基于能源管理系统的城市轨道交通节能控制系统研究

吴君乾

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010）

0 引言

能源管理系统是一种为城市轨道交通行业实现科学用能、合理用能、安全用能，以提高能效与节能效益为目的的城市轨道交通能源信息化管理系统。现行的部分城市轨道交通电能管理系统落后单一，未充分发挥节能控制的作用。部分能源管理系统在实现对车站机电设备、弱电系统、车站照明的用电设施耗电量统计的基础上，不能根据现场运行情况和数据分析系统方案、运行参数、设备存在问题进行处理；无法兼容新技术与新工艺的应用，更无法结合客流、列车运营模式、室外温湿度、机电系统运行模式等相关专业信息进行管理调控。该研究针对节能控制系统，在得到设备实际运行参数、耗能情况、用能指标等数据后，分析设备的负荷变化特征，作为设备诊断和运行效率分析的依据，发现节能空间，最终达到节能的目的。

1 能源管理系统

1.1 系统概述

城市轨道交通行业的能源管理系统，是集电子、自动化、通信与网络、计算机与软件等先进技术，通过能源在线计量、能源负荷和质量监测、能耗数据统计、节能潜力分析、节能控制、节能效果验证、节能管理等多种手段，实现科学用能、合理用能、安全用能，以提高能源管理水平及社会和经济效益为目的的信息化管理系统。

1.2 系统功能

能源管理系统可实现用能设备的实时监测、能耗数据的自动采集与存储、数据统计与分析、报表显示和打印、能耗预测和预警等功能（见图1）。

图1 能源管理系统各层级功能

2 节能控制系统

2.1 系统功能

节能控制系统作为能源管理系统的子系统，通过采集的数据，获取各监控对象的工作状态，在进行能耗指标评价后，按相应模式控制相关设备。

节能控制系统具备以下功能：

第一，节能控制系统根据设备运行状况预测负荷变化趋势，根据预测结果提前将用能设备调整到最优工况下运行。

第二，节能控制系统根据车站负荷变化情况，实时对用能设备进行运行模式调整，通过主动寻优策略确保在能耗高效区运行。

第三，当成组设备处于低负荷运行时，节能控制系统能够采取各种有效措施避免成组设备中单台设备在低负荷率下长期运行，同时考虑频繁操作对设备维护的负面影响，在设备低负荷运行时，采用最佳控制模式。

第四，节能控制系统能够实时记录各用能设备的工况，并形成图表，根据长期数据积累主动寻找最优的节能控制系统控制算法，确保环控节能控制系统能够长期运行在高效区。

第五，节能控制系统针对所有用能系统的设备进行联动分析，通过系统主动寻优算法调节各系统的模式，实现系统间的高效配合，使各系统的设备均处于最佳运行水平。

第六，节能控制系统能记录各类被控设备的使用时间（或动作次数），与预设维护时间（或次数）自动进行比对，进一步完善节能控制模式。

2.2 控制策略

各用能系统的设备往往具备多种运行模式，根据外界条件的变化，应该选用不同的运行模式。例如，照明系统、通风空调系统、自动扶梯系统等可以根据客流量、环境参数，改变各设备在工作的用电强度、工作强度，避免不必要的能量损耗。在车站能耗中，照明系统、环控系统、电扶梯设备的能耗之和占据车站能耗的90%以上，因此以环控系统、照明系统、电扶梯设备为控制策略研究对象，可有效实现节能的目标。

2.2.1 环控系统节能控制

环控系统的节能控制监控对象为车站、区间、车辆段及停车场的所有通风空调设备。节能控制系统对这些设备进行全方位的监测和控制，具有采集相关环境信息、收集设备的运行参数、自动优化控制策略等功能。通过主动寻优算法，确保环控系统的设备能够长期运行在高效区，在保证环境安全舒适的同时，实现节能优化。参与节能调控的通风空调设备包括空调冷源系统设备（冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、电动阀门、空调末端设备等）、大系统变频设备及风阀、大系统所有传感设备、小系统风管传感设备、空调冷源系统所有传感设备等。

