地鐵環(huán)控系統(tǒng)整體節(jié)能控制策略研究

江 偉齊 群趙泉發(fā)吳維聰

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學院城市軌道交通學院，510650，廣州；2.深圳市地鐵集團有限公司，518000，深圳∥第一作者，碩士研究生）

地鐵環(huán)控系統(tǒng)整體節(jié)能控制策略研究

江 偉1齊 群1趙泉發(fā)2吳維聰2

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學院城市軌道交通學院，510650，廣州；2.深圳市地鐵集團有限公司，518000，深圳∥第一作者，碩士研究生）

根據(jù)地鐵環(huán)控系統(tǒng)的能耗特點，提出一種環(huán)境整體節(jié)能控制策略。通過主機群控、變頻調(diào)速、恒溫室變風量控制、變壓差變流量控制、變溫差的模糊控制等方法實現(xiàn)環(huán)控系統(tǒng)的整體節(jié)能控制。相對于常規(guī)的PID（比例-積分-微分）控制策略，仿真結(jié)果表明該策略具有更好的系統(tǒng)魯棒性。該策略在深圳地鐵1號線的節(jié)能改造工程中得到應用，實現(xiàn)年綜合節(jié)電率約30%，節(jié)能效果顯著。

地鐵；環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控；整體節(jié)能；模糊控制

First-author'saddressGuangdong Communication Polytechnic，510650，Guangzhou，China

目前，地鐵環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）主要有開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)3種運行制式。開式系統(tǒng)通過在車站間設(shè)置通風豎井，借助列車在區(qū)間運行產(chǎn)生的活塞效應，實現(xiàn)地鐵內(nèi)與外界空氣交換，能耗少，但不大適合大陸性氣候地區(qū)；閉式系統(tǒng)通過通風和空調(diào)系統(tǒng)向車站提供適量的新鮮空氣，使隧道和車站的溫度皆處于正常狀態(tài)，通風效果不佳；屏蔽門系統(tǒng)將站臺與行車區(qū)域隔開，從而隔斷車站與隧道間的熱交換，實現(xiàn)節(jié)能，在目前國內(nèi)大部分城市軌道交通線路得到廣泛的采用。文獻［1］提出了地鐵BAS系統(tǒng)在空調(diào)通風系統(tǒng)上的節(jié)能控制策略，利用變水量、變風量的控制方法實現(xiàn)節(jié)能。文獻［2］對地鐵3種環(huán)控制式在車站和區(qū)間隧道的能耗進行了分析，指出屏蔽門系統(tǒng)在南方氣候地區(qū)具有比較明顯的節(jié)能優(yōu)勢。文獻［3］對地鐵空調(diào)冷負荷概算指標進行估算，通過合理設(shè)計空調(diào)設(shè)備的容量，優(yōu)化設(shè)備用電量達到節(jié)能的目的。文獻［4-5］對地鐵環(huán)控系統(tǒng)采取節(jié)能診斷的方法，提出環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能應該統(tǒng)籌設(shè)計、施工、設(shè)備、運營等各方面因素，優(yōu)化節(jié)能運行模式，提高設(shè)備能源利用率。文獻［6］提出依靠計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、過程控制技術(shù)來實現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)節(jié)能控制策略。

本文提出了一種環(huán)控系統(tǒng)整體節(jié)能控制策略。首先建立了環(huán)境整體節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型；分析了該模型的主要功能及控制策略；最后通過仿真實驗表明，該策略相對于常規(guī)的PID（比例-積分-微分）控制策略，具有更好的魯棒性及節(jié)能效果。

1 環(huán)境整體節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

地鐵環(huán)控系統(tǒng)主要包含通風、空調(diào)、給排水、照明、乘客向?qū)А⒆詣臃鎏?、屏蔽門、防淹門等幾大子系統(tǒng)。有數(shù)據(jù)表明，通風、空調(diào)系統(tǒng)的能耗占地鐵總用電負荷的45%～60%［7］，國內(nèi)學者對環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能控制策略研究也主要集中在通風空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制。環(huán)控系統(tǒng)包含大量的風機、水泵和機組，系統(tǒng)節(jié)能的控制目標不僅僅是使單個設(shè)備的能源利用效

