鐵路車站能源管理系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)

張妍君，趙 耀

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 概述

國內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和資源環(huán)境壓力增加，節(jié)能減排的要求日益提高。鐵路車站面積增長、功能越來越復(fù)雜、室內(nèi)環(huán)境要求提升，車站耗能量日益增加，面臨著較大的節(jié)能降耗壓力。目前常規(guī)的規(guī)劃設(shè)計(jì)大多無能源管理相關(guān)功能或僅停留在能耗監(jiān)測層面，不能有效提升車站用能效率，節(jié)能減排工作較難推進(jìn)[1-3]。

近年來的新建鐵路車站通常設(shè)置多個(gè)與能源管理或設(shè)備控制相關(guān)的系統(tǒng)，例如大型車站通常設(shè)有能耗監(jiān)測系統(tǒng)，用于電能的分區(qū)分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)管理；一般車站設(shè)置機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS），實(shí)現(xiàn)對車站通風(fēng)空調(diào)、給排水、電梯等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控[4]；另外還設(shè)置有智能照明系統(tǒng)[5]、冷凍站集中節(jié)能控制系統(tǒng)[6]等。能源管理系統(tǒng)如何集成上述系統(tǒng)、建立統(tǒng)一的能源管理平臺(tái)、實(shí)現(xiàn)資源充分共享、建立科學(xué)的能耗分析體系和智能控制算法以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)節(jié)能，成為亟待解決的問題。

2 功能需求分析

為實(shí)現(xiàn)鐵路車站高效、智能化的能源管理目標(biāo)，對能源管理系統(tǒng)的具體要求如下。

1）采集耗能設(shè)備數(shù)據(jù)

目前能耗監(jiān)測系統(tǒng)對能耗數(shù)據(jù)的分區(qū)、分項(xiàng)計(jì)量細(xì)分度不夠，需建立更科學(xué)的能耗分析體系。能源管理系統(tǒng)需推行全面能源計(jì)量、根據(jù)節(jié)能管理需求確定能源計(jì)量深度，滿足精細(xì)化管理的要求。

2）采集環(huán)境參數(shù)

在節(jié)能的同時(shí)需考慮對環(huán)境舒適度的影響，為此需設(shè)置車站環(huán)境的檢測手段，為節(jié)能控制提供依據(jù)。主要包括利用各類傳感器對光照度、溫濕度、PM2.5 濃度、CO2濃度、CO 濃度等各類環(huán)境信息進(jìn)行采集。

3）統(tǒng)一管理平臺(tái)

通過將收集到的計(jì)量數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)納入統(tǒng)一管理平臺(tái)，建立設(shè)備間邏輯關(guān)系，具備統(tǒng)一節(jié)能管控、統(tǒng)一呈現(xiàn)數(shù)據(jù)能力。

4）智能的節(jié)能算法

通過采用智能算法對設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、分析，給出機(jī)電設(shè)備的節(jié)能控制決策。

5）多種控制方式

在具備條件的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)控制相關(guān)的機(jī)電設(shè)備按照節(jié)能方式運(yùn)行；不具備條件的情況下，系統(tǒng)為節(jié)能管理人員提供機(jī)電設(shè)備運(yùn)行模式，人工對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)整。

3 能耗指標(biāo)與計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 能耗模型與指標(biāo)設(shè)計(jì)

3.1.1 能耗模型設(shè)計(jì)

根據(jù)管理需要，建立客站統(tǒng)一的能耗模型，通過網(wǎng)絡(luò)接口采集各項(xiàng)目能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能，進(jìn)行各項(xiàng)目能耗、能效數(shù)據(jù)橫向比較，以實(shí)現(xiàn)對各站實(shí)際運(yùn)行能耗與能效的監(jiān)控和精益管理。

首先，需建立能耗分類模型，例如：電、水、氣、熱等分類；其次，可以對上述分類模型進(jìn)行細(xì)化，建立分項(xiàng)模型，例如對于車站而言，根據(jù)主要耗電設(shè)備類型進(jìn)行分類的模型如表1 所示。

表1 車站能耗模型Tab.1 Energy consumption model of railway station

3.1.2 能耗指標(biāo)設(shè)計(jì)

能耗KPI 指標(biāo)設(shè)置主要基于對比、分析和考核，因此可使用單位面積能耗、單位旅客人次能耗等作為KPI，通過與歷史時(shí)間對比，形成考核KPI。如表2 所示。

表2 車站能耗指標(biāo)類型Tab.2 Energy consumption index type of railway station

3.2 計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述能耗模型與指標(biāo)體系確定所需采集的耗能設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1）電能耗采樣位置

a.變電所總表、各饋線。

b.以區(qū)域劃分為準(zhǔn)，在現(xiàn)場末端配電箱按照明、冷/熱源單元、冷/熱媒輸配單元、空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備、空調(diào)機(jī)組、冷卻塔、水泵、風(fēng)機(jī)（盤管）、扶梯、直梯、客服機(jī)房、大顯示屏、通信信號機(jī)房、消防設(shè)備、辦公、公安值班、廣告用電、商鋪總配商業(yè)、充電樁等分項(xiàng)采樣。

