浅聊综合管廊精细化节能系统设计与实施

摘要：当前综合管廊对能耗的监控存在不足，主要停留在对电表的实时监测和用电量的统计，节能手段主要依据管理制度和经验利用人工控制调整用电结构。本文基于现有综合管廊智慧运维平台开发的基础，采集了大量的基础数据，利用建立的能耗统计数据库、管廊能耗评价指标体系，研发一套管廊精细化节能诊断系统，主要目标是实现对综合管廊能耗精细化分析，节约地下综合管廊运维过程中的能耗，为运维管理人员提供决策支持、节能诊断和运行策略指导作用。关键词：综合管廊；精细化；节能诊断0引言综合管廊是集成城市综合承载能力及维护保障能力的重要基础设施[1-3]，对于城市规划与管理及城市地下空间治理具有重要的意义。当前综合管廊实现了物理空间上管廊监管、管线资源配置、多类数据集成等方面问题，实现综合管廊的监测、控制、管理的一体化。我国综合管廊仍处于初级发展阶段，综合管廊信息化水平也欠发达，在开展信息化工作过程中面临诸多问题。综合管廊的监控警报系统和数据监测是保障综合管廊安全稳定运行的重要系统[5]。常规的监控报警系统在节能降耗等方面不能满足管廊精细化管理的需求[6].韩会山等[7]针对地下管廊监测方案综合分析了不同工况下管廊能耗的各项参数变化规律，总结了地下管廊的监测要点。丁松等[8]针对综合管廊内部公共环境监测的实时性、准确性不够的问题，设计了一种基于NB-IoT无线传输技术的可视化、智慧化监控系统，可以实现通过Web页面和手机APP的实时环境参数监测。周如意等[6]对地下综合管廊的监控与警报系统进行研发和设计，对综合管廊内部各种环境参数的有效监测。欧阳康淼等[9]对综合管廊用能现状与节能潜力分析，对某管廊用电水平进行测试，全长7.87km的管廊，月平均用电在7.8万kW·h(数据来源于2020年7月-12月)[10]，以此简单推算，单舱公里月平均用电估计1万kW·h，结合当前地下综合管廊建设的总里程，每年地下综合管廊的用电费用是一笔不小的数目。国内综合管廊监测系统大致处于基础监测与数据收集统计，节能手段多以管理制度和经验进行人工控制用电结构，整体管廊能耗监测管理水平相对落后。本文基于现有综合管廊智慧运维平台开发的基础，采集了大量的基础数据，利用建立的能耗统计数据库、管廊能耗评价指标体系，研发一套管廊精细化节能诊断系统，主要目标是实现管廊能耗精细化管理，节约地下综合管廊运维过程中的能耗，为运维管理人员提供决策支持、节能诊断和运行策略指导作用。1现状分析当前国内城市地下综合管廊的建设采取投资和多渠道融资相结合的方式，鼓励社会资本投资城市地下综合管廊的建设、运营和管理，运营阶段在不同城市采取不同的管理方式，由牵头或者委托具有市政公用工程专业监理资质的专业机构运营管理。当前北京地下综合管廊建设分属在城市不同地区，可由不同企业管理，因此形成项目级、公司级、城市级三级管理模式格局[10]。本系统适用于项目级和公司级管理。管廊精细化节能诊断系统定位是为综合管廊项目级运维管理层人员提供精细化的能耗指标评价分析和运行策略控制，为公司级管理人员提供用能监管策略。通过当前智能化综合管廊的建设以及对能耗结构的研究，将综合管廊能耗结构划分为照明系统、动力系统、消防系统、弱电系统、监控系统，监测用能设备运行状态，挖掘节能潜力，形成节能诊断系统，为项目级和公司级管理人员提供节能策略。2系统设计方法综合管廊的监测与设计符合基本原则]，实现各项设计原则的相统一：（1）针对性与实用性：能耗监测内容不求多而全，但求有良好的经济实用性、针对性强，以较少的投资为监管人员尽可能多的反应问题与了解问题。（2）可靠性：监测系统具有性，采用监测设备与监测技术，以便实现监测功能，确保实现监测系统预期目标；在满足前提下选择可靠的硬件产品和软件技术，不片面追求仪器设备。（3）可操作性与易维护性：监测系统设计合理，操作便捷，界面友好，便于管理，易于故障检查和日常维护，仪器设备易于维修更换，以保证监测系统性能长期稳定可靠。（4）完整性与可扩展性：系统的监测内容具有完整性，监测控制过程逻辑严密，功能相对齐全，功能模块之间独立的基础上又要相关联，以避免故障导致联动影响；同时监测系统又是开放的，可根据变更的需求及时扩展或进行功能升级。管廊精细化节能诊断系统依据系统设计基本原则进行设计，自下而上分为采集层、接入层、存储层、应用层。采用MOTBAS、TCP/IP等协议接入终端感知数据，经过加工处理分类存储建立数据，应用层基于业务需求，形成可视化功能模块，包含能源看板、节能诊断、用能监测、用能报表、工况模式、配置管理功能，见图1。3系统功能设计逻辑构建精细化节能诊断系统的设计思路：通过对当前地下综合管廊用能结构分析、用能标准进行实验测量、综合管廊用能的影响因素分析以及综合管廊节能诊断的方法研究，实时输出诊断结果。（1）综合管廊用能结构分析为了实现对地下综合管廊内敷设的电力、通信、给排水、燃气、热力等管道和线缆的智能监管，同时为保障在地下有限空间内的安全作业以及远程监控，在地下综合管廊安装照明、水泵、风机、消防、摄像头、温湿度传感、有害气体检测、通信等智能终端设备，保障综合管廊安全高效运行。