轨道交通车站能耗采集及节能控制系统设计

广州地铁设计研究院有限公司 周 丹

轨道交通车站能耗采集及节能控制系统设计

广州地铁设计研究院有限公司 周 丹

本文通过分析轨道交通车站能耗特征，提出轨道交通主要耗能设备能耗采集方法、采集内容，并研究设备运用特性，提出一种可利用自动化技术制定能耗管控系统的技术方案。

城市轨道交通；车站能耗；节能控制

1 概论

轨道交通车站能耗采集及管控仍然处于初步阶段,采集及管理手段单一,获得信息有限,管控方式不一。通过分析轨道交通车站能耗特征,提出轨道交通能耗采集方法、采集内容,并研究设备运用特性,利用计算机技术、数据库技术、自动化技术制定能耗管控系统的技术方案。

1.1 典型地下车站通风空调系统能耗分析

在城市轨道交通各机电系统中,地下车站的通风空调系统能耗约占1/3,成为仅次于列车牵引系统的耗能大户。且通风空调系统随着客流、列车运行间隔、季节的变化,呈现较为明显的峰谷差异,故该系统具有较为可观的节能潜力。

图1 地铁各系统能耗占比

通风空调系统分为:隧道通风系统、车站通风空调系统(含消防排烟)、通风空调水系统。通风空调系统的主要设备有组合式空调器、空调柜机、各种通风机、冷机机组、水泵。而组合式空调器和空调柜机的耗能点主要在其内部的通风机,即通风空调系统的主要耗能设备为风机、冷水机组和水泵。

1.2 典型地下车站照明能耗分析

地铁车站中普遍使用的荧光灯管为360°均匀发光,除120°为直射外,其余240°均需反射后才能利用,一般反射材料的发射率仅为50%左右。

除使用高光通的优质光源外,高反射率的灯具也对减少灯具投资、电源投资有重要意义。

灯具反射器用材料大致分为产生漫/扩散反射材料和产生镜面反射材料两种:镜面反射材料的反射率要高于漫/扩散反射材料的。高纯铝板表面抛光后得到的镜面反射铝板,总反射率可达84-87%;在一般铝板上复一层涂有高反射率银的涤纶膜,反射率可达92-94%。

车站照明针对公共区、设备区、出入口的不同运营特点,设置多种照明运行模式。公共区照明可以自动或人工设置各种照明节电运行模式。

全线照明控制系统采用分回路照明控制。对于成组控制的容量较大的广告照明可用控制总回路的方式。城市轨道交通运营能耗主要分布在列车牵引用电和动力照明用电两大部分。动力照明用电主要包括通风空调、给排水、电扶梯、照明、弱电设备等。根据对北京、上海、广州等多条地铁运营线路的用电负荷的统计结果看出,耗能方式在不同线路表现相同,均以牵引用电和通风空调用电为主,两项之和约占地铁总能耗的3/4左右。耗能负荷大多在地铁载客运营期间处于运行状态,地铁停运后仅有少量负荷在继续运行。

综上,在地下车站的机电设备中,通风空调、提升设备、照明占了主要部分,应作为车站能耗监测及节能管控研究的重点。

2 能耗数据采集系统

为更好地开展能源管理工作,为轨道交通的节能减排工作提供有力的支持,必须对能耗数据采集系统进行研究,能耗数据采集系统能实现对能源分类、分项、分户计量,通过能源消耗情况、进行节能潜力分析以及效果验证,因此,能耗数据采集可以为节能减排工作提供数据支持并提出优化建议,另外通过对相关回路的电能质量数据进行采集和分析,可以为轨道交通的就地、局部无功补充及谐波质量技术方案提供基础数据及相关验证。

根据变电所综合自动化系统的架构情况,提出了两种方案,方案一是独立的网络,配置独立的网络设备,独立处理数据和网络传输,方案二是和变电所综合自动化共用网络设备,成为其中的一个子系统。以轨道交通典型的牵引降压变电所为例,列出两个方案的设备配置。

