地铁能源管理系统设计.pdf

电力系统10丨电力系统装备 2023.6Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment将绿色节能理念贯穿于地铁规划、工程实施和运营管理的全过程，推进地铁交通能源管理系统的智慧化建设。构建地铁企业线网级智能能源管理平台，以数据融合为基础，实现能耗和排放数据的自动计量采集、超标准用能及排放的设备设施的自动预警，研究能耗-客流的耦合关系，建立能源系统动态管理模型，建立运营综合场景的能耗关联指标体系，提升地铁交通能耗计量和结合相关运营数据进行优化控制的能源管理能力，提升地铁能源管理智能决策水平。1 地铁能源消耗指标评价体系1.1 地铁站能耗指标地铁站的电能消耗主要包含电梯系统、照明系统、给排水系统、空调系统、制冷系统、排热风机以及其他系统。为了进行能耗统计，需要对地铁站的电耗、水耗进行详细的计量统计。其中，照明电耗为了区分办公区域和公共区域，需要单独进行计量；空调系统电耗首先需要按大小系统分别统计，其次对于公共区域和办公区域的空调系统电耗需要通过面积、温度反馈值、末端装置的设置值进行分析折算；其他系统的电耗可以按实际情况计量；用水量分为空调系统用水以及日常用水（包含公用区域卫生间、办公区域用水）。地铁站内的能耗指标主要包含人均能耗以及单位面积能耗，因此除了需要对上述的能耗进行计量，还需要统计地铁站的客流量信息。主要的能耗指标包括：地铁站照明电耗指标（kWh/m2）=地铁站照明电耗/地铁站面积，电梯能耗指标（kWh/人）=地铁站电梯电耗/地铁站人流量，空调能耗指标 EER=制冷量/制冷功率，冷冻水泵能耗指标（输送系数）=冷冻水泵输送冷量/冷冻泵电耗。隧道通风能耗指标主要包含隧道排风机、排热风机等设备的能耗。由于隧道风机和排热风机的运行主要根据隧道内的温度、CO2情况，因此指标为人均通风能耗、车均通风能耗。用水指标主要包含生活用水以及空调用水。生活用水指标分为公共区域人均用水、办公区域人均用水；空调系统用水指标分为：大系统单位面积用水、小系统单位面积用水、大系统人均用水。车站除了分项指标外，还包含总指标：人均耗电、人均用水、单位面积耗电、单位面积用水。1.2 列车能耗指标列车运行中主要消耗电能，消耗的电能一部分用于机车牵引，一部分用于车内照明以及车内空调。列车能耗指标主要为列车人均电耗、单位里程电耗、单位人公里能耗。1.3 综合基地能耗指标综合基地主要是作为城市轨道交通配套系统，主要包括车辆段、综合维修中心、物资总库和培训中心四大基本部分，并辅以必要的办公、生活设施。国内有些地摘 要城市地铁是大容量的公共交通基础设施，是城市引导承载低碳出行的骨干交通方式。地铁站作为大空间、人员密集场所，在能源匹配、能源合理使用过程中面临诸多挑战。文章设计立足轨道交通能源管理需求，建立地铁能耗评价体系，对地铁能源使用进行系统的管理和优化，同时提供对地铁空调系统的优化控制。在满足舒适度的前提下，实现地铁能源管理的安全、舒适、节能、高效。关键词能耗指标；负荷预测；模型；优化控制中图分类号U231 文献标志码A 文章编号1001523X（2023）06001003Design of Subway Energy Management SystemMOU LeiAbstractUrban subway is a large-capacity public transportation infrastructure and a backbone transportation mode for the city to guide and carry low-carbon travel.As a large space and densely populated place,subway stations face many challenges in the process of energy matching and rational use.Based on the energy management requirements of rail transit,the paper establishes a subway energy consumption evaluation system,manages and optimizes the subway energy use,and provides optimal control of the subway air conditioning