2）水能耗采樣位置

a.水源總表。

b.以區(qū)域劃分位置和用水單位、系統(tǒng)為基準(zhǔn)，在各機(jī)房、各衛(wèi)生間、各商鋪等分支節(jié)點(diǎn)設(shè)置計(jì)量表計(jì)。

3）熱力能耗采樣位置

a.熱源總表。

b.以區(qū)域劃分位置和熱源利用單位、系統(tǒng)為基準(zhǔn)，在各機(jī)房、各分支節(jié)點(diǎn)設(shè)置計(jì)量表計(jì)。

4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)上文的功能需求分析，能源管理系統(tǒng)功能主要包括能耗數(shù)據(jù)采集、能源管理分析、自動(dòng)節(jié)能控制和設(shè)備管理功能。對應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)包括設(shè)備層、物聯(lián)網(wǎng)層、能源大數(shù)據(jù)層、人工智能層、運(yùn)營管理層和系統(tǒng)應(yīng)用層[7-8]。

設(shè)備層能源管理的基礎(chǔ)和主要對象，包括各類耗能設(shè)備、計(jì)量表計(jì)、環(huán)境監(jiān)測傳感器。

物聯(lián)網(wǎng)層負(fù)責(zé)設(shè)備層機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、計(jì)量表計(jì)參數(shù)、傳感器參數(shù)的采集，主要包括數(shù)據(jù)采集主機(jī)、設(shè)備控制柜等。

能源大數(shù)據(jù)層包括能源大數(shù)據(jù)平臺(tái)，負(fù)責(zé)將物聯(lián)網(wǎng)層采集到的數(shù)據(jù)納入管理平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一大數(shù)據(jù)分析及處理。

人工智能層進(jìn)行能源數(shù)據(jù)分析，并通過各類模型的建立和優(yōu)化算法，為節(jié)能控制操作方案。

運(yùn)營管理層將能源分析數(shù)據(jù)提供給應(yīng)用層，并利用人工智能層的相關(guān)算法，遠(yuǎn)程控制設(shè)備層的相關(guān)設(shè)備。

系統(tǒng)應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)應(yīng)用交互，比如將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過多種手段呈現(xiàn)給運(yùn)營管理人員，輔助管理者進(jìn)行決策、獲取管理命令及偏好等。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)總統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of energy management system

5 系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)

5.1 相關(guān)系統(tǒng)介紹

目前車站與能源管理相關(guān)的系統(tǒng)主要包括既有的能耗監(jiān)測系統(tǒng)、BAS 系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)以及冷凍站集控系統(tǒng)等。

5.1.1 能耗監(jiān)測系統(tǒng)

能耗監(jiān)測系統(tǒng)的功能是計(jì)量統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)監(jiān)測車站智能儀表能耗數(shù)據(jù)，通過對能耗數(shù)據(jù)的深入挖掘分析來評估各用能單位或區(qū)域的能效級別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用能問題，制定節(jié)能整改措施并通過系統(tǒng)核算節(jié)能效果和投資回報(bào)周期。

能耗監(jiān)測系統(tǒng)通過通訊管理機(jī)采集項(xiàng)目現(xiàn)場所有的多功能電力儀表、分布式多回路電力測量儀表、水表、能量表和燃?xì)獗頂?shù)據(jù)。

5.1.2 BAS系統(tǒng)

BAS 系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的系統(tǒng)架構(gòu)，BAS 系統(tǒng)的控制中心配有工作站、中心的服務(wù)器等中心設(shè)備，在各被控設(shè)備附近設(shè)置控制箱及控制器。

BAS 系統(tǒng)監(jiān)控對象主要包括建筑物內(nèi)的冷凍系統(tǒng)、空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)（新風(fēng)機(jī)及電動(dòng)風(fēng)閥、空調(diào)機(jī)、送/排風(fēng)機(jī)系統(tǒng)）、電梯系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)等；在主要功能區(qū)設(shè)置溫/濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器，實(shí)現(xiàn)濃度超標(biāo)報(bào)警，并啟動(dòng)相關(guān)的排風(fēng)設(shè)備。

5.1.3 智能照明系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)由操作站、現(xiàn)場控制器、各類傳感器、可編程現(xiàn)場控制面板、功能模塊、通信網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件等構(gòu)成。通過在總線上傳輸通信數(shù)據(jù)包，可對每一個(gè)智能照明系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立控制。

5.1.4 冷凍系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)

冷凍系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)檢測、參數(shù)與設(shè)備狀態(tài)顯示、自動(dòng)調(diào)節(jié)與節(jié)能控制、工況自動(dòng)轉(zhuǎn)換、設(shè)備聯(lián)鎖與自動(dòng)保護(hù)、能量計(jì)量以及中央監(jiān)控與管理等功能。冷凍站集控系統(tǒng)可與BAS 系統(tǒng)設(shè)通信接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與信息共享。

5.1.5 小結(jié)