车站 方案一设备配置 方案二设备配置为4 0 . 5 k V开关柜智能电表配置1台2个串口, 1个光口串口服务器牵引降压所与4 0 . 5 k V开关柜保护测控单元配置的1台串口服务器共用为4 0 0 V开关柜配置1台8个串口, 1个光口串口服务器与4 0 0 V开关柜保护测控单元配置的1台串口服务器共用车站控制信号盘内配一台通信处理器车站控制信号盘内总控单元共用到现场通信采用专用光缆及附件 与变电所综合自动化共用到综合监控采用专用光缆、光电转换器和相关附件 与变电所综合自动化共用

变电所综合自动化侧重于对供电设备的控制、重要参数的采集,供电系统的运行依赖于变电所综合自动化的可靠行、安全性,故方案一对既有变电所综合自动化无影响,缺点是需要增加设备的投资每站约50万,增加综合监控数据处理及传输的负荷;方案二能最大的利用既有设备,但会影响变电所自动化的可靠性、安全性,但随着变电所综合自动化设备的升级、方案的完善,可以把影响降到最低;在现阶段,为了确保不影响供电系统的运行,推荐方案一。

图2 车站级能耗数据采集系统硬件构成图

3 智能化控制策略与方案研究

地铁通风空调系统是一个多设备、多系统集成的系统。各设备、各系统间互相影响、制约和藕合。如果各设备、各系统独立控制、互不兼容,各自为战的话,极易导致部分系统发生振荡,致使整个系统不能高效稳定的运行。地铁通风空调系统还具有负荷波动大、时滞性大的系统,如果整个系统不能很好的随动负荷的变化,很容易造成服务水平下降、能耗浪费等一系列不良反应。因此一个整合了各设备、各系统,能很好的匹配负荷变化,并具有一定预测功能的控制系统,对于通风空调系统的稳定高效运行,具有重要的作用。

3.1 地铁空调节能控制系统主要构成

(1)风系统控制策略(含空调器风机变频及二通阀开度控制,即风水联动控制);(2)冷冻水系统节能控制策略(冷冻水泵变频控制策略);(3)冷却水系统节能控制策略(冷冻水泵变频控制策略);(4)冷水机组群控策略;(5)动态水力平衡控制策略;⑥变流量工况下安全保护控制。

3.2 智能照明系统部分组成

(1)中央监控电脑;(2)总线耦合器(网关); (3)智能控制模块;(4)智能控制面板;(5)照度传感器。

3.3 智能照明系统的控制功能

(1)地铁站强调对客人的第一印象,要求利用明暗有序和适度的照明环境让人进入地铁站后就能感到高雅舒适的气氛;(2)地铁站的灯具数量多,品质高并十分昂贵,要求控制系统可以延长灯具寿命,降低地铁站运行费用;(3)地铁站管理要求能够对地铁站内所有公共区域的灯光实时监控并能根据环境改变当前照明状态; (4)地铁站的照明耗电约占整个能源的35%左右,要求通过控制系统能节省能源消耗;(5)地铁站的主要功能区如:出入口、站厅、楼(扶)梯和站台等需要因不同的场面而变换不同的灯光环境,营造不同的环境气氛; (6)出入口处和站厅需要根据每天的时钟变化不同的灯光场景,以适应不同照度情况下的灯光亮度需要,同时应该增加照度传感器设备,当恶劣气候来临的时候整个系统可以自动打开灯光,提供适当的照度;(7)楼(扶)梯和站台是人群聚集的地方,首先需要根据每天的时钟变化不同的灯光场景,其次根据每年的季节变化实现不同的色温变化,第三,当列车到达的时候可以打开或增量离轨道较近的灯光,便于人群进出列车;(8)整个车站在周末或节日还可以体现不同的场景。(9)灯光效果的控制实现全部自动化操作;(10)每个车站的节能控制系统可以对整个车站的全部灯光进行图形化监控; (11)传统的照明无法实现或难以实现上述功能需求,智能照明管理系统通过对调光模块和开关模块的控制设置,在面板的场景功能及对单回路的控制非常容易的实现这些功能需求。

［1］综合能耗计算通则.GB/T2589—2008.

［2］企业能源审计技术通则.GB/T17166—1997.

［3］节能监测技术通则.GB/T15316-2009.