陳班賢

摘 要：提高電能的使用效率、降低能耗是當(dāng)前地鐵運(yùn)營實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求。根據(jù)城市軌道交通機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)及其能耗現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于TransActive軟件平臺的地鐵車站綜合電能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，把系統(tǒng)設(shè)備模塊化、軟件組件化，并將它們靈活拼接起來，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、開放性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)在廣州地鐵三元里車站被成功應(yīng)用，為舊線的節(jié)能改造和新線的節(jié)能建設(shè)提供了必要的參考。

關(guān)鍵詞：軌道交通；TransActive軟件平臺；電能管理系統(tǒng)；模塊化

中圖分類號：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）24-0010-03

城市軌道交通以速度快、運(yùn)量大、準(zhǔn)時、污染小、能有效緩解路面交通壓力等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各大城市中，而廣州也進(jìn)入了新一輪的建設(shè)高峰期。截至目前，全面開工的地鐵線共有11條，長達(dá)262 km.

城市軌道交通與其他交通運(yùn)輸方式相比，具有較高的能效。在同等運(yùn)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(yùn)輸總量大、地鐵車站數(shù)量多等特點(diǎn)，所以，其總能耗量也是非常大的，是城市用電大戶，僅電費(fèi)一項(xiàng)就占運(yùn)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、提升設(shè)備和照明設(shè)備上，分別約占用電總負(fù)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(jī)電系統(tǒng)設(shè)備占用了1/2以上的用電負(fù)荷，達(dá)到了55%，因此，很有必要研制1套電能管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對地鐵車站機(jī)電設(shè)備的節(jié)能控制。

1 地鐵車站機(jī)電設(shè)備能耗特點(diǎn)

地鐵車站機(jī)電設(shè)備主要是由照明設(shè)備、電扶梯設(shè)備和環(huán)境控制設(shè)備（通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備和弱電系統(tǒng)等）組成的。其中，電扶梯設(shè)備、照明設(shè)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(shè)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(fēng)空調(diào)設(shè)備是主要的用電設(shè)備，占車站機(jī)電設(shè)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)通常是由通風(fēng)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(shè)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(fù)荷主要受客流負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷和傳熱負(fù)荷的影響，各負(fù)荷能耗比例如圖2所示。在車站正常運(yùn)營時，設(shè)備運(yùn)行狀況和區(qū)間隧道溫度都比較穩(wěn)定，因此，設(shè)備負(fù)荷和傳熱負(fù)荷也較為穩(wěn)定。但是，客流負(fù)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(fēng)負(fù)荷受室外空氣焓值的影響較大；在最熱月，新風(fēng)負(fù)荷波動不大，但到換季時，室外空氣焓值較低，其負(fù)荷下降較為明顯。因此，如何動態(tài)匹配客流負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷的變化是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shù)，采用了模塊化結(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)了靈活拼接和調(diào)用，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、開放性和穩(wěn)定性。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)主要是由系統(tǒng)服務(wù)器、管理工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、打印機(jī)和存儲設(shè)備等硬件設(shè)備組成的。其中，系統(tǒng)服務(wù)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(luò)設(shè)備主要是指網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；存儲設(shè)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(luò)交換機(jī)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(shí)現(xiàn)交互數(shù)據(jù)的分析和管理，如圖3所示。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(gòu)成的，如圖4所示。

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(jī)電系統(tǒng)相關(guān)的能耗數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，并發(fā)送相關(guān)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(jì)算收集到的原始數(shù)據(jù)，并優(yōu)化、調(diào)整相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

2.2.3 管理層

管理層主要用于統(tǒng)計(jì)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(chǔ)管理功能，即事件日志、報表打印、報警提醒和相關(guān)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)等。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

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(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要具備接口通信、系統(tǒng)實(shí)時能耗統(tǒng)計(jì)、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(jié)合地鐵車站機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文采用了當(dāng)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(shè)備之間使用不同總線或網(wǎng)絡(luò)鏈接的客戶端/服務(wù)器實(shí)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(biāo)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(biāo)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(diǎn)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(shí)時能耗統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)時能耗統(tǒng)計(jì)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(jì)等4個功能。其中，能耗數(shù)據(jù)匯總用于匯總截至當(dāng)前整個車站機(jī)電系統(tǒng)、照明設(shè)備、扶梯設(shè)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(shè)備當(dāng)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(shè)備的能耗情況和設(shè)備能耗排名統(tǒng)計(jì)，以便工作人員全面掌握車站機(jī)電系統(tǒng)各設(shè)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(shè)備能效分析、設(shè)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(shè)備能效情況，并報警提醒能耗異常的設(shè)備，同時，還提供了相關(guān)的能耗分析報告。圖7顯示了三元里車站冷卻塔1和冷水機(jī)組1在2014-10-08當(dāng)天的有功電度與CO2濃度、人流密度、溫度的變化曲線圖。從圖中可以看出，人流密度和溫度越大，其有功電度就越大。由此可知，這兩個設(shè)備的能效是比較高的。

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(fēng)機(jī)、空調(diào)、水泵等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而避免能源浪費(fèi)，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(shí)現(xiàn)電能管理

目前，在城市軌道交通設(shè)計(jì)中，電能管理大多是以單一系統(tǒng)或設(shè)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(jié)合地鐵運(yùn)營規(guī)模和實(shí)際工程的特點(diǎn)，從系統(tǒng)層面上，跨越多個專業(yè)實(shí)現(xiàn)地鐵車站的電能管理，將系統(tǒng)設(shè)備的能耗統(tǒng)計(jì)、分析和管理結(jié)合起來，解決了單一專業(yè)或設(shè)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(shè)備能耗發(fā)生異常，只有當(dāng)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(shè)備，通過分析設(shè)備的日能耗差異和月能耗差異，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的異常報警提醒，有助于工作人員快速找出異常設(shè)備，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了電能消耗。