地下综合管廊依据国标要求建立防火分区，同时依据管廊敷设的管道和线缆特性设计相应的舱室，如电力舱、燃气舱、热力舱、综合舱，针对各舱室每个防火分区敷设智能终端设备，用以实现对综合管廊智慧化管理、智能化控制，因此产生大量的智能终端设备，通过对设备功耗特性和用途将用能结构分类如下：（2）用能标准实验分析法管廊的实际能耗特点与公共建筑差别很大，除了监控用能会受到季节变化影响外，管廊内部主要设备(弱电、消防、照明)用能基本不受其它因素影响，因此公共建筑中常用的多元线性回归、建筑能耗模拟等方法并不适用于管廊，采用统计学中的定额水平法来确定管廊能耗指标，通过非供暖季综合管廊日能耗区间分布确定每个管廊标准能耗，包含引导值和约束值，以发生频次较高的算术平均能耗作为管廊能耗约束值，以发生频次较少的用能算术平均值作为管廊能耗引导值。用能标准的计算在本系统建设中至关重要，是作为后续节能诊断的基础和依据。（3）综合管廊用能影响因素分析影响综合管廊用能的因素有很多，包含地理位置、气候、环境、设备老化、运维策略等。在调研过程中发现，我国南方综合管廊较北方潮湿，需长期开启风机进行排湿，能耗占比大幅度上升，在北方某些综合管廊可依靠天然地理位置，利用天然的自然通风即可满足排湿通风，开启风机时间大大降低了，从而降低了动力用电。同时，在梅雨季节，管廊内集水坑会增加积水，排水需求增加，造成不可避免的用能上升。因此，气候与管廊所建的地理位置对管廊用能影响较大。为保障地下综合管廊的安全运行，各管廊属地均会制定运维管理策略，在运维过程中，制定巡检、维修、维护等入廊策略，每次入廊之前，为保障人员入廊的安全，需按规定开启风机，检测廊内环境，开启廊内照明，此过程会产生廊内用能。通过对管廊能耗用能结构的数据挖掘分析并结合现场实际运维策略，制定具有针对性的精细化运维策略，以减少运维过程中产生的能耗。（4）节能诊断方法选取对综合管廊的5大专项系统，包含照明系统、动力系统、弱电系统、消防系统、监控进行用能标准试验分析，得出专项系统每月用能标准(涵盖引导值、约束值)，在用能标准基础上，结合管廊周边环境、天气、设备状态、运维策略等影响因素综合分析用能规律，通过系统诊断出此时段用能消耗情况。节能诊断思路如下图2所示，依托物联网终端数据采集、数据传输，对数据进行加工、处理、存储，运用算法智能分析廊内能耗情况，给出能耗对比结论。节能诊断设计主要从以下3方面进行：通过自动化工况运行模式产生的能耗与管廊用能标准进行智能对比，分析不同工况模式下能耗提升的原因；通过分项系统能耗对比分析，比如照明系统、动力系统、弱电系统、消防系统等各系统下产生的能耗与管廊用能标准进行智能对比，定位用能提升归属的分项系统和区间；通过分时段分区能耗对比分析，比如按天、按月总能耗与管廊用能标准进行智能对比趋势分析，并结合巡检、维修、维护策略和设备运行状态，定位用能提升是否存在异常。针对以上不同维度下用能消耗情况诊断，定位超出用能标准产生的影响因素，输出诊断结果，并给出运维节能指导策略。4系统架构设计精细化节能诊断系统设计的总体目标是：为更好的解决项目级运维人员对属地管廊用能的把控以及公司级管理人员对所有管廊项目的用能整体监管。通过以上系统功能逻辑分析，本系统设计包含能源看板、节能诊断、用能监测、用能报表、工况模式、配置管理6个模块。系统功能架构如下图3所示。（1）公司级功能设计公司级管理通过能耗看板模块监测所有管辖范围内管廊的用能消耗情况，通过多维度视角监测各管廊项目用能消耗趋势，包含各管廊项目能耗总览、每月用能趋势分析、各分项系统用能分析、单舱公里能耗分析、能耗指标评价分析，通过多维度多视角可视化所有管廊项目用能情况。（2）项目级功能设计项目级管理通过节能诊断、用能监测、用能报表、工况模式、配置管理模块精细化管控管廊用能消耗情况。首先，在构建系统之前，需通过无间断的实时采集电力仪表能耗数据，并对能耗数据行加工处理，构建能耗的大数据；其次，根据每个管廊建设特点研究各管廊用能标准，构建每个管廊每月用能的约束值和引导值，约束值意为约束管廊每月的用能值，引导值意为引导管廊每月节约用能达到的值；在能耗大数据以及用能标准基础上，构建节能诊断模块，通过多维度视角诊断当前用能情况。节能诊断作为本系统的核心模块，主要分为工况模式节能诊断、总能耗节能诊断、分项系统节能诊断。工况模式节能诊断从按天、按月两个维度分析管廊自动化执行的工况模式所消耗的用能情况；分项系统节能诊断，从专项系统角度按天、按月诊断用能情况；总能耗节能诊断，从每天总能耗角度按天、按月诊断用能情况。5AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台（1）平台概述AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台集电力监控、能源管理、电气安全、照明控制、环境监测于一体，为建立可靠、安全、高效的综合管廊管理体系提供数据支持，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了综合管廊在管理过程中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大大提高了系统运行的可靠性和可管理性，提升了管廊基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。