淺聊綜合管廊精細化節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計與實施

陳琪

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：當(dāng)前綜合管廊對能耗的監(jiān)控存在不足，主要停留在對電表的實時監(jiān)測和用電量的統(tǒng)計，節(jié)能手段主要依據(jù)管理制度和經(jīng)驗利用人工控制調(diào)整用電結(jié)構(gòu)。本文基于現(xiàn)有綜合管廊智慧運維平臺開發(fā)的基礎(chǔ)，采集了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用建立的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫、管廊能耗評價指標(biāo)體系，研發(fā)一套管廊精細化節(jié)能診斷系統(tǒng)，主要目標(biāo)是實現(xiàn)對綜合管廊能耗精細化分析，節(jié)約地下綜合管廊運維過程中的能耗，為運維管理人員提供決策支持、節(jié)能診斷和運行策略指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；精細化；節(jié)能診斷

0引言

綜合管廊是集成城市綜合承載能力及維護保障能力的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1-3]，對于城市規(guī)劃與管理及城市地下空間治理具有重要的意義。當(dāng)前綜合管廊實現(xiàn)了物理空間上管廊監(jiān)管、管線資源配置、多類數(shù)據(jù)集成等方面問題，實現(xiàn)綜合管廊的監(jiān)測、控制、管理的一體化。我國綜合管廊仍處于初級發(fā)展階段，綜合管廊信息化水平也欠發(fā)達，在開展信息化工作過程中面臨諸多問題。

綜合管廊的監(jiān)控警報系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測是保障綜合管廊安全穩(wěn)定運行的重要系統(tǒng)[5]。常規(guī)的監(jiān)控報警系統(tǒng)在節(jié)能降耗等方面不能滿足管廊精細化管理的需求[6].韓會山等[7]針對地下管廊監(jiān)測方案綜合分析了不同工況下管廊能耗的各項參數(shù)變化規(guī)律，總結(jié)了地下管廊的監(jiān)測要點。丁松等[8]針對綜合管廊內(nèi)部公共環(huán)境監(jiān)測的實時性、準(zhǔn)確性不夠的問題，設(shè)計了一種基于NB-IoT無線傳輸技術(shù)的可視化、智慧化監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)通過Web頁面和手機APP的實時環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。周如意等[6]對地下綜合管廊的監(jiān)控與警報系統(tǒng)進行研發(fā)和設(shè)計，對綜合管廊內(nèi)部各種環(huán)境參數(shù)的有效監(jiān)測。歐陽康淼等[9]對綜合管廊用能現(xiàn)狀與節(jié)能潛力分析，對某管廊用電水平進行測試，全長7.87km的管廊，月平均用電在7.8萬kW·h(數(shù)據(jù)來源于2020年7月-12月)[10]，以此簡單推算，單艙公里月平均用電估計1萬kW·h，結(jié)合當(dāng)前地下綜合管廊建設(shè)的總里程，每年地下綜合管廊的用電費用是一筆不小的數(shù)目。

國內(nèi)綜合管廊監(jiān)測系統(tǒng)大致處于基礎(chǔ)監(jiān)測與數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計，節(jié)能手段多以管理制度和經(jīng)驗進行人工控制用電結(jié)構(gòu)，整體管廊能耗監(jiān)測管理水平相對落后。本文基于現(xiàn)有綜合管廊智慧運維平臺開發(fā)的基礎(chǔ)，采集了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用建立的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫、管廊能耗評價指標(biāo)體系，研發(fā)一套管廊精細化節(jié)能診斷系統(tǒng)，主要目標(biāo)是實現(xiàn)管廊能耗精細化管理，節(jié)約地下綜合管廊運維過程中的能耗，為運維管理人員提供決策支持、節(jié)能診斷和運行策略指導(dǎo)作用。

1現(xiàn)狀分析

當(dāng)前國內(nèi)城市地下綜合管廊的建設(shè)采取投資和多渠道融資相結(jié)合的方式，鼓勵社會資本投資城市地下綜合管廊的建設(shè)、運營和管理，運營階段在不同城市采取不同的管理方式，由牽頭或者委托具有市政公用工程專業(yè)監(jiān)理資質(zhì)的專業(yè)機構(gòu)運營管理。當(dāng)前北京地下綜合管廊建設(shè)分屬在城市不同地區(qū)，可由不同企業(yè)管理，因此形成項目級、公司級、城市級三級管理模式格局[10]。本系統(tǒng)適用于項目級和公司級管理。管廊精細化節(jié)能診斷系統(tǒng)定位是為綜合管廊項目級運維管理層人員提供精細化的能耗指標(biāo)評價分析和運行策略控制，為公司級管理人員提供用能監(jiān)管策略。通過當(dāng)前智能化綜合管廊的建設(shè)以及對能耗結(jié)構(gòu)的研究，將綜合管廊能耗結(jié)構(gòu)劃分為照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測用能設(shè)備運行狀態(tài)，挖掘節(jié)能潛力，形成節(jié)能診斷系統(tǒng)，為項目級和公司級管理人員提供節(jié)能策略。