4.3 實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整

本文解決了能耗統(tǒng)計(jì)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(shí)時數(shù)據(jù)作為控制參數(shù)，動態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組、水泵等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)；通過能效曲線可以直觀、有效地判定系統(tǒng)或設(shè)備的電能消耗是否合理。

5 結(jié)束語

根據(jù)地鐵車站的系統(tǒng)組成和能耗特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(shù)，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(shí)現(xiàn)了對地鐵車站的電能管理。

參考文獻(xiàn)

[1]劉海東，蘇梅，彭宏勤.城市軌道交通列車制動問題研究[M].北京：交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2011.

[2]胡鵬.城市軌道交通列車運(yùn)行能耗優(yōu)化及仿真[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[3]楊雪峰.城市軌道交通列車節(jié)能運(yùn)行模式的研究[J].城市軌道交通研究，2010（8）：68-72.

[4]丁大勇，許玲，朱培根.地鐵運(yùn)行初期通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬與分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008，27（2）：69-72.

[5]雷波.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[6]袁鳳東.智能化地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

〔編輯：白潔〕

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(shè)備的能耗情況和設(shè)備能耗排名統(tǒng)計(jì)，以便工作人員全面掌握車站機(jī)電系統(tǒng)各設(shè)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(shè)備能效分析、設(shè)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(shè)備能效情況，并報警提醒能耗異常的設(shè)備，同時，還提供了相關(guān)的能耗分析報告。圖7顯示了三元里車站冷卻塔1和冷水機(jī)組1在2014-10-08當(dāng)天的有功電度與CO2濃度、人流密度、溫度的變化曲線圖。從圖中可以看出，人流密度和溫度越大，其有功電度就越大。由此可知，這兩個設(shè)備的能效是比較高的。

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(fēng)機(jī)、空調(diào)、水泵等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而避免能源浪費(fèi)，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(shí)現(xiàn)電能管理

目前，在城市軌道交通設(shè)計(jì)中，電能管理大多是以單一系統(tǒng)或設(shè)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(jié)合地鐵運(yùn)營規(guī)模和實(shí)際工程的特點(diǎn)，從系統(tǒng)層面上，跨越多個專業(yè)實(shí)現(xiàn)地鐵車站的電能管理，將系統(tǒng)設(shè)備的能耗統(tǒng)計(jì)、分析和管理結(jié)合起來，解決了單一專業(yè)或設(shè)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(shè)備能耗發(fā)生異常，只有當(dāng)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(shè)備，通過分析設(shè)備的日能耗差異和月能耗差異，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的異常報警提醒，有助于工作人員快速找出異常設(shè)備，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了電能消耗。

4.3 實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整

本文解決了能耗統(tǒng)計(jì)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(shí)時數(shù)據(jù)作為控制參數(shù)，動態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組、水泵等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)；通過能效曲線可以直觀、有效地判定系統(tǒng)或設(shè)備的電能消耗是否合理。

5 結(jié)束語

根據(jù)地鐵車站的系統(tǒng)組成和能耗特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(shù)，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(shí)現(xiàn)了對地鐵車站的電能管理。

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[5]雷波.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[6]袁鳳東.智能化地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

〔編輯：白潔〕

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(shè)備的能耗情況和設(shè)備能耗排名統(tǒng)計(jì)，以便工作人員全面掌握車站機(jī)電系統(tǒng)各設(shè)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(shè)備能效分析、設(shè)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(shè)備能效情況，并報警提醒能耗異常的設(shè)備，同時，還提供了相關(guān)的能耗分析報告。圖7顯示了三元里車站冷卻塔1和冷水機(jī)組1在2014-10-08當(dāng)天的有功電度與CO2濃度、人流密度、溫度的變化曲線圖。從圖中可以看出，人流密度和溫度越大，其有功電度就越大。由此可知，這兩個設(shè)備的能效是比較高的。

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(fēng)機(jī)、空調(diào)、水泵等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而避免能源浪費(fèi)，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(shí)現(xiàn)電能管理

目前，在城市軌道交通設(shè)計(jì)中，電能管理大多是以單一系統(tǒng)或設(shè)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(jié)合地鐵運(yùn)營規(guī)模和實(shí)際工程的特點(diǎn)，從系統(tǒng)層面上，跨越多個專業(yè)實(shí)現(xiàn)地鐵車站的電能管理，將系統(tǒng)設(shè)備的能耗統(tǒng)計(jì)、分析和管理結(jié)合起來，解決了單一專業(yè)或設(shè)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(shè)備能耗發(fā)生異常，只有當(dāng)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(shè)備，通過分析設(shè)備的日能耗差異和月能耗差異，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的異常報警提醒，有助于工作人員快速找出異常設(shè)備，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了電能消耗。

4.3 實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整

本文解決了能耗統(tǒng)計(jì)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(shí)時數(shù)據(jù)作為控制參數(shù)，動態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組、水泵等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)；通過能效曲線可以直觀、有效地判定系統(tǒng)或設(shè)備的電能消耗是否合理。

5 結(jié)束語

根據(jù)地鐵車站的系統(tǒng)組成和能耗特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(shù)，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(shí)現(xiàn)了對地鐵車站的電能管理。

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〔編輯：白潔〕