李 曄 張凌云 劉國桐 王 忻 吉祥雨

(鐵科院(北京)工程咨詢有限公司, 100081, 北京∥第一作者, 助理研究員)

城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)的飛速發(fā)展伴隨著對能源管理要求的日益提高?！丁笆奈濉爆F(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》提出,至2025年,交通運輸行業(yè)單位運輸周轉量二氧化碳排放強度較2020年下降5%[1]。《中國城市軌道交通綠色城軌發(fā)展行動方案》提出發(fā)展綠色城軌,2030年前實現(xiàn)碳達峰,2060年前實現(xiàn)碳中和的目標?！吨袊鞘熊壍澜煌ㄖ悄艹擒壈l(fā)展綱要》提出智慧城軌的發(fā)展需要與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及區(qū)塊鏈等計算機技術深度融合,建立智能能源系統(tǒng),至2025年運營能耗下降指標率達到15%的目標[2]。

城軌行業(yè)的飛速發(fā)展導致運營能耗的增加不容忽視,同時新能源、儲能等新技術的井噴式發(fā)展,使得電網(wǎng)特性日趨復雜[3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器學習等計算機技術在各行業(yè)的發(fā)展應用,利用信息化手段優(yōu)化對城軌能源智能管控的方法,建立互聯(lián)網(wǎng)和能源網(wǎng)深度融合的能源互聯(lián)網(wǎng)是產業(yè)發(fā)展的大勢所趨,傳統(tǒng)的能源管理方式亟待轉變[4]。

1 城軌能源管理現(xiàn)狀及需求分析

1.1 現(xiàn)狀分析

目前,國內城軌能源管理的信息化程度不高,距離建設智能化的能源管理體系仍有很大差距,存在的具體問題如下:

1) 用能設備接入管控困難。國內城軌在時間、地域上呈現(xiàn)不平衡發(fā)展,較早建立的城軌站房與線路的絕大部分用能設備智能化水平較低,自動化節(jié)能措施不足。

2) 人工作業(yè)質量難以保證。目前仍然存在相當比例的車站與線路依賴人工抄表、人工檢修及人工記錄。人工作業(yè)的弊端較多,在抄表中容易造成錯抄、漏抄等情況;定期檢修造成問題發(fā)現(xiàn)不及時、故障原因分析效率低等;人工錄入的數(shù)據(jù)精度難以保證、數(shù)據(jù)格式不規(guī)范、信息傳遞效率較低,且在出現(xiàn)錯誤時無法有效溯源。

3) 信息壁壘難以打破。目前,一些城軌公司已建立的能源管理系統(tǒng)無法與其他信息系統(tǒng)形成有效的聯(lián)動,信息孤島現(xiàn)象仍然存在。

4) 數(shù)據(jù)資產的利用不充分。城軌行業(yè)現(xiàn)有的能源管理系統(tǒng)僅能夠實現(xiàn)遠程監(jiān)控和能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析此類較為基礎的功能,智能化管控的手段不足,對數(shù)據(jù)資產的利用不充分。

5) 能源管理系統(tǒng)定位模糊。城軌的能源消耗主要來源于電、水、氣,但在部分投入使用的能源管理系統(tǒng)中未能將水和氣納入管理范疇,導致管理對象不全面。

6) 能源管理方式落后。對于能源的管理方式較為傳統(tǒng),未形成依托信息化的能源管理制度,缺乏對新能源業(yè)務的管理經驗[5]。

1.2 需求分析

針對城軌能源管理的現(xiàn)狀,存在如下應用需求:

1) 提升設備智能化水平。為建設基于數(shù)字孿生的城軌能源管理系統(tǒng)[6],提升各類設備的智能化水平,實現(xiàn)在虛擬空間的全方位映射。

2) 推進能源全壽命周期數(shù)據(jù)貫通。推進“源-網(wǎng)-荷-儲”的能源全壽命周期數(shù)據(jù)貫通,把控整體能源流向信息。

3) 完善數(shù)據(jù)資產管理機制。隨著設備智能化程度提高,結構化與非結構化的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長趨勢,需利用大數(shù)據(jù)技術建立數(shù)據(jù)資產管理機制。

4) 擴大現(xiàn)有能源管理范圍。將除電能以外的其余能源納入管理范圍,擴大能源管理范圍。

5) 研發(fā)自動節(jié)能控能技術。研發(fā)節(jié)能算法,利用已有數(shù)據(jù)訓練模型,實現(xiàn)節(jié)能決策智能下發(fā)并對關鍵能耗設備的自動控制。

6) 建立數(shù)字能源管理體系。改變現(xiàn)有的能源管理方式,建立以信息化手段為基礎的數(shù)字能源管理體系。

2 城軌能源管理系統(tǒng)的總體設計

城軌能源管理系統(tǒng)圍繞“源-網(wǎng)-荷-儲”的能源流設計[7],以能量流和信息流為主線,實時監(jiān)控能源全壽命周期流向中的各個關鍵節(jié)點數(shù)據(jù),協(xié)調調配能源的分配與使用,以達到精準化控制、精細化管理及常態(tài)化節(jié)能的目的[8]。

