廣州地鐵設計研究院有限公司 周 丹

軌道交通車站能耗采集及節(jié)能控制系統(tǒng)設計

廣州地鐵設計研究院有限公司 周 丹

本文通過分析軌道交通車站能耗特征，提出軌道交通主要耗能設備能耗采集方法、采集內(nèi)容，并研究設備運用特性，提出一種可利用自動化技術(shù)制定能耗管控系統(tǒng)的技術(shù)方案。

城市軌道交通；車站能耗；節(jié)能控制

1 概論

軌道交通車站能耗采集及管控仍然處于初步階段,采集及管理手段單一,獲得信息有限,管控方式不一。通過分析軌道交通車站能耗特征,提出軌道交通能耗采集方法、采集內(nèi)容,并研究設備運用特性,利用計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、自動化技術(shù)制定能耗管控系統(tǒng)的技術(shù)方案。

1.1 典型地下車站通風空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

在城市軌道交通各機電系統(tǒng)中,地下車站的通風空調(diào)系統(tǒng)能耗約占1/3,成為僅次于列車牽引系統(tǒng)的耗能大戶。且通風空調(diào)系統(tǒng)隨著客流、列車運行間隔、季節(jié)的變化,呈現(xiàn)較為明顯的峰谷差異,故該系統(tǒng)具有較為可觀的節(jié)能潛力。

圖1 地鐵各系統(tǒng)能耗占比

通風空調(diào)系統(tǒng)分為:隧道通風系統(tǒng)、車站通風空調(diào)系統(tǒng)(含消防排煙)、通風空調(diào)水系統(tǒng)。通風空調(diào)系統(tǒng)的主要設備有組合式空調(diào)器、空調(diào)柜機、各種通風機、冷機機組、水泵。而組合式空調(diào)器和空調(diào)柜機的耗能點主要在其內(nèi)部的通風機,即通風空調(diào)系統(tǒng)的主要耗能設備為風機、冷水機組和水泵。

1.2 典型地下車站照明能耗分析

地鐵車站中普遍使用的熒光燈管為360°均勻發(fā)光,除120°為直射外,其余240°均需反射后才能利用,一般反射材料的發(fā)射率僅為50%左右。

除使用高光通的優(yōu)質(zhì)光源外,高反射率的燈具也對減少燈具投資、電源投資有重要意義。

燈具反射器用材料大致分為產(chǎn)生漫/擴散反射材料和產(chǎn)生鏡面反射材料兩種:鏡面反射材料的反射率要高于漫/擴散反射材料的。高純鋁板表面拋光后得到的鏡面反射鋁板,總反射率可達84-87%;在一般鋁板上復一層涂有高反射率銀的滌綸膜,反射率可達92-94%。

車站照明針對公共區(qū)、設備區(qū)、出入口的不同運營特點,設置多種照明運行模式。公共區(qū)照明可以自動或人工設置各種照明節(jié)電運行模式。

全線照明控制系統(tǒng)采用分回路照明控制。對于成組控制的容量較大的廣告照明可用控制總回路的方式。城市軌道交通運營能耗主要分布在列車牽引用電和動力照明用電兩大部分。動力照明用電主要包括通風空調(diào)、給排水、電扶梯、照明、弱電設備等。根據(jù)對北京、上海、廣州等多條地鐵運營線路的用電負荷的統(tǒng)計結(jié)果看出,耗能方式在不同線路表現(xiàn)相同,均以牽引用電和通風空調(diào)用電為主,兩項之和約占地鐵總能耗的3/4左右。耗能負荷大多在地鐵載客運營期間處于運行狀態(tài),地鐵停運后僅有少量負荷在繼續(xù)運行。

綜上,在地下車站的機電設備中,通風空調(diào)、提升設備、照明占了主要部分,應作為車站能耗監(jiān)測及節(jié)能管控研究的重點。

2 能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為更好地開展能源管理工作,為軌道交通的節(jié)能減排工作提供有力的支持,必須對能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行研究,能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實現(xiàn)對能源分類、分項、分戶計量,通過能源消耗情況、進行節(jié)能潛力分析以及效果驗證,因此,能耗數(shù)據(jù)采集可以為節(jié)能減排工作提供數(shù)據(jù)支持并提出優(yōu)化建議,另外通過對相關(guān)回路的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進行采集和分析,可以為軌道交通的就地、局部無功補充及諧波質(zhì)量技術(shù)方案提供基礎數(shù)據(jù)及相關(guān)驗證。

根據(jù)變電所綜合自動化系統(tǒng)的架構(gòu)情況,提出了兩種方案,方案一是獨立的網(wǎng)絡,配置獨立的網(wǎng)絡設備,獨立處理數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡傳輸,方案二是和變電所綜合自動化共用網(wǎng)絡設備,成為其中的一個子系統(tǒng)。以軌道交通典型的牽引降壓變電所為例,列出兩個方案的設備配置。