率最佳，還應該把它們看做是一個有機的整體，使整個系統(tǒng)的節(jié)能處于全局最優(yōu)。基于以上考慮，本文以屏蔽門系統(tǒng)為研究對象，建立環(huán)境整體節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 環(huán)境整體節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1.1 主機群控

根據(jù)季節(jié)、晝夜變化及末端負荷量來自動調(diào)整風機、水泵和機組運行的臺數(shù)，實現(xiàn)機組跟水泵、風機間的聯(lián)動及輪換控制，使設(shè)備運行在最佳工況，提高電能利用效率；具有圖形操作、報表打印、故障報警等功能。以制冷主機為例，其控制思想是：①啟動1臺制冷主機。②判斷當前制冷主機的實際負荷是否加載到預設(shè)負荷：如果不是則返回至②，如果是則判斷當前空調(diào)系統(tǒng)的總負荷是否已滿足設(shè)定條件一或條件二；若不滿足條件一或條件二，則判斷是否有未開啟的制冷主機，若有則進入步驟①，否則進入步驟②；若滿足條件一或條件二，則判斷當前中央空調(diào)系統(tǒng)是否滿足減載條件且當前運行的制冷主機數(shù)量大于1，若滿足，則關(guān)閉一臺制冷主機，并進入步驟②，否則直接進入步驟②。

1.2 能效管理中心

通過物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，采集各個典型環(huán)境和數(shù)據(jù)，對能源輸入、轉(zhuǎn)換以及輸出的全過程進行定性、定量分析，從而找出能源利用不合理的環(huán)節(jié)及影響因素。數(shù)據(jù)分析匯總后，能夠通過物聯(lián)網(wǎng)絡進行實時的優(yōu)化調(diào)節(jié)，同時通過WEB方式實現(xiàn)發(fā)布數(shù)據(jù)、能效建議和節(jié)能效果比較。各車站控制室可以通過WEB的方式查詢到本站的能源消耗情況，定義數(shù)據(jù)采集點、頻率、類型等參數(shù)，通過統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺完成數(shù)據(jù)采集，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)發(fā)布平臺獲得數(shù)據(jù)。

1.3 能耗控制中心

能耗控制中心是整個節(jié)能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。采用人工智能模糊控制技術(shù)，實現(xiàn)對環(huán)控系統(tǒng)下的各種通風風機、冷卻塔風機、冷卻水泵、冷凍水泵、空調(diào)機組等進行變頻調(diào)節(jié)及啟?？刂啤Ｔ谑覂?nèi)室外裝設(shè)溫度濕度變送器、CO2變送器，通過計算室內(nèi)外空氣焓值、CO2濃度來控制風機的啟停及輪換；在水管的進出口裝設(shè)水溫變送器、壓差變送器、流量計，通過檢測冷凍水、冷卻水的溫差、壓差、流量來控制水泵的啟停及輪換；根據(jù)環(huán)境參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)來調(diào)節(jié)制冷主機的工作，使其運行在最佳工況。

2 環(huán)境整體節(jié)能控制策略

2.1 恒溫室變風量控制

變風量控制的目標是使任意情況下供風量等于需求風量，通過變頻調(diào)節(jié)風機實現(xiàn)送風量的自動控制，滿足室內(nèi)外溫濕度負荷及CO2濃度變化的影響，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗

式中：

G——送風量，m3/h；

Q——空調(diào)送風需要吸收的空氣余熱，J；

ρ——空氣密度，kg/m3；

c——空氣定壓比熱，kJ/kg·℃；

tn——室內(nèi)空氣溫度，℃；

ts——送風溫度，℃。

由式（1）可以看出，當空氣余熱Q變化，而使室內(nèi)溫度tn不變，可固定送風溫度ts，改變送風量G，即是恒溫室變風量控制。要實現(xiàn)恒溫室變風量控制，關(guān)鍵是確定室溫tn及控制送風溫度ts，既要減少室外空氣變化對室內(nèi)溫度的干擾，又要避免送風溫差太大，影響系統(tǒng)空氣調(diào)節(jié)的水平和能力。根據(jù)文獻［6］，室內(nèi)溫度控制其實質(zhì)是空調(diào)送風機定風溫變風量控制，可以采用溫度閉環(huán)PID調(diào)節(jié)回路；送風溫度控制其實質(zhì)是空調(diào)末端二通閥在定壓差下的變流量控制，可以通過調(diào)節(jié)空調(diào)表冷器回水管上末端二通閥的開度，控制冷凍水量，使得經(jīng)過表冷器的空氣與水的熱交換趨于平衡來實現(xiàn)。

2.2 風機、水泵變頻調(diào)速控制

地鐵環(huán)控系統(tǒng)的風機、水泵皆是由電機驅(qū)動的，利用變頻器可以改變電機的工作電源頻率從而改變電機的轉(zhuǎn)速。

式中：

P——電機軸功率，k W；

ρ——流體密度，kg/m3；

G——流量，m3/s；

H——壓力（對水泵稱作揚程），Pa；

ηc——風機或泵的效率（一般取0.6～0.84）；

ηF——傳動效率，一般取1。

由式（2）可得出，電機軸功率P跟流量G和壓力H的乘積成正比。因流量G跟電機轉(zhuǎn)速成正比，壓力H跟電機轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以電機軸功率P可看作是跟電機轉(zhuǎn)速的三次方成正比。在流量相同的情況下，降低電機的轉(zhuǎn)速，可以使得壓力減少，電機軸功率降低，節(jié)能效果明顯。

2.3 冷凍水變壓差變流量控制

地鐵采用二次泵變水量系統(tǒng)，每個車站都設(shè)置有獨立的二次循環(huán)泵組。二次泵系統(tǒng)根據(jù)實際的負荷變化，通過控制二通閥的開度控制冷水量，滿足系統(tǒng)的負荷需求，把能耗控制在較低的水平。末端二通閥分布于車站不同的位置，管路不同，造成冷凍水供回總管間的壓差也不同，但必須滿足系統(tǒng)中最不利條件點的最小壓差。由于最不利的壓差點會隨著車站各處負荷的變化而變化，通過引入反饋控制，按照負荷側(cè)的流量需要，不斷尋找最不利的末端回路，重新設(shè)定最壞壓差值。

式中：

ΔP——末端壓差；

K——常量；

Q——末端流量；

L——二通閥開度。

由式（3）可以看出，二通閥開度越大，末端的負載能力越大。由此把開度最大的末端回路設(shè)定為最不利回路，此時對應的壓差設(shè)定為最壞壓差值。通常，二通閥的開度設(shè)置在80%～95%之間，調(diào)節(jié)效果最好，節(jié)能效果也最佳。以系統(tǒng)供回總管間最壞點的壓差測量值作為過程變量，二次泵為執(zhí)行機構(gòu)，控制冷凍水的總流量，使其始終保持在剛好滿足系統(tǒng)負荷要求的水平。

2.4 基于變溫差的模糊控制

地鐵的環(huán)控系統(tǒng)存在“小溫差、大流量”的局面，因季節(jié)更替、晝夜交替、末端負荷變化，以及水泵定流量等因素使得主機進出水溫差2～3℃。模糊控制系統(tǒng)不需要對被控對象進行精確的描述，較適合于溫差-流量這種非線性時變系統(tǒng)［8］。通過設(shè)計模糊控制器進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)變溫差的流量控制。經(jīng)系統(tǒng)分析，確定該模糊控制器為一個雙輸入單輸出的二維模糊控制器，輸入變量為溫差e以及溫差變化率ec，輸出變量為水流量u，均采用對稱三角形隸屬度函數(shù)。輸入量溫差e的語言變量為E，論域為X，劃分為5個等級，即X=﹛-2，-1，0，1，2﹜，相應的模糊子集為Ai（i=1，2，3，4，5），5個語言取值為﹛NB（負大）、NS（負?。?、ZE（相等）、PS（正?。?、PB（正大）﹜。溫差變化率ec的語言變量為EC，論域為Y，也劃分為5個等級，即Y=﹛-0.50，-0.25，0，0.25，0.50﹜，相應的模糊子集為Bi（i=1，2，3，4，5），5個語言取值為﹛NB（負大）、NS（負?。E（相等）、PS（正?。?、PB（正大）﹜。輸出量水流量u的語言變量為U，論域為Z，也劃分為5個等級，即Z=﹛-2，-1，0，1，2﹜，相應的模糊子集為Ci（i=1，2，3，4，5），5個語言取值為﹛OB（負大）、OS（負小）、M（中等）、CS（正?。?、CB（正大）﹜。模糊規(guī)則表如表1所示，對應的曲面圖如圖2所示。