上述各系統(tǒng)在能源管理方面具備一定的功能：能耗監(jiān)測系統(tǒng)對智能儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析；BAS系統(tǒng)在重點(diǎn)功能區(qū)設(shè)置有溫/濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器，并對通風(fēng)空調(diào)、給排水、電梯等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；智能照明系統(tǒng)對照明設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；冷凍站集控系統(tǒng)能夠根據(jù)自身節(jié)能策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

5.2 集成方案

5.2.1 集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要來源于能耗監(jiān)測系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)能耗指標(biāo)設(shè)計(jì)科學(xué)的計(jì)量體系，接收智能水表、智能電表等的測量數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)時(shí)監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)，利用設(shè)計(jì)好的節(jié)能策略和智能算法，通過向物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下發(fā)指令達(dá)到對暖通設(shè)備、給排水設(shè)備、智能照明設(shè)備、電梯設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸示意Fig.2 Data transmission diagram

5.2.2 集成方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述實(shí)現(xiàn)方式，需考慮對車站能耗監(jiān)測系統(tǒng)、BAS 系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、冷凍站集控系統(tǒng)的集成。具體集成方案的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 集成方案示意Fig.3 Integration scheme diagram

1）統(tǒng)一平臺(tái)

設(shè)置統(tǒng)一能源管理平臺(tái)，該平臺(tái)主要包括系統(tǒng)總體架構(gòu)中能源大數(shù)據(jù)層、人工智能層和運(yùn)營管理層的功能，主要設(shè)備由各類數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、通信服務(wù)器和操作等組成，平臺(tái)安裝主控軟件，集成系統(tǒng)全部功能選項(xiàng)。實(shí)現(xiàn)能耗查詢、用能管理、能耗分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)、指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析、用能預(yù)警/報(bào)警、節(jié)能診斷分析、節(jié)能策略分析和電能質(zhì)量分析等功能。

2）增加末端設(shè)備

能源設(shè)備層在BAS 監(jiān)控設(shè)備、能源管理層表計(jì)、BAS 環(huán)境采集傳感器的基礎(chǔ)上，根據(jù)指標(biāo)體系確定的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)和節(jié)能策略對被控設(shè)備以及設(shè)備管理功能的要求，增加對相應(yīng)設(shè)備的監(jiān)控接口、增加表計(jì)和傳感器（如圖3 所示）：一方面需補(bǔ)充對所需機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控，提升BAS 功能。另一方面在設(shè)備末端加裝智能表計(jì)，以實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)分類計(jì)量；此外還需在車站公共區(qū)域、辦公區(qū)等處增加各類傳感器，滿足環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測需求。

3）既有BAS 系統(tǒng)

車站既有BAS 系統(tǒng)集成到能源管理平臺(tái)，采集設(shè)備狀態(tài)信息，由平臺(tái)統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)管理，并根據(jù)能源管理平臺(tái)相關(guān)策略實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制機(jī)電設(shè)備。集成后，平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)全部功能，將原有BAS 的功能全部納入到上層應(yīng)用中，底層的設(shè)備和系統(tǒng)接入到物聯(lián)網(wǎng)層，上層應(yīng)用通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)完成信息采集和控制。

4）既有能耗監(jiān)測系統(tǒng)

集成到能源管理平臺(tái)，共享其采集到的數(shù)據(jù)，包括既有的多功能電力儀表、分布式多回路電力測量儀表、水表、能量表和燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)。

5）既有智能照明系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)對照明控制進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)置與控制，將其集成到能源管理平臺(tái)，由能源管理系統(tǒng)主控軟件實(shí)現(xiàn)全部照明控制功能。

6）既有冷凍站集控系統(tǒng)

冷凍站系統(tǒng)通常與BAS 設(shè)置接口，接口主要包括：冷水機(jī)組及其輔助設(shè)備聯(lián)鎖啟?？刂?、冷水機(jī)組、冷水泵等設(shè)備的運(yùn)行/停止/故障狀態(tài)、電動(dòng)閥門的配電及控制、冷水溫度、壓力、流量、冷量、冷卻水溫度等顯示、冷水機(jī)組程序啟停及運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制、冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制等。集控系統(tǒng)可通過BAS 系統(tǒng)集成到能源管理平臺(tái)上，集成后平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)上述控制功能和信息共享，平臺(tái)在既有集控系統(tǒng)節(jié)能控制策略基礎(chǔ)上，結(jié)合平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化策略，提升系統(tǒng)功能。

6 總結(jié)

對車站能源管理系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮對能耗監(jiān)測、BAS、智能照明等系統(tǒng)的集成。本文研究了能源管理系統(tǒng)的功能、能耗指標(biāo)體系和總體架構(gòu)，并根據(jù)總架構(gòu)進(jìn)行了集成方案的設(shè)計(jì)，對集成平臺(tái)功能規(guī)劃、末端計(jì)量采集系統(tǒng)設(shè)置方案以及車站現(xiàn)有相關(guān)系統(tǒng)的集成方案等內(nèi)容進(jìn)行了深入分析。本文研究內(nèi)容為后續(xù)鐵路車站能源管理系統(tǒng)的實(shí)施提供了方案支撐，具有良好的指導(dǎo)意義。