車站 方案一設備配置 方案二設備配置為4 0 . 5 k V開關(guān)柜智能電表配置1臺2個串口, 1個光口串口服務器牽引降壓所與4 0 . 5 k V開關(guān)柜保護測控單元配置的1臺串口服務器共用為4 0 0 V開關(guān)柜配置1臺8個串口, 1個光口串口服務器與4 0 0 V開關(guān)柜保護測控單元配置的1臺串口服務器共用車站控制信號盤內(nèi)配一臺通信處理器車站控制信號盤內(nèi)總控單元共用到現(xiàn)場通信采用專用光纜及附件 與變電所綜合自動化共用到綜合監(jiān)控采用專用光纜、光電轉(zhuǎn)換器和相關(guān)附件 與變電所綜合自動化共用

變電所綜合自動化側(cè)重于對供電設備的控制、重要參數(shù)的采集,供電系統(tǒng)的運行依賴于變電所綜合自動化的可靠行、安全性,故方案一對既有變電所綜合自動化無影響,缺點是需要增加設備的投資每站約50萬,增加綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)處理及傳輸?shù)呢摵?方案二能最大的利用既有設備,但會影響變電所自動化的可靠性、安全性,但隨著變電所綜合自動化設備的升級、方案的完善,可以把影響降到最低;在現(xiàn)階段,為了確保不影響供電系統(tǒng)的運行,推薦方案一。

圖2 車站級能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

3 智能化控制策略與方案研究

地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)是一個多設備、多系統(tǒng)集成的系統(tǒng)。各設備、各系統(tǒng)間互相影響、制約和藕合。如果各設備、各系統(tǒng)獨立控制、互不兼容,各自為戰(zhàn)的話,極易導致部分系統(tǒng)發(fā)生振蕩,致使整個系統(tǒng)不能高效穩(wěn)定的運行。地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)還具有負荷波動大、時滯性大的系統(tǒng),如果整個系統(tǒng)不能很好的隨動負荷的變化,很容易造成服務水平下降、能耗浪費等一系列不良反應。因此一個整合了各設備、各系統(tǒng),能很好的匹配負荷變化,并具有一定預測功能的控制系統(tǒng),對于通風空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行,具有重要的作用。

3.1 地鐵空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)主要構(gòu)成

(1)風系統(tǒng)控制策略(含空調(diào)器風機變頻及二通閥開度控制,即風水聯(lián)動控制);(2)冷凍水系統(tǒng)節(jié)能控制策略(冷凍水泵變頻控制策略);(3)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略(冷凍水泵變頻控制策略);(4)冷水機組群控策略;(5)動態(tài)水力平衡控制策略;⑥變流量工況下安全保護控制。

3.2 智能照明系統(tǒng)部分組成

(1)中央監(jiān)控電腦;(2)總線耦合器(網(wǎng)關(guān)); (3)智能控制模塊;(4)智能控制面板;(5)照度傳感器。

3.3 智能照明系統(tǒng)的控制功能

(1)地鐵站強調(diào)對客人的第一印象,要求利用明暗有序和適度的照明環(huán)境讓人進入地鐵站后就能感到高雅舒適的氣氛;(2)地鐵站的燈具數(shù)量多,品質(zhì)高并十分昂貴,要求控制系統(tǒng)可以延長燈具壽命,降低地鐵站運行費用;(3)地鐵站管理要求能夠?qū)Φ罔F站內(nèi)所有公共區(qū)域的燈光實時監(jiān)控并能根據(jù)環(huán)境改變當前照明狀態(tài); (4)地鐵站的照明耗電約占整個能源的35%左右,要求通過控制系統(tǒng)能節(jié)省能源消耗;(5)地鐵站的主要功能區(qū)如:出入口、站廳、樓(扶)梯和站臺等需要因不同的場面而變換不同的燈光環(huán)境,營造不同的環(huán)境氣氛; (6)出入口處和站廳需要根據(jù)每天的時鐘變化不同的燈光場景,以適應不同照度情況下的燈光亮度需要,同時應該增加照度傳感器設備,當惡劣氣候來臨的時候整個系統(tǒng)可以自動打開燈光,提供適當?shù)恼斩?(7)樓(扶)梯和站臺是人群聚集的地方,首先需要根據(jù)每天的時鐘變化不同的燈光場景,其次根據(jù)每年的季節(jié)變化實現(xiàn)不同的色溫變化,第三,當列車到達的時候可以打開或增量離軌道較近的燈光,便于人群進出列車;(8)整個車站在周末或節(jié)日還可以體現(xiàn)不同的場景。(9)燈光效果的控制實現(xiàn)全部自動化操作;(10)每個車站的節(jié)能控制系統(tǒng)可以對整個車站的全部燈光進行圖形化監(jiān)控; (11)傳統(tǒng)的照明無法實現(xiàn)或難以實現(xiàn)上述功能需求,智能照明管理系統(tǒng)通過對調(diào)光模塊和開關(guān)模塊的控制設置,在面板的場景功能及對單回路的控制非常容易的實現(xiàn)這些功能需求。

［1］綜合能耗計算通則.GB/T2589—2008.

［2］企業(yè)能源審計技術(shù)通則.GB/T17166—1997.

［3］節(jié)能監(jiān)測技術(shù)通則.GB/T15316-2009.