system.On the premise of meeting the comfort level,the safety,comfort,energy saving and high efficiency of subway energy management are realized.Keywordsenergy consumption indicators;load forecasting;model;optimize control地铁能源管理系统设计牟磊（雷沃重工集团有限公司，山东青岛266500）电力系统2023.6 电力系统装备丨11Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment铁城市，还将行车调度指挥中心、地铁公安分局或运营公司部分职能处室整合在车辆基地内。因此综合基地的能耗主要包含生产、生活用电，生产用油、气，生产生活用水等，主要能耗统计值如下：照明电耗、空调电耗、生产设备电耗、生产水耗、办公水耗、油耗、气耗。综合基地主要能耗指标如下：单位面积照明电耗、单位面积空调电耗、生产设备单台电耗、单台水耗、单位面积办公水耗、单位里程油耗、单位里程气耗。1.4 能耗指标应用能耗指标体系主要用于通过横向、纵向对比，发现节能点，为地铁站、列车节能提供依据，同时能够依据指标进行能源平衡分析，查找泄漏点。通过指标的趋势分析，也能够对未来能耗进行预测。进行地铁站间能耗指标的对比分析，首先要对地铁站进行分类，地铁站一般分为：地下站、地上站、换乘站等；对于同类型的地铁站，对比应使用单位能耗指标，由总到分，逐级对比。能源消耗平衡分析：主要指各种能源，总的计量与各分项计量应该一致，出现偏差则说明有损耗点或者泄露、偷窃发生。能源消耗趋势分析：通过时间序列模型对能耗指标进行分析，可以对将来长期的能耗趋势进行预测，有利于地铁运营管理。2 设备能耗异常预警根据历史数据建立设备不同工况下的能耗模型，运行时根据模型通过现场的输入信号计算得到应达能耗值，当应达值与实际能耗值偏差大时，发出报警信号。车站生活用水与客流量强相关，当客流量变化不大但洗手间用水量激增或者夜间用水量发生突变，则报警。车站电梯用电与客流量成线性关系，通过回归分析其相关系数 R2低于临界值时，则报警。空调系统电耗异常预警，预测空调系统在当前环境及客流下的能耗值，当实际能耗值与预测值偏差过大，则报警。制冷机组异常预警对空调系统制冷机组的的能耗根据系统的输入输出参数进行实时预测，当能耗偏差过大进行报警。3 空调系统优化3.1 地铁站内冷负荷预测地铁站内负荷预测主要包含如下步骤：（1）结合历史人流量，室外气象参数，设备散热等预计地铁站内的负荷。根据运营经验识别出地铁负荷和人流量变化规律强相关，根据地铁历史数据，可以获得不同时期不同时段的站厅，站台客流量，再根据每位乘客在站厅，站厅的停留时间，得出该时段下的空调计算人数，根据单位时间每人的散热量最后可以计算出此时总的人员散热量。地铁设备散热量固定设备，其负荷可以作为固定负荷看待。负荷预测的具体精度视历史数据的准确度、完整度和数据量而定。（2）确定送风状态点后，由站内负荷和站内空气需求参数可以确定送风量。（3）根据新风取值原则确定新风量，结合室外参数和送风状态点可得新风负荷。（4）根据新风负荷和地铁站内负荷，可以得出空调系统所需承担的总负荷。3.2 建立空调系统能耗优化模型模型建立的主要步骤如下。（1）结合中央空调系统原理和热力学知识，分别建立冷水机组，空调箱，冷却塔，输送设备各部件的能耗模型，结合空调系统各部件运行之间的关系，使各部件模型有机结合成完整的中央空调系统能耗模型。其中压缩机模型采用稳态效率法建模，蒸发器和冷凝器采用集中参数法建模。水泵和风机的能耗模型近似为流量的三次函数。基于实际数据，采用机理与辨识相结合的回归分析方法，对能耗模型进行参数辨识，获得中央空调系统能耗模型并验证。（2）利用软件分别编制各部件的能耗仿真程序，按照中央空调系统运行物理过程相一致的连接方式构成整个中央空调系统能耗仿真模型。（3）在优化系统各设备能耗的基础上，以系统满足冷负荷的条件下全局能耗最低为优化目标，各控制变量的变化范围和各主要设备的换热过程为约束条件，采用遍历寻优算法对中央空调系统能耗进行模拟计算。以各部件运行参数（冷冻水供水温度、冷却水供水温度、空调机组风量、水泵流量等）为优化控制的独立变量，运用空调系统能耗优化模型模拟得出系统各运行参数最 优值。空调系统的主要耗能设备为水泵，风机，压缩机。根据设备说明书及经验建立粗略模型。