@EMS全时动态能源管理系统在大型综合交通枢纽设计探讨
深圳市海亿达能源科技股份有限公司
 
摘要  高速铁路正快速进入国民经济的中心舞台,能耗管控日益重要。本文通过剖析上海虹桥铁路枢纽有关能耗管控需求,分析了项目能源管控解决方案的技术要求和可行性,介绍了本项目能源管控实施方案的情况,并对@EMS全时动态能源管理技术实际应用效果进行了初步探讨。
关键词  @EMS全时动态能源管理系统, 大型公共交通建筑,能耗,能源管控,能效
 
 
前言  
在高速铁路路网建设快速推进,高铁出行大步进入国民生活中心舞台的大背景下,我国政府在“十一五”规划建议明确提出,到2010年单位GDP能耗比“十五”期末降低20% 左右。轨道交通和建筑设施用能占GDP总能耗相当大的比例。如何利用科技手段,提高能源利用效率,实现节能减排的目标是高铁设施设计建设的基本原则。
上海虹桥高铁枢纽是京沪高速铁路南端终点站,东面与上海虹桥机场新航站楼联接,结合横穿整个车站与航站楼地下的城市交通部分,形成一个三位一体的巨型城市交通综合体——上海虹桥综合交通枢纽工程涵盖高速铁路、城市轨道交通、磁悬浮、城市市政交通及高速公路等,是目前世界上屈指可数的巨型城市客运交通综合体,将成为上海西部的重要城市功能中心,其交通枢纽功能辐射整个上三角,如何在确保高可靠性、安全性的前提保障设施的持续运营稳定和设施的便捷功能,是本工程设计的基本考量,本文介绍了为提高本项目能源系统的运营效率和能耗成本管控水平并实现节能减排的目标所采取的有关能耗管控技术措施和实际效果。
1.   工程概况
虹桥综合交通枢纽作为世界最大的城市综合交通枢纽,其中的铁路站房部分总建筑面积近24万平方米,整个工程主体分为5层,其中地下3层,地上2层:
         地下三层为南北方向的轨交5号线、17号线,还设有5条线路的换乘大厅;
         地下二层为东西方向的轨交2号线、10号线和青浦线;
         地下一层设轨道交通售票大厅,京沪高速铁路候车室;
         地面层为京沪高铁站台层;
         离地10米设高架层,供地面交通进入,同时设候车大厅。
整个建筑设施能源类别主要包括水、电、应急柴油发电机、太阳能光伏发电。其市电电源供应经由10KV电缆线路取自华东电网虹桥地区220KV变电所,建筑内部设置7个高低压变电所,共配置10/0.4KV配电变压器19台,总配电容量42000KVA;光伏发电系统年均发电量达到630万千瓦时。
2.   能源管理需求分析
由于上海虹桥站是一个航空港级别的设施,其对系统可靠性和安全性要求高,负荷密集、供电容量大,因此对能源管理系统也提出了相应的要求:
极高安全与可靠性    由于高铁交通枢纽运营必将存在大量的人群聚集,为确保安全需要,对设施的照明、通风等系统的持续可靠运行提出了极高的要求。
长时间持续稳定运行     高铁交通的功能要求站房设施必须能够确保长时间持续稳定运行,以便充分发挥和维持其设施的基本功能,确保高利用率,就要求能源管理系统能够稳定运行。
能源成本管控的要求    高铁站房空港级设施水平和满足现代化舒适的使用体验要求,相应地空调、照明通风的能耗必然很大,需要对能耗进行分类监测和统计,并针对实际客流变化进行合理调控,以降低整体运营能耗。
降低整体设施运营管理强度的要求   对于虹桥这样大规模、设施分布空间广、客流密度高的综合交通设施,其日常运营的管理强度极大,仅仅靠传统的站场管理模式完全无法满足正常功能和可靠性保障的要求,必须借助现代自动化技术手段以提高管理效能。
适应发展要求提高管理水平的要求    中国高铁设施代表着世界领先的铁路设施水准,要求对应设施管理水平要有相应的提升,以便充分发挥设施的功能。
综上所述,要满足上述要求必须采用动态能源管控技术,对设施整体能源系统进行全面实时的监测管控,以提供设施运营管理工具和能耗管控的手段。
结合虹桥高铁枢纽的设施规模与建筑特点,要达成满足上述要求的能源管控系统,实现对高铁枢纽能源系统进行全面管控的功能要求,相应的技术方案需要必须注意满足下述特殊性要点:
设施规模巨大对系统容量的特殊要求   虹桥高铁站设施规模巨大和空间分布广,能源系统分布尤其复杂且能源系统种类较多,同时耗能设备数量极多、分布区域广且复杂,由此可知本项目能源管控系统涉及的能耗与能效参数检测点数量极大,导致系统总容量要求大大超过一般系统规模,为系统实时数据库和历史库的规模和设计提出了特殊要求;
空间分布广对通讯网络的要求   能耗与能效参数采集点多面广,大量数据由配电链路末端传送到系统后台,决定了系统通讯网络必须要有充分的可扩展性和可靠性;
系统容量对网络设计的要求    数据点多面广且数据流量极大,要求网络设计具备足够的通讯带宽,能实现各区域分类能耗实时数据的即时传输以便确保数据同步互操作性;
多能源系统对系统开放性和可扩展性的要求   虹桥站的多能源系统要求其能源管理系统具有足够的开放性,具备与其他系统集成的兼容和开放的接口与数据库,便于与其他系统对接,实现数据的共享。
图1  上海虹桥站整体概貌
 