2.1 總體目標

城軌能源管理系統(tǒng)基于對其能源管理現(xiàn)狀的深度分析及具體需求,提出以下3個總體目標:

1) 擴大能源數(shù)據(jù)資產管理范圍。在城軌站房及沿線增加分布式光伏組件、逆變器、雙向電表、充電樁等智能設備,將新能源設備及下一年度充電設備納入城軌能源使用范圍以內;對既有老舊電氣設備進行更新,利用物聯(lián)網(wǎng)技術監(jiān)控關鍵運行數(shù)據(jù)。

2) 完善智能節(jié)能算法。在形成對能源數(shù)據(jù)資產的治理機制后,利用海量數(shù)據(jù)不斷訓練優(yōu)化各類分析、預測及控制模型,實現(xiàn)以先進的計算機技術對能源的精準調配,最大限度地達到節(jié)能降耗的目的。

3) 構建數(shù)字能源管理體系。新能源在城軌上的應用及管理仍處于初級階段,還未形成有效的管理模式。項目深層次目標在于依托信息化平臺,結合目前的業(yè)務需求和功能需求,建立設備資產臺賬,構建數(shù)字化新能源設備運維管理體系;深挖新能源管理業(yè)務(包括合同能源管理業(yè)務、財務業(yè)務及碳交易業(yè)務等),形成完善的能源管理體系。

2.2 總體架構

城軌能源管理系統(tǒng)的總體架構突出了海量能源數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、調度等能力,自下而上劃分為數(shù)據(jù)感知層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)分析層、應用層及表示層[9-11]。城軌能源管理系統(tǒng)的總體架構如圖1所示。

注:GIS為地理信息系統(tǒng);BIM為建筑信息模型;CIM為城市信息模型;4G為第4代移動通信技術;5G為第5代移動通信技術;LTE為長期演進;GSM為全球移動通信標準。

1) 數(shù)據(jù)感知層。對老舊電氣設備進行更換或改造,利用物聯(lián)網(wǎng)技術采集能源流向節(jié)點中的關鍵數(shù)據(jù),為城軌能源管理系統(tǒng)模型的建立提供數(shù)據(jù)基礎。

2) 網(wǎng)絡傳輸層。在原有通信方式上增加5G傳輸方式,保證設備、服務器與系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和即時性。

3) 數(shù)據(jù)存儲層。利用大數(shù)據(jù)技術深度挖掘能源管理業(yè)務的相關數(shù)據(jù),對不同類型結構型數(shù)據(jù)進行分析和存儲,并建立合理的數(shù)據(jù)管理機制。

4) 數(shù)據(jù)處理層。利用數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘等技術對數(shù)據(jù)進行初步處理。

5) 數(shù)據(jù)分析層。建立不同能源管理場景下的算法模型,進一步挖掘數(shù)據(jù)的潛在價值。

6) 應用層。加強城軌能源設備的運用、維護、檢修等業(yè)務,以及能源管理中的能源調配、財務管理、合同能源管理等業(yè)務的智能化建設。

7) 展示層。利用折線圖、柱狀圖及餅圖等進行不同維度的統(tǒng)計分析,利用GIS、BIM對線路與建筑進行可視化建模,把握能源在各關鍵節(jié)點的重要信息及整體流向。

3 城軌能源管理系統(tǒng)的主要功能

城軌能源管理系統(tǒng)利用數(shù)字孿生技術,建立綠色節(jié)能的數(shù)字化城軌,以豐富的數(shù)據(jù)資產及強大的云計算能力作為支點,改變以人為控制為主導的能源管理模式,實現(xiàn)信息流和能源流的深度融合。城軌能源管理系統(tǒng)的主要功能如下:

1) 智能調配。結合能源峰谷價格以及產能測、儲能側與用能測的能源信息,對能源的可靠性和經濟性進行綜合研判,利用最優(yōu)化方法建立數(shù)學模型,制定當前最佳能源調配策略。

2) 智能巡檢。利用VCA(智能視頻分析)技術,對城軌站房、線路布設的高清視頻圖像數(shù)據(jù)進行分析,建立災害監(jiān)測、異物入侵監(jiān)測、人員行為監(jiān)測等模型,實現(xiàn)遠程智能巡檢,提高巡檢效率。

3) 智能運維。利用PHM(故障預測與健康管理)技術,結合各類設備傳輸?shù)降孛娴倪\行參數(shù)數(shù)據(jù),建立各關鍵設備的故障診斷、故障預測及健康狀態(tài)評估模型,以保證硬件的運行狀態(tài)良好,防止因設備故障導致的能源損耗。

4) 智能控制。利用邊緣計算、機器學習及深度學習等計算機技術,結合客流、環(huán)境等因素對關鍵用能場景進行深入分析,為主要用能設備建立節(jié)能模型,實時規(guī)劃用能策略并對用能設備進行智能控制。

4 結語

全面發(fā)展各類綠色節(jié)能新技術,推動建設綠色智能城軌是雙碳背景下能源管理發(fā)展的必然要求。通過分析能源管理現(xiàn)狀,總結今后建設能源管理系統(tǒng)的普適性規(guī)律,研究城軌行業(yè)能源管理平臺總體架構,以達到建設綠色城軌,提高能源管理水平的目的。