压缩机能耗模型，风机和水泵的能耗模型近似为流量的三次函数，其中模型系数需要根据现场运行数据进行辨识并修正。冷却塔换热模型：，空调箱换热模型：，其中模型系数需要根电力系统12丨电力系统装备 2023.6Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment据现场运行数据进行辨识并修正。结合能耗模型和换热模型能够实现整体的空调系统优化和仿真的模型。3.3 基于能耗优化模型的空调系统节能策略（1）根据负荷预测模型所得的总负荷，结合能耗优化模型计算出系统各设备运行时的最优参数，作为空调系统运行的初始设定值，将系统运行初始设定值传递给地铁能源管理系统。（2）当站内负荷发生变化时，定时检测回风温度数据（以站内负荷增大为例，可检测到回风温度高于站内设定值，在送风温度给定的条件下，欲使站内温度回到设定值，则需增加送风量）。通过算法结合该时间反馈数据和回风温度设定得出负荷变化值，并计算出适应当前负荷变化的总送风量，新风量和回/排风量。同时检测站厅、站台回风温度数据，通过算法结合检测数据和站厅，站台温度设定值计算站厅、站台各自所需送风量。最后将适应负荷变化的总送风量，新风量，回/排风量和站厅、站台送风量等各风量参数传递给地铁能源管理系统。（3）当送风系统响应负荷变化后（送风量的增加会导致空调箱送风温度高于设定值），此时检测送风温度数据，检测到送风温度高于设定值后，通过算法结合检测数据和送风温度设定计算出此时冷机侧需供给的冷负荷。建立的能耗优化模型能够针对全天负荷变化给出不同的最优冷冻水供水温度。但冷机具有变负荷自调节能力，是否调节供水温度视具体冷水机组设备而定。在定冷冻水供水温度的情况下，将冷负荷等参数传递给能耗优化模型，根据能耗优化模型计算出最优的冷冻水供/回水温度，流量和冷却塔侧冷却水出水温度，流量和风机风量（冷机结合冷冻水供水温度自适应自调节冷量供给）。最后将各最优参数传递给地铁能源管理系统。节能优化流程如图1所示。图1 节能优化流程3.4 空调运行模式优化控制方案根据地铁站运行夜间时间表判断是否开启大系统空调机组，再根据时间表判断是否为开空调季节，然后根据站内外空气状态参数判断空调系统运行模式，进行模式的自动切换。4 系统数据需求4.1 实时数据需求范围为了完成能效计算、能耗预测、能耗异常诊断、空调系统优化，需要获取大量的现场运行数据，现在归纳如下。主要包含电、水相关的设备和数据，如果含有供气，则耗气相关数据也需要提供。同时需注意以下几点：相同的多个设备仅列出一个，实际工程中需要全部提供；空调机组类型多样，实际的测点需要根据现场配置情况确定；对于后续的实际工程，需要根据现场测电，重新梳理测点表。4.2 数据需求类别数据需求类别分为：环境数据。环境温度、环境湿度、客流量、建筑面积。照明数据。公共照明&插座1N、办公照明&插座1N、应急照明1N、景观照明。电梯数据。客梯1N、货梯1N、杂物梯1N、食品梯1N。水泵数据。二次加压泵、给水泵、排水泵、废水泵、潜污泵。空调水系统数据。制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔。空调风系统数据。组合式空调机组、热回收新风机组、AHU 机组。水系统数据。公共区域用水、办公区域用水、空调系统补水、消防用水。排热风机数据。消防风机、屋顶新风机、隧道风机。5 结束语综上所述，随着我国轨道交通的迅速发展，地铁能源使用过程中的节能降耗需求日益迫切。地铁能源管理系统基于时间、空间、分类、分项的能源计量，可直观详实地展示出地铁能源使用情况，并提供相应的能耗分析、能效分析，从专业角度协助运营方挖掘节能降耗机会，及时发现和解决能源使用过程中存在的不足和问题。同时能源管理系统具备与其他系统互联互通的能力，结合天气情况、客流、设备状态等相关信息，利用人工神经网络、数字孪生、AI 等先进技术，实现能耗预测、供需匹配和用能系统的优化控制。通过地铁能源管理系统的设计，科技创新赋能企业管理，将持续推进国内轨道交通行业的绿色减排工作。参考文献1 余志强.轨道交通列车节能运行组织措施 J.科技创新与应用，2021，11（15）：141-143.2 张升学.轨道交通地铁站动力与照明供电技术 J.绿色环保建材，2021（5）：171-172.3 王金永.城市轨道交通供电系统及电力技术探析 J.中国设备工程，2021（10）：186-187.4 刘成刚.城市轨道交通供电系统及电力技术分析 J.智能城市，2021，7（8）：64-65.