 
4 解决方案
4.1 概述  综合上述需求分析,结合虹桥高铁枢纽的建筑特点,本项目采用了@EMS全时动态能源管控技术进行项目设计。整体系统采用分层分布式体系结构,由中央监控室主站系统、各大分区操作分站、主干通讯网络与测控层数据网络、分布式通讯子站以及底层能耗与能效监测设备等部分组成。
系统的体系架构如下图2所示。,自上而下包括系统层、数据层和测控层。
图2   系统的体系架构
 

能耗负载复杂性对检测设备适应性的要求   高铁枢纽内部负载设备复杂多样,要求负载设备能耗与能效监测设备具备足够的鲁棒性和可靠性,能适应恶劣环境要求,并可在电能波形严重畸变情况下要求监测设备也能够快速准确采集数据。
4.2 系统架构 
根据虹桥站的系统接线图和平面布置图分析,本@EMS系统包括监控主站系统、4个分操作站系统、48个通讯子站。系统总体拓扑图如下图图3所示。


                         
图3   虹桥站能源管理系统拓扑图

能源管理系统主站    设在虹桥高铁枢纽中央监控室,主站系统设备包括系统服务器、操作站和报表打印机等,配置双系统服务器以实现系统冗余。
分区系统操作分站    考虑到高铁枢纽管理运行便利需要,本系统设置四个分操作站系统,实现对所在分区能源系统的值班操作。其上行数据接入中央监控室主站系统,下行数据与分区内分布式通讯子站连接。
分布式通讯子站     虹桥高铁枢纽设置了48个分布式通讯子站,分别位于各变电所和各层配电箱附近,以便集中实现各处分布的水、电、柴油发电机、光伏发电系统等的能耗与能效监测单元的数据汇集每一个子站,同时通过光纤与系统操作分站与主站连接。
主干数据通讯网络    由六或以上的多芯单模光纤实现主站、操作分站与子站之间网络高速互联,实现数据的上传下达。
测控层数据总线网络    由STP电缆将底层能耗与能效监测单元与分布式通讯子站连接,形成能源测控层总线网络,传输负载设备能耗与能效实时数据。
测控层硬件设备   分布于能源系统底层各处负载设备,实现负载设备能耗与能效监测单元主要包括:电力能耗与能效采集单元、水量采集单元两类。其中主要是智能电力能耗与能效监测单元,采用双CPU保证环境多适应性和大量数据的实时采集、监视,具备总线通讯功能。
 
 
 

