地铁车站综合电能管理系统的设计与实现论文
城市轨道交通以速度快、运量大、准时、污染小、能有效缓解路面交通压力等优势，被广泛应用于各大城市中，而广州也进入了新一轮的建设高峰期。截至目前，全面开工的地铁线共有 11 条，长达 262 km.
城市轨道交通与其他交通运输方式相比，具有较高的能效。在同等运力条件下，它的能耗只有公交车的50%，小汽车的11%.然而，由于城市轨道交通具有行车密度大、运输总量大、地铁车站数量多等特点，所以，其总能耗量也是非常大的，是城市用电大户，仅电费一项就占运营直接成本的 20%左右。城市轨道交通的电能消耗主要分布在列车牵引用电、车站通风空调系统、提升设备和照明设备上，分别约占用电总负荷的 45%，30%，12.5%和 10%，如图 1 所示。从图 1 中可以看出，地铁车站的机电系统设备占用了 1/2 以上的用电负荷，达到了 55%，因此，很有必要研制 1 套电能管理系统，以实现对地铁车站机电设备的节能控制。
1 地铁车站机电设备能耗特点
地铁车站机电设备主要是由照明设备、电扶梯设备和环境控制设备(通风空调设备、给排水设备和弱电系统等)组成的。其中，电扶梯设备、照明设备和弱电系统的电能消耗一直较为稳定;在雨季时，给排水设备的电能消耗量较大，而在正常情况下，其电能消耗较少，也较为稳定;通风空调设备是主要的用电设备，占车站机电设备总用电量的 50%以上，同时，其电能消耗的波动较大，具有较高的节能潜力。
地铁车站通风空调系统通常是由通风空调大系统和小系统组成，大系统、小系统的能耗比例约为 7∶3. 其中，小系统用于设备用房的温湿度调节，电能消耗较为稳定;大系统用于公共区域的'温湿度调节，为乘客提供舒适的乘车环境。大系统负荷主要受客流负荷、新风负荷、设备负荷和传热负荷的影响，各负荷能耗比例如图 2 所示。在车站正常运营时，设备运行状况和区间隧道温度都比较稳定，因此，设备负荷和传热负荷也较为稳定。但是，客流负荷具有明显的时段性——在早晚高峰时段高，其余时段较低，新风负荷受室外空气焓值的影响较大;在最热月，新风负荷波动不大，但到换季时，室外空气焓值较低，其负荷下降较为明显。因此，如何动态匹配客流负荷和新风负荷的变化是通风空调系统节能的关键。
2 系统结构设计
该系统使用了新科电子自主研究的 TransActive 软件平台。该平台使用了 C++软件技术，采用了模块化结构，根据系统的功能需求，把系统各功能模块化、软件组件化，从而实现了灵活拼接和调用，具有很强的适应性、开放性和稳定性。
2.1 硬件结构设计
此系统主要是由系统服务器、管理工作站、网络设备、打印机和存储设备等硬件设备组成的。其中，系统服务器用于数据的收发和处理;管理工作站为系统管理人员提供便捷、人性化的控制环境;网络设备主要是指网络交换机;存储设备主要是指磁盘阵列，用于存储系统中的历史数据。
综合电能管理系统通过网络交换机和局域网与节能控制系统、能源管理系统、综合监控系统、自动售检票系统等外部接口系统实现交互数据的分析和管理。
2.2 软件结构设计
电能管理系统主要是由物理接口层、数据处理层和管理层构成的
2.2.1 物理接口层
物理接口层包括能源管理系统、节能管理系统、综合监控系统和自动售检票系统等 4 个接口模块。它主要用于收集与地铁车站机电系统相关的能耗数据和环境数据，并发送相关控制信息。
2.2.2 数据处理层
数据处理层主要用于分析和计算收集到的原始数据，并优化、调整相关设备的运行参数。
2.2.3 管理层
管理层主要用于统计和分析采集到的能耗数据，并按照要求形成图形曲线和报表。同时，它还为系统提供基础管理功能，即事件日志、报表打印、报警提醒和相关应用统计等。
3 系统功能设计