（1）控制目标

环控系统节能控制系统应能够根据大系统空调运行状况和小系统空调运行状况预测车站负荷变化趋势，车站空调环控节能控制系统应能够根据预测结果提前将冷水机房设备调整到最优工况下运行。根据车站负荷变化情况，实时调整冷水机组及压缩机的加减载和负荷，通过主动寻优策略确保冷水机组负荷率在高效区运行。

（2）控制模式

（a）全新风空调工况时，根据站内平均温度调节组合式空调机组频率，并利用站厅、站台二氧化碳浓度做保护。站内平均温度与设定温度进行比较，调节目标是站内平均温度=设定温度。当站内平均温度＞设定温度时，需提高空调机组的频率；当站内平均温度＜设定温度时，需降低空调机组的频率。

（b）全通风工况时，当12℃≤室外温度≤送风温度时，站内平均温度与设定温度（25℃）进行比较，调节目标是站内平均温度=设定温度。当站内平均温度＞设定温度时，需提高空调机组的频率；当站内送风温度＜设定温度时，需降低空调机组的频率，并利用站厅、站台二氧化碳浓度做保护。当室外温度＜12℃时，组合式空调机组控制风机频率按室内外温差不大于13℃所需的最小风量运行，且不应低于25Hz，并利用站厅、站台二氧化碳浓度做保护。

（c）水冷式冷水机组控制策略：冷水机组的加、减载由系统根据冷负荷的变化进行控制。当LD≤50%时，开启一台冷水机组，冷冻水泵变频运行；当50%＜LD＜100% 时，开启两台冷水机组，冷冻水泵变频运行；当LD=100%时，冷冻水泵工频运行。

在实际应用过程中，节能控制系统的控制策略需要与设备供货商联合优化设备选型，优化控制策略，调整条件参数，最终达到节能控制目标。

2.2.2 照明系统节能控制

轨道交通的传统照明控制方式为接触器控制，通过上位系统使用控制线接入照明回路的接触器，对照明回路进行回路控制。由于车站的照明回路数量不多，同一个回路的灯具集中在车站的某个区域，因此按回路开关控制照明系统容易造成车站内照度不均，无法满足现场的运营需求。传统的照明系统控制方式无法调节灯具本身的亮度，无法针对局部位置进行控制，因此难以在满足实际运行需求的情况下达到良好的节能效果。照明系统的节能控制，可对单个灯具进行合理的控制。在环境中设置各类传感器，采集环境信息，通过节能控制系统的预设的模型计算分析，最终实现照明系统的自动节能控制。

（1）控制目标

照明系统节能控制的主要目标为在满足实际运营的前提下，降低照明能耗。节能控制系统采集和分析实时环境参数，按照预设置的控制方式，利用控制元件对灯具进行管理控制，实现照明系统的节能。

（2）控制模式

（a）照明分区划分

对车站进行区域划分，针对不同的区域，采取不同的控制措施。系统对照明分区进行精细化的控制。照明分区的分类如下。

人员流动区：根据相关国标规范及要求，设置此区域的亮度标准。根据现场的环境参数，按照度标准对灯具进行调光。

设备操作区：利用传感器捕捉人员的进入情况。当有人员进入此区域操作设备时，节能控制系统调高人员所在区域的灯具亮度，方便人员进行操作。当传感器探测到人员离开现场时，降低此区域的灯具亮度，实现此区域的节能。

广告照明区：由于广告灯箱往往亮度较高，因此在接近广告灯箱的区域，可以降低普通照明的亮度。降低后的照度与车站内的其他区域一致，同时满足使用需求及达到节能效果。

楼扶梯区：为确保乘客在扶梯和楼梯区域行走安全，在楼扶梯区域的灯具亮度相对调高，满足现场需求。

休息区：对于车站内的休息区，可根据有无人使用设置灯光照度。当乘客进入休息区时，利用传感器探测人员进入，系统调整该区域亮度；当乘客离开时，系统降低亮度，达到节能效果。