图4  测控层硬件设备
 
与光伏发电系统连接    为了响应国家绿色能源政策并弘扬绿色建筑理念,虹桥交通枢纽设计了一定容量的太阳能电池光伏发电系统。能源管理系统在通讯子站级经由数据总线与光伏发电系统实现数据联接,接受光伏发电系统的运行参数与发电量等实时信息。
与水系统连接    虹桥枢纽使用了大量的冷却水和公共设施用水,能源管理系统在子站级经由数据总线采集供水系统进水总管和各主要分管到的水量数据,以便在能源管理中心监视总体用水情况和分布。
与柴油发电机系统连接  为确保虹桥交通枢纽在市电失电的事故情况下也能确保本设施的基本安全用电保障,本设计把应急柴油发电机系统通过数据总线接入能源管理系统子站,以便实现在能源管理中心件事管理应急发电系统的运行状况和能源输出数据。
4.3系统功能
虹桥站@EMS全时动态能源管理系统采用结合建筑平面的图形化虚拟环境界面,对配电系统、水、光伏发电、柴油发电机应急电源系统等实现全系统实时监测管控,实现具有高度现场感的操作体验;系统带有丰富的控制管理工具和图形、声音等多媒体功能,方便灵活地实现对整个建筑设施的能耗管理。
主要能耗管控功能包括:
1)        自动实时能耗数据报表   提供对虹桥高铁枢纽全部运营分区、分类负载能耗的实时能耗报表和曲线分析,可帮助用户直观地了解能耗情况,提供强有力的成本管控工具。

图5  建筑模拟管控画面
 


图6  能耗差异纠错与管控建议
 
 
2)        能耗与能效监测管控   自动分析高铁枢纽所有能耗设备能耗数据,建立设备标准能耗,并自动监视设备能源利用效率,为用能管控提供自动监视手段,对不正常(超标)用能告警,自动帮助用户及时发现并处理问题。

3)     能耗与能效分析    对设施覆盖的能耗进行分项监视,为日常能耗管理提供明确清晰的用能管控工具,快速消除无效能耗;
4)        故障分析与设备维护管理   系统依据带时标的事件记录和波形记录可进行故障和事件的成因分析;另外,系统统计开关等设备的状态参数和累积寿命参数,可据此提出设备维护预告;
5)        多用户能耗费用统计   系统提供的辅助管理工具,帮助进行电能成本分摊,方便站内多用户能耗管理。
6)        负载分类管理   对主要能耗负载进行分析管控,包括:空调、照明、通风等主要负载分类进行实时管控,实现能源消耗与实际运营管理的紧密结合。
7)      能耗指标与节能工作管理  系统将提供建筑总能耗(折算标准煤量)、总用电量、分类能耗量、分项用电量等统计报表,同时对单位建筑面积用电量、单位空调面积用电量、单位建筑面积分类能耗量等能耗指标报表进行定时记录,为高铁节能工作提供依据和工具。

图7  空调、照明、冷热源类负载能耗分析
 

5 效果初步评估
虹桥高铁枢纽采用@EMSTM全时动态能源管控技术,建立了对整个高铁站场设施能源系统的全面监视管理,通过对负载能耗设备的能耗与能效数据实时采集监视,实现了对能源系统实时能耗的有效监测管理,提供了用户能源管理系统运营管理的有效工具和能耗成本管控工具,为进一步的节能增效措施提供分析手段,预期效果已开始初步显现。
@EMSTM系统通过全时的全区域分类数据的上传,不仅降低了大面积、大体量设施能耗的管理强度,还提供各种分类的报表,能耗曲线和趋势分析,提高运营管理的效率。
通过对照明、空调、通风等各类负载自动生成细节分项数据,为管理上提供了强有力的成本管控工具。
在客流峰值和低谷时对不同区域的负载能耗进行监视调节,对用能大项设置标准能耗值,以便发现无效能耗并做出相应的措施。
6 结论   节能增效,已成为各行各业不可忽视的一个问题。实践证明,@EMS全时动态能源管理技术不仅仅可以为虹桥站带来直观的节能经济效益,更引起了良好的社会效益和环境效益。可以作为大型公共建筑、基础设施、工业企业等用能者的节能管理方法借鉴。

 
参考文献
1  GB 50189-2005《 公共建筑节能设计标准》[S].
2 徐义.《建筑电气系统综合节能》[J].现代建筑电气 2010.2
3 杨小琴  李华 曹雪华.《电能管理系统改造方案介绍》[J].建筑电气.2010.2
 
 

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