为了尽可能地满足系统管理人员对地铁车站电能的管理需求，本着操作简单、显示简洁、功能齐全等原则进行系统功能设计。系统主要具备接口通信、系统实时能耗统计、系统历史数据查询、系统能效分析、系统决策和环境数据监视等 6 大功能。
3.1 接口通信功能
结合地铁车站机电系统的特点，本文采用了当前较为流行、成熟的 Modbus Tcp 通讯协议。该协议位于 OSI 模型的第七层，主要为设备之间使用不同总线或网络链接的客户端/服务器实现信息交互。Modbus Tcp 数据帧是由 MBAP 报文头、功能代码和数据 3 部分组成的，如图 5 所示。通过单元标识符区分外部接口系统报文。其中，节能管理系统单元标识符为 0x81，能源管理系统为 0x21，综合监控系统为 0x64，自动售检票系统为0x42，通过不同的数据点地址分配获取电流、电压、有功功率和温度等信息。
3.2 系统实时能耗统计
系统实时能耗统计主要包括能耗数据汇总、照明电能数据、扶梯电能数据和环控电能数据统计等 4 个功能。其中，能耗数据汇总用于汇总截至当前整个车站机电系统、照明设备、扶梯设备和环境控制系统的总用电量。图 6 给出了三元里车站在2014-10-08 的能耗数据汇总。照明电能数据、扶梯电能数据和环控电能数据主要用于查询具体设备当前的电流、电压、功率和功率因数曲线。
3.3 系统历史数据查询
系统历史数据查询主要用于查询地铁车站的日电耗汇总、月电耗汇总、日能耗差异和月能耗差异，同时，也可以查询具体某一设备的能耗情况和设备能耗排名统计，以便工作人员全面掌握车站机电系统各设备的用电情况。
3.4 系统能效分析
系统能效分析是系统的核心功能，主要包括车站整体能效分析、设备能效分析、设备能耗异常报警和能耗分析报告等 4个功能。通过车站内部 CO2浓度、人流密度、温度变化、有功电度的变化曲线间接反映车站的整体能效和设备能效情况，并报警提醒能耗异常的设备，同时，还提供了相关的能耗分析报告。
3.5 系统决策
本文使用反馈调整法，即根据现场反馈的 CO2浓度、客流密度、温度等信息，优化、调整车站风机、空调、水泵等设备的运行参数进行调整，从而避免能源浪费，提高电能效率。3.6 环境数据监视环境数据主要是指温度、湿度、CO2浓度和客流密度等信息。环境数据监视有利于系统工作人员快速查看系统优化、调整后环境数据的变化情况。
4 系统主要特色
4.1 跨多专业实现电能管理
目前，在城市轨道交通设计中，电能管理大多是以单一系统或设备为研究对象的，很难满足城市轨道交通的节能减排需要。本文结合地铁运营规模和实际工程的特点，从系统层面上，跨越多个专业实现地铁车站的电能管理，将系统设备的能耗统计、分析和管理结合起来，解决了单一专业或设备节能措施片面性的问题。
4.2 能耗异常报警
过去，如果设备能耗发生异常，只有当其坏了或者故障报警时才能被人发现。为了尽早发现异常设备，通过分析设备的日能耗差异和月能耗差异，实现了设备的异常报警提醒，有助于工作人员快速找出异常设备，提高了系统的稳定性，减少了电能消耗。
4.3 实现动态调整
本文解决了能耗统计分析与电能管理脱节的问题。通过反馈调整法，将环境的实时数据作为控制参数，动态调整风机、冷水机组、水泵等设备的运行参数;通过能效曲线可以直观、有效地判定系统或设备的电能消耗是否合理。
5 结束语
根据地铁车站的系统组成和能耗特点，设计了 1 套电能管理系统。该系统突破了传统的节能控制技术，从系统的角度出发，跨越多个专业，把环境数据与节能控制紧密联系在一起，直观、有效、便捷地实现了对地铁车站的电能管理。
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