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地鐵車站綜合電能管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)論文
城市軌道交通以速度快、運量大、準時、污染小、能有效緩解路面交通壓力等優(yōu)勢，被廣泛應用于各大城市中，而廣州也進入了新一輪的建設高峰期。截至目前，全面開工的地鐵線共有 11 條，長達 262 km.
城市軌道交通與其他交通運輸方式相比，具有較高的能效。在同等運力條件下，它的能耗只有公交車的50%，小汽車的11%.然而，由于城市軌道交通具有行車密度大、運輸總量大、地鐵車站數(shù)量多等特點，所以，其總能耗量也是非常大的，是城市用電大戶，僅電費一項就占運營直接成本的 20%左右。城市軌道交通的電能消耗主要分布在列車牽引用電、車站通風空調(diào)系統(tǒng)、提升設備和照明設備上，分別約占用電總負荷的 45%，30%，12.5%和 10%，如圖 1 所示。從圖 1 中可以看出，地鐵車站的機電系統(tǒng)設備占用了 1/2 以上的用電負荷，達到了 55%，因此，很有必要研制 1 套電能管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對地鐵車站機電設備的節(jié)能控制。
1 地鐵車站機電設備能耗特點
地鐵車站機電設備主要是由照明設備、電扶梯設備和環(huán)境控制設備(通風空調(diào)設備、給排水設備和弱電系統(tǒng)等)組成的。其中，電扶梯設備、照明設備和弱電系統(tǒng)的電能消耗一直較為穩(wěn)定;在雨季時，給排水設備的電能消耗量較大，而在正常情況下，其電能消耗較少，也較為穩(wěn)定;通風空調(diào)設備是主要的用電設備，占車站機電設備總用電量的 50%以上，同時，其電能消耗的波動較大，具有較高的節(jié)能潛力。
地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)通常是由通風空調(diào)大系統(tǒng)和小系統(tǒng)組成，大系統(tǒng)、小系統(tǒng)的能耗比例約為 7∶3. 其中，小系統(tǒng)用于設備用房的溫濕度調(diào)節(jié)，電能消耗較為穩(wěn)定;大系統(tǒng)用于公共區(qū)域的溫濕度調(diào)節(jié)，為乘客提供舒適的乘車環(huán)境。大系統(tǒng)負荷主要受客流負荷、新風負荷、設備負荷和傳熱負荷的影響，各負荷能耗比例如圖 2 所示。在車站正常運營時，設備運行狀況和區(qū)間隧道溫度都比較穩(wěn)定，因此，設備負荷和傳熱負荷也較為穩(wěn)定。但是，客流負荷具有明顯的時段性——在早晚高峰時段高，其余時段較低，新風負荷受室外空氣焓值的影響較大;在最熱月，新風負荷波動不大，但到換季時，室外空氣焓值較低，其負荷下降較為明顯。因此，如何動態(tài)匹配客流負荷和新風負荷的變化是通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關鍵。
2 系統(tǒng)結構設計
該系統(tǒng)使用了新科電子自主研究的 TransActive 軟件平臺。該平臺使用了 C++軟件技術，采用了模塊化結構，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，把系統(tǒng)各功能模塊化、軟件組件化，從而實現(xiàn)了靈活拼接和調(diào)用，具有很強的適應性、開放性和穩(wěn)定性。
2.1 硬件結構設計
此系統(tǒng)主要是由系統(tǒng)服務器、管理工作站、網(wǎng)絡設備、打印機和存儲設備等硬件設備組成的。其中，系統(tǒng)服務器用于數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理;管理工作站為系統(tǒng)管理人員提供便捷、人性化的控制環(huán)境;網(wǎng)絡設備主要是指網(wǎng)絡交換機;存儲設備主要是指磁盤陣列，用于存儲系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)。
綜合電能管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡交換機和局域網(wǎng)與節(jié)能控制系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)等外部接口系統(tǒng)實現(xiàn)交互數(shù)據(jù)的分析和管理。
2.2 軟件結構設計
電能管理系統(tǒng)主要是由物理接口層、數(shù)據(jù)處理層和管理層構成的
2.2.1 物理接口層
物理接口層包括能源管理系統(tǒng)、節(jié)能管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)和自動售檢票系統(tǒng)等 4 個接口模塊。它主要用于收集與地鐵車站機電系統(tǒng)相關的能耗數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，并發(fā)送相關控制信息。
2.2.2 數(shù)據(jù)處理層
數(shù)據(jù)處理層主要用于分析和計算收集到的原始數(shù)據(jù)，并優(yōu)化、調(diào)整相關設備的運行參數(shù)。
2.2.3 管理層
管理層主要用于統(tǒng)計和分析采集到的能耗數(shù)據(jù)，并按照要求形成圖形曲線和報表。同時，它還為系統(tǒng)提供基礎管理功能，即事件日志、報表打印、報警提醒和相關應用統(tǒng)計等。
3 系統(tǒng)功能設計
