 2018.

[5]曾逸婷. 地铁车站公共区通风空调系统运行方案优化方法研究[D]. 西安：西安建筑科技大学， 2019.

[6]李晓健. 地铁通风空调系统的运行现状和节能措施研究[J]. 中国室内装饰装修天地， 2020（3）： 384.

[7]黄亮亮. 轨道交通车站通风空调系统“风-水”联调分析与应用[J]. 中国市政工程， 2017（4）： 3.DA0610A4-C261-406D-B037-F0FBC0ECBDE8