城市轨道交通智能能源管理系统研究

董 哲

（中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津 300250）

城市轨道交通智能能源管理系统的研究，是针对城市轨道交通项目特点展开的。作为公众交通服务项目，其建设规模大，投资高，并且运营成本多，能源消耗大。伴随我国全社会用电量平稳增长，我国的能源消耗总量排名世界第二，但人均能源占有量仅为世界平均水平的40 %。尤其在“双碳”政策背景下，节能减排已成为我国能源管理的必然趋势。基于此，加大对城市轨道交通智能能源管理系统研究力度，响应政府“双碳”政策，制订完善的节能减排战略计划，为城市轨道交通智能能源高效利用与科学管理奠定了基础。

1 研究背景与意义

《国家综合立体交通网规划纲要》指出：加快推进绿色低碳发展，交通领域二氧化碳排放尽早达峰的要求。北京城市副中心站综合交通枢纽是《北京城市总体规划（2016年—2035年）》中明确的10个全国客运枢纽之一，既是京唐城际近期工程始发终到站，也是城际铁路联络线及其他多条城市轨道交通集中换乘站点，枢纽全日单向客流集散规模达到47.1万人次，轨道交通全日客流量为22.5万人次，作为用能大户，综合交通枢纽（以下简称“枢纽”）如何更好地践行绿色发展社会责任，在绿色低碳发展中起到示范引领作用，是能源管理多年来一直探索前行的方向。

结合物联网监测、大数据分析及可视化管理等技术，通过节能平台统一集成能源消耗、设备运行以及环境等数据，综合判定枢纽用电合理性。对耗能进行指标化管理，并进行节能分析，实现从“能耗监测系统”向“辅助降耗系统”的转变。

2 浅析城市轨道交通智能能源管理系统

城市轨道交通智能能源管理系统的主体是监测、分析以及记录交通运营能耗，轨道交通能耗类型比较多，水能、燃油、冷量、电能等均在监测之列。结合监测数据，对城市轨道交通能耗情况有所了解。通过监测数据分析与能耗变化情况，联系轨道交通正常运行与发展需求，及时制订节能降耗计划，为城市轨道交通能源有效管理提供依据。城市轨道交通能源管理系统的应用，在很大程度上降低城市轨道交通运行与能源成本，充分利用城市轨道交通能源，科学抑制交通能源管理中的浪费现象，提高城市轨道交通能源管理水平。城市轨道交通能源管理系统的设计与优化，借助在线计量能源、能耗数据统计、节能控制、监测能源质量等技术，客观分析城市轨道交通能源节能潜力，科学管理能耗数据，及时验证能源降耗效果。目前城市轨道交通能源管理系统，包括能耗定额、能耗监督、能耗控制、能耗考核等。

3 城市轨道交通智能能源管理系统研究必要性

城市轨道交通消耗能源体量巨大，前端采集的海量数据很难通过人工方式分析其合理性；设备系统类型多、方案复杂、运行模式复杂，很难判断设备运行状况是否在最佳节能工况等。目前运营单位能源管理系统在节能管理方面存在以下问题。

3.1 缺少科学的指标评估功能

城市轨道交通运营后，随设备运营期增加，自控系统故障或设备维护原因造成设备能效降低。内部耗能设备极其复杂，很难对耗能状态合理性进行直观的分析。通过综合交通枢纽节能降碳分析平台（以下简称“节能平台”）提供的大数据分析功能，及时掌握枢纽各类能耗指标，综合判断用城市轨道交通能消耗是否在合理指标范围内。

3.2 用能异常情况很难在第一时间发觉

如果设备能源消耗在不正常区间，往往伴随设备故障、带病运行等情况。通过节能平台内置专家分析规则库能够及时对异常能耗进行预警，节约能耗的同时提高设备运行效率。

3.3 能源数据分析，缺少多维度数据

传统能耗统计方式，因数据量大，统计工作复杂，往往不重视过程数据分析。通过节能平台能够实现能耗数据的全过程管理，形成历史能源消耗统计曲线。同时可与环境、客流、设备运行状态等数据进行综合性分析，打破以往数据壁垒，充分挖掘节能潜力。

3.4 缺少碳排放监督功能

枢纽采取多项节能措施，对于降碳是否达标及是否存在降碳空间无法进行量化及考核。

4 城市轨道交通智能能源管理系统研究关键点

4.1 多维数据分析辅助节能运行控制研究

城市轨道交通内高耗能机电设备众多，且均设置低压控制设备，按照节能模式联动运行。对于部分不易进行评估的指标，能源管理平台通过与机电设备进行对接，实时监视设备运行状态，分析节能策略执行情况，防止因人为操作失误或设备执行错误造成能源浪费。

4.2 能耗数据指标化方案研究

能效指标是反映城市轨道交通能耗水平及节能执行情况的重要依据，通过能源管理平台获取的设备运行属于及前端传感器数据，能够实时计算出能效指标。指标应采取分层设置方案，包含城市轨道交通综合能效指标、系统能效指标、子系统能效指标以及设备能效指标。

4.3 能耗趋势分析方案研究

通过节能平台对能耗趋势进行实时监督，量化节能指标。通过对能耗数据的不断积累，结合设备运行情况及时发现节能空间。运用可视化技术，融合数据集成、可视化与实时交互为一体，将图形与实时数据流进行统一整合，实现现场数据与图形信息的联动。