為了盡可能地滿足系統(tǒng)管理人員對地鐵車站電能的管理需求，本著操作簡單、顯示簡潔、功能齊全等原則進行系統(tǒng)功能設計。系統(tǒng)主要具備接口通信、系統(tǒng)實時能耗統(tǒng)計、系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)能效分析、系統(tǒng)決策和環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)視等 6 大功能。
3.1 接口通信功能
結合地鐵車站機電系統(tǒng)的特點，本文采用了當前較為流行、成熟的 Modbus Tcp 通訊協(xié)議。該協(xié)議位于 OSI 模型的第七層，主要為設備之間使用不同總線或網(wǎng)絡鏈接的客戶端/服務器實現(xiàn)信息交互。Modbus Tcp 數(shù)據(jù)幀是由 MBAP 報文頭、功能代碼和數(shù)據(jù) 3 部分組成的，如圖 5 所示。通過單元標識符區(qū)分外部接口系統(tǒng)報文。其中，節(jié)能管理系統(tǒng)單元標識符為 0x81，能源管理系統(tǒng)為 0x21，綜合監(jiān)控系統(tǒng)為 0x64，自動售檢票系統(tǒng)為0x42，通過不同的數(shù)據(jù)點地址分配獲取電流、電壓、有功功率和溫度等信息。
3.2 系統(tǒng)實時能耗統(tǒng)計
系統(tǒng)實時能耗統(tǒng)計主要包括能耗數(shù)據(jù)匯總、照明電能數(shù)據(jù)、扶梯電能數(shù)據(jù)和環(huán)控電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計等 4 個功能。其中，能耗數(shù)據(jù)匯總用于匯總截至當前整個車站機電系統(tǒng)、照明設備、扶梯設備和環(huán)境控制系統(tǒng)的總用電量。圖 6 給出了三元里車站在2014-10-08 的能耗數(shù)據(jù)匯總。照明電能數(shù)據(jù)、扶梯電能數(shù)據(jù)和環(huán)控電能數(shù)據(jù)主要用于查詢具體設備當前的電流、電壓、功率和功率因數(shù)曲線。
3.3 系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)查詢
系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)查詢主要用于查詢地鐵車站的日電耗匯總、月電耗匯總、日能耗差異和月能耗差異，同時，也可以查詢具體某一設備的能耗情況和設備能耗排名統(tǒng)計，以便工作人員全面掌握車站機電系統(tǒng)各設備的用電情況。
3.4 系統(tǒng)能效分析
系統(tǒng)能效分析是系統(tǒng)的核心功能，主要包括車站整體能效分析、設備能效分析、設備能耗異常報警和能耗分析報告等 4個功能。通過車站內(nèi)部 CO2濃度、人流密度、溫度變化、有功電度的變化曲線間接反映車站的整體能效和設備能效情況，并報警提醒能耗異常的設備，同時，還提供了相關的能耗分析報告。
3.5 系統(tǒng)決策
本文使用反饋調(diào)整法，即根據(jù)現(xiàn)場反饋的 CO2濃度、客流密度、溫度等信息，優(yōu)化、調(diào)整車站風機、空調(diào)、水泵等設備的運行參數(shù)進行調(diào)整，從而避免能源浪費，提高電能效率。3.6 環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)視環(huán)境數(shù)據(jù)主要是指溫度、濕度、CO2濃度和客流密度等信息。環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)視有利于系統(tǒng)工作人員快速查看系統(tǒng)優(yōu)化、調(diào)整后環(huán)境數(shù)據(jù)的變化情況。
4 系統(tǒng)主要特色
4.1 跨多專業(yè)實現(xiàn)電能管理
目前，在城市軌道交通設計中，電能管理大多是以單一系統(tǒng)或設備為研究對象的，很難滿足城市軌道交通的節(jié)能減排需要。本文結合地鐵運營規(guī)模和實際工程的特點，從系統(tǒng)層面上，跨越多個專業(yè)實現(xiàn)地鐵車站的電能管理，將系統(tǒng)設備的能耗統(tǒng)計、分析和管理結合起來，解決了單一專業(yè)或設備節(jié)能措施片面性的問題。
4.2 能耗異常報警
過去，如果設備能耗發(fā)生異常，只有當其壞了或者故障報警時才能被人發(fā)現(xiàn)。為了盡早發(fā)現(xiàn)異常設備，通過分析設備的日能耗差異和月能耗差異，實現(xiàn)了設備的異常報警提醒，有助于工作人員快速找出異常設備，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了電能消耗。
4.3 實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整
本文解決了能耗統(tǒng)計分析與電能管理脫節(jié)的問題。通過反饋調(diào)整法，將環(huán)境的實時數(shù)據(jù)作為控制參數(shù)，動態(tài)調(diào)整風機、冷水機組、水泵等設備的運行參數(shù);通過能效曲線可以直觀、有效地判定系統(tǒng)或設備的電能消耗是否合理。
5 結束語
根據(jù)地鐵車站的系統(tǒng)組成和能耗特點，設計了 1 套電能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的節(jié)能控制技術，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，跨越多個專業(yè)，把環(huán)境數(shù)據(jù)與節(jié)能控制緊密聯(lián)系在一起，直觀、有效、便捷地實現(xiàn)了對地鐵車站的電能管理。
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