屏蔽门区：当屏蔽门需要开启时，在列车进站前后调高屏蔽门光带的照度，提醒乘客列车进站信息和方便上下车。在列车出站后，降低屏蔽门光带的照度，达到节能效果。

地面区：在地下车站的出入口等地面区域，可利用自然光达到节能效果。在此区域设置照度传感器，当自然光充足时可降低或关闭灯光。

（b）运行模式

运行模式主要设置全亮模式、平峰模式、低峰模式、停运模式、消防模式、维修模式等六个模式。根据不同的时间点和使用功能，执行不同的模式。全亮模式主要用于工作日的高峰时段，提供较高的亮度，满足乘客密集时的需求。在节假日，由于附近有大型综合商城及游乐园，预计客流量较大，也可按照高峰模式运行。平峰模式应用于客流量一般时段，低峰模式应用于夜晚等客流量较少的时段。停运模式、消防模式、维修模式分别用于特定的场景。上述的运营模式如表1 所示。在实际应用过程中，可通过其他专业系统如自动售检票系统提供相关客流数据。通过客流数据定义照明控制系统模式，优化控制策略，最终达到节能控制目标。

表1 主要的运营模式表

2.2.3 电扶梯系统节能控制

自动扶梯和电梯能耗主要由电能转换为机械能。目前，最为广泛且技术成熟的自动扶梯节能控制方式为：无人时采用变频技术改变扶梯的速度进行节能。

在乘客量较低的运营初期阶段列车密度较低，在车站运行时段，有约一半以上的时间自动扶梯处于为空载运行状态。针对较大时间占比的扶梯空载运行状态，扶梯运行模式优化后，可较大幅度地降低自动扶梯的能耗。采用变频技术改变扶梯空载运行状态时的节能方式，可分为在空载时以低速运行或停止运行两种模式。

（1）空载运行时扶梯节能模式一：无乘客时慢速运行

此节能方式是当没有乘客乘坐扶梯时，扶梯慢速运行（0.13m/s）的模式。空载时从外阻损耗看，速度由0.65m/s 变成0.13m/s，可以减少能量损耗85%，扶梯的速度由设在裙板的光栅控制，只要有乘客在光栅探测范围内被检测到，扶梯就会按预先设定的额定加速度加速至额定速度（0.65m/s）。

（2）空载运行时扶梯节能模式二：无乘客时自动停梯

此节能方式是当没有乘客乘坐扶梯时停止运行，在有需要时自动启动的间歇运行模式。通过设置在登梯口处的启动元件（接触垫或者光栅）作用，自动扶梯根据乘客的使用需求进行启动。在启动元件起作用的最后时刻，自动扶梯通过时间继电器启动运行直至最后一位乘客离开并且在所设定的后继时间结束后停止运行。通过设置在扶梯上、下端头的交通灯表示自动扶梯的运行状态以及运行方向。

3 结语

目前，地铁车站内各系统之间利用能源管理系统进行数据交互、模式联动的程度较低。未来节能控制系统可充分利用能源管理系统大数据，结合供能和用能系统结构、设备类型或不同生产厂家的设备、车流、人流、环境条件、运行管理方式、运行年限、不同区域等因素，进行大数据研究，为地铁规划设计、建议运行管理方式提供决策依据；采用系统化手段客观全面评估能效和运行方式，提升能源管理水平。节能控制系统在得到设备实际运行参数、耗能情况、用能指标等数据后，分析设备的负荷变化特征，作为设备诊断和运行效率分析的依据，发现节能空间。通过调整设备运行模式、优化设备的运行方式，降低维护成本，减少能源消耗成本，提高用能设备的运行管理效率，对用能设备进行全过程和全方位管理，最终达到节能的目的。