4.4 能耗分析规则及决策方案研究

打通系统内各个功能模块，精准识别各类高耗能场景，设置适合枢纽重点机电设备的分析规则，实现精准告警。

4.5 降碳分析研究

科学预测计算城市轨道交通运行期碳排放量，制定城市轨道交通年度、月度碳排放计划，分析制定降碳目标和降碳策略，并对降碳工作进行绩效评价。

5 城市轨道交通能源系统设计优化

5.1 对城市轨道交通能源系统准确定位

城市轨道交通能源系统研究中，根据上述多方面的分析，及时积累应用经验，对城市轨道交通能源系统准确定位，在此基础上，精准优化系统。城市轨道交通能源系统的应用，监测能源消耗是主要目的，消耗的核心为电能，其次涉及水、气消耗，打造更完整、多功能的轨道交通能源管理系统，准确定位的同时，充分发挥出城市轨道交通能源系统的节能管理作用。特别是节能反馈控制方面，搭配能源管理系统中的管理功能，对城市轨道运行期间的各种机电设备等进行监督控制，并且展开节能化调控，以此为城市轨道交通能源系统节能优化控制的实现奠定基础。

5.2 城市轨道交通能源系统智慧化设计

城市轨道交通能源系统智能化设计内容众多，此次研究主要以机电系统为中心展开，具体涉及以下几方面。

5.2.1 风水智能控制系统的能源管控

系统功能为完成车站通风空调系统中风水的协调耦合控制，将通风空调系统的设备处在高效区，降低系统运行能耗。图1为风水控制系统运行能耗梳理图。结合图1了解风水智能控制系统因素关系。

图1 风水控制系统运行能耗梳理图

机电能源管控及运维系统通过网络通信可与控制层进行连接，负责整个受控通风空调系统（大系统和水系统）的集中监视、控制和管理，并完成车站两端通风空调大系统、小系统与水系统间的协调控制。能源管控系统的优化，网络架构设计包括智慧运维系统服务器、节能优化控制柜、云能效、移动运维、AI大屏展示、以太网总线、冷源机房节能控制柜、多端大系统节能控制柜等。控制系统中的水系统，2台冷水主机，2台冷冻水泵，2台冷却水泵，2台冷却塔，8 个电动蝶阀，1 个压差旁通阀12 个温度传感器，1个压差传感器，2个流量计，1个室外温湿度传感器。具体实施方案见图2。

图2 水系统冷源机房节能控制柜能源控制图

控制系统的大系统包括2台组合式空调，2台回排风机，2个表冷器比例积分阀，10组电动风阀16个温湿度传感器，4个水温传感器，4个压力传感器，8个CO2传感器。图3为大系统节能控制柜能源控制图。

图3 大系统节能控制柜能源控制图

节能控制优化方案：优化冷冻水温；部分负荷下，适当提高冷冻水温，提高主机COP；末端选型优化，适应冷冻水变温供水；风水联动控制，保证用冷需求同时能耗最低。尽量降低冷却水温，提高主机COP；冷却塔选型优化，降低冷却水逼近度；智能寻优控制，用最小功率获得较低冷却水温。风水联动节能控制技术消除了空调控制的孤岛，根据空调运行状况预测负荷变化趋势，并同步调节空调末端的风量、冷源系统的冷冻水流量及冷水机组的负荷，降低系统的综合能耗，减小系统的控制波动。

5.2.2 智能照明系统的能源管控

智能照明控制系统采用先进的智能总线控制管理系统，可实现对公共区域照明的智能控制和集中管理；具有灵活多样的控制模式，如集中监控，现场控制、定时控制、调光控制和场景控制等。系统架构如下：

（1）网络设备：系统电源、网关、总线、各种接口模块等。

（2）输入设备：可编程的多功能（开/关、调光等）输入开关、各种型式及多功能的控制板、各种功能传感器。

（3）输出设备：各种型号的继电器、调光模块等。

在高架车站公共区照明配电箱内设置调光模块（或开关模块），在站厅、站台及室外适当位置设置光线感应器，根据需求在照明配电室设置操作面板，通过总线接入智慧运维系统。

5.2.3 智能监测仪表的能源管控

随着GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》的实施，消防给水系统设置自动启泵功能，若管道破损或栓口漏水会导致消防水泵的误启动，进一步加大管道漏损量，并威胁整个管道系统的安全性，对于区间管道，更是影响行车安全，及时有效监测区间消防管网压力。机电智慧运维平台通过BAS 负责整个仪表的数据采集及分析，提供区间消防管网故障报警信息。设置压力传感器+水流指示器的方式，确定漏损管段，通过BAS 系统发送报警信号至车控室，由管理人员远程停止水泵或关断水管阀门等紧急操作。

6 结束语

通过对城市轨道交通智能能源系统的研究可以发现，现代化城市交通发展下，智能化水平明显提高。将智能化技术与能源控制结合，制定更完善的节能降耗方案，有效改善城市轨道交通智能能源消耗大的难点，科学应对能源管理高要求。不仅如此，以智能能源系统，提高城市轨道交通能源管理信息化水平，明确能源管控关键点，在此基础上，取得理想的能源管控效果，充分发挥出能源在城市轨道交通中的效能。