2系統(tǒng)設(shè)計方法

綜合管廊的監(jiān)測與設(shè)計符合基本原則]，實現(xiàn)各項設(shè)計原則的相統(tǒng)一：

（1）針對性與實用性：能耗監(jiān)測內(nèi)容不求多而全，但求有良好的經(jīng)濟實用性、針對性強，以較少的投資為監(jiān)管人員盡可能多的反應(yīng)問題與了解問題。

（2）可靠性：監(jiān)測系統(tǒng)具有性，采用監(jiān)測設(shè)備與監(jiān)測技術(shù)，以便實現(xiàn)監(jiān)測功能，確保實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)期目標(biāo)；在滿足前提下選擇可靠的硬件產(chǎn)品和軟件技術(shù)，不片面追求儀器設(shè)備。

（3）可操作性與易維護性：監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計合理，操作便捷，界面友好，便于管理，易于故障檢查和日常維護，儀器設(shè)備易于維修更換，以保證監(jiān)測系統(tǒng)性能長期穩(wěn)定可靠。

（4）完整性與可擴展性：系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容具有完整性，監(jiān)測控制過程邏輯嚴(yán)密，功能相對齊全，功能模塊之間獨立的基礎(chǔ)上又要相關(guān)聯(lián)，以避免故障導(dǎo)致聯(lián)動影響；同時監(jiān)測系統(tǒng)又是開放的，可根據(jù)變更的需求及時擴展或進行功能升級。管廊精細化節(jié)能診斷系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計基本原則進行設(shè)計，自下而上分為采集層、接入層、存儲層、應(yīng)用層。采用MOTBAS、TCP/IP等協(xié)議接入終端感知數(shù)據(jù)，經(jīng)過加工處理分類存儲建立數(shù)據(jù)，應(yīng)用層基于業(yè)務(wù)需求，形成可視化功能模塊，包含能源看板、節(jié)能診斷、用能監(jiān)測、用能報表、工況模式、配置管理功能，見圖1。

3系統(tǒng)功能設(shè)計邏輯

構(gòu)建精細化節(jié)能診斷系統(tǒng)的設(shè)計思路：通過對當(dāng)前地下綜合管廊用能結(jié)構(gòu)分析、用能標(biāo)準(zhǔn)進行實驗測量、綜合管廊用能的影響因素分析以及綜合管廊節(jié)能診斷的方法研究，實時輸出診斷結(jié)果。

（1）綜合管廊用能結(jié)構(gòu)分析

為了實現(xiàn)對地下綜合管廊內(nèi)敷設(shè)的電力、通信、給排水、燃氣、熱力等管道和線纜的智能監(jiān)管，同時為保障在地下有限空間內(nèi)的安全作業(yè)以及遠程監(jiān)控，在地下綜合管廊安裝照明、水泵、風(fēng)機、消防、攝像頭、溫濕度傳感、有害氣體檢測、通信等智能終端設(shè)備，保障綜合管廊安全高效運行。地下綜合管廊依據(jù)國標(biāo)要求建立防火分區(qū)，同時依據(jù)管廊敷設(shè)的管道和線纜特性設(shè)計相應(yīng)的艙室，如電力艙、燃氣艙、熱力艙、綜合艙，針對各艙室每個防火分區(qū)敷設(shè)智能終端設(shè)備，用以實現(xiàn)對綜合管廊智慧化管理、智能化控制，因此產(chǎn)生大量的智能終端設(shè)備，通過對設(shè)備功耗特性和用途將用能結(jié)構(gòu)分類如下：