（2）平台组成安科瑞城市地下综合管廊能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所环境监控系统、智能马达监控系统、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对管廊用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足管廊用电可靠、安全、稳定、高效、有序的要求。（3）平台拓扑图、（4）平台子系统电力监控电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。环境监测环境监测包括温湿度、烟感温感、积水浸水、可燃气体浓度、门禁、视频、空调、消防数据的采集、展示和预警，同时也可接入管廊舱室内的水泵和通风排烟风机等设备集成的三方系统完成管廊环境综合监控。马达监控马达监控实现对管廊电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，实现对电机过载、短路、缺相、漏电等异常情况的保护、监测和报警。在需要的情况下可以设置联动控制。电气安全AcrelEMS-UT能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。智能照明控制防火分区单独控制，分区内设置智能控制面板就地驱动器；开关驱动器连接消防报警系统，接收消防报警信息，强制打开驱动器回路。廊内上方安装智能照明传感器，使人员进入管廊内自动开启灯具，在管廊内停留灯具保持常亮，离开后灯具关闭。除了现场的控制方式外，还可用电脑端实现集中控制，实时远程监控当前区域的照明情况，必要时可远程控制该区域的照明。考虑现场模块分布较广，距离过长，除了现场的控制方式外，还可用电脑端实现集中控制，实时远程监控当前区域的照明情况，必要时可远程控制该区域的照明。系统支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，支持延时控制，避免同时亮灯负荷对配电系统造成冲击。模块不依赖系统，可独立工作，每个模块均自带时间模块，可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能。6相关平台部署硬件选型清单（1）电力监控及配电室环境监控系统应用场合（10KV）产品型号功能10KV进/馈线AM6-L相间电流速断保护，相间限时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。10/0.4KV变压器AML-S分合闸位置、手车工作/试验位置、接地刀闸位置、硬接点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、超温报警、过温报警、装置告警、PT断线、CT断线、对时异常等)、遥控开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、跳闸、故障电流电压)等。智能操控装置ASD500一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温。10KV计量PZ72L-E4/UT该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。具有许昌开普研究院有限公司、继电保护及自动化设备质量监督检验检测合格的型式检验报告证书和电磁兼容检验证书，产品防护等级均达到IP65，符合管廊综合监控系统中对相关产品功能、防护等级及电磁兼容的要求。应用场合（0.4KV）产品型号功能0.4KV进/出线PZ72L-E4/UT该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。具有许昌开普研究院有限公司、继电保护及自动化设备质量监督检验检测合格的型式检验报告证书和电磁兼容检验证书，产品防护等级均达到IP65，符合管廊综合监控系统中对相关产品功能、防护等级及电磁兼容的要求。无功补偿ARC测量I、U、Hz、cosΦ，具备过电压保护、欠流锁定、电网谐波过大保护功能,可控制电容器的投切，RS485/Modbus协议ANSVCANSVC低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中，能根据电网中负载功率因数的变化通过控制器控制电力电容器投切进行补偿,无功功率补偿装置采用散件组成方案，主要以电容电抗、投切开关、控制器等组成。ANSVG补偿方式:线性补偿，全响应时间