表1 基于變溫差的模糊控制規(guī)則表

圖2 基于變溫差的模糊控制規(guī)則對應曲面圖

3 仿真實驗分析

在Matlab/Simulink下搭建兩種控制模型。一

種是常規(guī)PID控制模型，另外一種是基于變溫差的模糊控制模型。時間取樣8 000 s，以夏季為例進行調(diào)節(jié)。待系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)后，使室外溫度升高，室內(nèi)溫度降低，然后在3 000 s和5 500 s時分別加入幅度為穩(wěn)態(tài)值56%和6%的階躍擾動，仿真曲線如圖3所示。圖中曲線1（虛線）為常規(guī)PID控制，曲線2（實線）為基于變溫差的模糊控制。從結(jié)果來看，曲線1的超調(diào)量大，有振蕩產(chǎn)生，調(diào)節(jié)時間長；曲線2的超調(diào)量小，無振蕩產(chǎn)生，調(diào)節(jié)時間小。試驗仿真數(shù)據(jù)表明，基于變溫差的模糊控制系統(tǒng)的魯棒性更強。

圖3 常規(guī)PID控制、基于變溫差的模糊控制仿真曲線

4 應用案例

2008年深圳地鐵1號線對環(huán)境控制系統(tǒng)和回排風控制系統(tǒng)進行了節(jié)能改造。在BAS系統(tǒng)的PLC（可編程控制器）系統(tǒng)上增加I/O模塊，在BAS系統(tǒng)的HMI（人機界面）上新增變頻工藝參數(shù)監(jiān)視及相關(guān)控制功能；實現(xiàn)系統(tǒng)群控及聯(lián)動控制功能，優(yōu)化系統(tǒng)運行，提高系統(tǒng)的運行效率；實現(xiàn)溫度精確控制，減少控制過程溫濕度的波動，使控制區(qū)域溫度控制精度穩(wěn)定在±1℃的范圍內(nèi)；采用環(huán)境整體節(jié)能控制系統(tǒng)，完成中央空調(diào)節(jié)能改造控制系統(tǒng)的設(shè)計。改造后的環(huán)境節(jié)能控制系統(tǒng)實現(xiàn)年綜合節(jié)電率27.73%，節(jié)電量達39.5萬k Wh/年，折合159.6 t標煤，節(jié)能效果顯著，取得了比較好的經(jīng)濟效益。

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Integral Energy-saving Strategy in Metro Environmental Control System

Jiang Wei，Qi Qun，Zhao Quanfa，Wu Weicong

According to the characteristicsof energy consumption in metro environmental control system，an integral energy-saving control strategy is proposed.Mainly through thegroup control of host machine，frequency control of motor speed，variable air volume controlin constant greenhouse，variable pressure difference and variable flow control，as well as the variable temperature fuzzy control method，this strategywill achieve the integral energy-saving in metro environmental control system.Compared with the conventional PID control strategy，the simulation results show that the integral energy-saving control strategy has better system robustness，therefore has been applied in the energy-saving renovation project of Shenzhen metro Line 1，the yearly integrated power saving rate is about 30%，which has achieved good economic benefits and remarkableenergy-saving effect.

metro；environment and automation survilliance；integral energy-saving；fuzzy control

TK 018：U 231

2013-06-14）