（2）用能標(biāo)準(zhǔn)實驗分析法

管廊的實際能耗特點與公共建筑差別很大，除了監(jiān)控用能會受到季節(jié)變化影響外，管廊內(nèi)部主要設(shè)備(弱電、消防、照明)用能基本不受其它因素影響，因此公共建筑中常用的多元線性回歸、建筑能耗模擬等方法并不適用于管廊，采用統(tǒng)計學(xué)中的定額水平法來確定管廊能耗指標(biāo)，通過非供暖季綜合管廊日能耗區(qū)間分布確定每個管廊標(biāo)準(zhǔn)能耗，包含引導(dǎo)值和約束值，以發(fā)生頻次較高的算術(shù)平均能耗作為管廊能耗約束值，以發(fā)生頻次較少的用能算術(shù)平均值作為管廊能耗引導(dǎo)值。用能標(biāo)準(zhǔn)的計算在本系統(tǒng)建設(shè)中至關(guān)重要，是作為后續(xù)節(jié)能診斷的基礎(chǔ)和依據(jù)。

（3）綜合管廊用能影響因素分析

影響綜合管廊用能的因素有很多，包含地理位置、氣候、環(huán)境、設(shè)備老化、運維策略等。在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，我國南方綜合管廊較北方潮濕，需長期開啟風(fēng)機進行排濕，能耗占比大幅度上升，在北方某些綜合管廊可依靠天然地理位置，利用天然的自然通風(fēng)即可滿足排濕通風(fēng)，開啟風(fēng)機時間大大降低了，從而降低了動力用電。同時，在梅雨季節(jié)，管廊內(nèi)集水坑會增加積水，排水需求增加，造成不可避免的用能上升。因此，氣候與管廊所建的地理位置對管廊用能影響較大。

為保障地下綜合管廊的安全運行，各管廊屬地均會制定運維管理策略，在運維過程中，制定巡檢、維修、維護等入廊策略，每次入廊之前，為保障人員入廊的安全，需按規(guī)定開啟風(fēng)機，檢測廊內(nèi)環(huán)境，開啟廊內(nèi)照明，此過程會產(chǎn)生廊內(nèi)用能。通過對管廊能耗用能結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)挖掘分析并結(jié)合現(xiàn)場實際運維策略，制定具有針對性的精細化運維策略，以減少運維過程中產(chǎn)生的能耗。

（4）節(jié)能診斷方法選取

對綜合管廊的5大專項系統(tǒng)，包含照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控進行用能標(biāo)準(zhǔn)試驗分析，得出專項系統(tǒng)每月用能標(biāo)準(zhǔn)(涵蓋引導(dǎo)值、約束值)，在用能標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，結(jié)合管廊周邊環(huán)境、天氣、設(shè)備狀態(tài)、運維策略等影響因素綜合分析用能規(guī)律，通過系統(tǒng)診斷出此時段用能消耗情況。

節(jié)能診斷思路如下圖2所示，依托物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸，對數(shù)據(jù)進行加工、處理、存儲，運用算法智能分析廊內(nèi)能耗情況，給出能耗對比結(jié)論。節(jié)能診斷設(shè)計主要從以下3方面進行：

通過自動化工況運行模式產(chǎn)生的能耗與管廊用能標(biāo)準(zhǔn)進行智能對比，分析不同工況模式下能耗提升的原因；

通過分項系統(tǒng)能耗對比分析，比如照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等各系統(tǒng)下產(chǎn)生的能耗與管廊用能標(biāo)準(zhǔn)進行智能對比，定位用能提升歸屬的分項系統(tǒng)和區(qū)間；

通過分時段分區(qū)能耗對比分析，比如按天、按月總能耗與管廊用能標(biāo)準(zhǔn)進行智能對比趨勢分析，

并結(jié)合巡檢、維修、維護策略和設(shè)備運行狀態(tài)，定位用能提升是否存在異常。針對以上不同維度下用能消耗情況診斷，定位超出用能標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的影響因素，輸出診斷結(jié)果，并給出運維節(jié)能指導(dǎo)策略。

4系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

精細化節(jié)能診斷系統(tǒng)設(shè)計的總體目標(biāo)是：為更好的解決項目級運維人員對屬地管廊用能的把控以及公司級管理人員對所有管廊項目的用能整體監(jiān)管。通過以上系統(tǒng)功能邏輯分析，本系統(tǒng)設(shè)計包含能源看板、節(jié)能診斷、用能監(jiān)測、用能報表、工況模式、配置管理6個模塊。系統(tǒng)功能架構(gòu)如下圖3所示。

（1）公司級功能設(shè)計

公司級管理通過能耗看板模塊監(jiān)測所有管轄范圍內(nèi)管廊的用能消耗情況，通過多維度視角監(jiān)測各管廊項目用能消耗趨勢，包含各管廊項目能耗總覽、每月用能趨勢分析、各分項系統(tǒng)用能分析、單艙公里能耗分析、能耗指標(biāo)評價分析，通過多維度多視角可視化所有管廊項目用能情況。

（2）項目級功能設(shè)計

項目級管理通過節(jié)能診斷、用能監(jiān)測、用能報表、工況模式、配置管理模塊精細化管控管廊用能消耗情況。首先，在構(gòu)建系統(tǒng)之前，需通過無間斷的實時采集電力儀表能耗數(shù)據(jù)，并對能耗數(shù)據(jù)行加工處理，構(gòu)建能耗的大數(shù)據(jù)；其次，根據(jù)每個管廊建設(shè)特點研究各管廊用能標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建每個管廊每月用能的約束值和引導(dǎo)值，約束值意為約束管廊每月的用能值，引導(dǎo)值意為引導(dǎo)管廊每月節(jié)約用能達到的值；在能耗大數(shù)據(jù)以及用能標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，構(gòu)建節(jié)能診斷模塊，通過多維度視角診斷當(dāng)前用能情況。節(jié)能診斷作為本系統(tǒng)的核心模塊，主要分為工況模式節(jié)能診斷、總能耗節(jié)能診斷、分項系統(tǒng)節(jié)能診斷。工況模式節(jié)能診斷從按天、按月兩個維度分析管廊自動化執(zhí)行的工況模式所消耗的用能情況；分項系統(tǒng)節(jié)能診斷，從專項系統(tǒng)角度按天、按月診斷用能情況；總能耗節(jié)能診斷，從每天總能耗角度按天、按月診斷用能情況。

5AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

（1）平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數(shù)據(jù)支持，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強、使用單位多及協(xié)調(diào)復(fù)雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和設(shè)備的使用和恢復(fù)效率。

（2）平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

（3）平臺拓?fù)鋱D

、

（4）平臺子系統(tǒng)

電力監(jiān)控

電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。

環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預(yù)警，同時也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設(shè)備集成的三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

馬達監(jiān)控

馬達監(jiān)控實現(xiàn)對管廊電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，實現(xiàn)對電機過載、短路、缺相、漏電等異常情況的保護、監(jiān)測和報警。在需要的情況下可以設(shè)置聯(lián)動控制。

電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預(yù)警。

智能照明控制

防火分區(qū)單獨控制，分區(qū)內(nèi)設(shè)置智能控制面板就地驅(qū)動器；開關(guān)驅(qū)動器連接消防報警系統(tǒng)，接收消防報警信息，強制打開驅(qū)動器回路。

廊內(nèi)上方安裝智能照明傳感器，使人員進入管廊內(nèi)自動開啟燈具，在管廊內(nèi)停留燈具保持常亮，離開后燈具關(guān)閉。

除了現(xiàn)場的控制方式外，還可用電腦端實現(xiàn)集中控制，實時遠程監(jiān)控當(dāng)前區(qū)域的照明情況，必要時可遠程控制該區(qū)域的照明。

考慮現(xiàn)場模塊分布較廣，距離過長，除了現(xiàn)場的控制方式外，還可用電腦端實現(xiàn)集中控制，實時遠程監(jiān)控當(dāng)前區(qū)域的照明情況，必要時可遠程控制該區(qū)域的照明。系統(tǒng)支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，支持延時控制，避免同時亮燈負(fù)荷對配電系統(tǒng)造成沖擊。模塊不依賴系統(tǒng)，可獨立工作，每個模塊均自帶時間模塊，可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能。

6相關(guān)平臺部署硬件選型清單

（1）電力監(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

（2）智能照明系統(tǒng)

（3）電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

（4）消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)

（5）防火門監(jiān)控系統(tǒng)

（6）消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)

7結(jié)語

本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等方面詳細介紹了綜合管廊精細化能耗管理的關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用中精細化節(jié)能診斷系統(tǒng)。該精細化節(jié)能診斷系統(tǒng)基于現(xiàn)有的管廊智慧運維平臺開發(fā)基礎(chǔ)，采集大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用建立的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫、管廊能耗評價指標(biāo)體系，研發(fā)一套管廊精細化節(jié)能診斷系統(tǒng)，節(jié)約綜合管廊運維過程中的能耗，為運維管理人員提供決策支持、節(jié)能診斷和運行策略指導(dǎo)作用，實現(xiàn)對綜合管廊運行狀況的統(tǒng)一監(jiān)測、精細化管理，使業(yè)務(wù)處理更加方便高效，使綜合管廊的管理更加智能化。

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