鐵路車站能源管理系統集成方案設計

張妍君，趙 耀

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

1 概述

國內社會經濟的發展和資源環境壓力增加，節能減排的要求日益提高。鐵路車站面積增長、功能越來越復雜、室內環境要求提升，車站耗能量日益增加，面臨著較大的節能降耗壓力。目前常規的規劃設計大多無能源管理相關功能或僅停留在能耗監測層面，不能有效提升車站用能效率，節能減排工作較難推進[1-3]。

近年來的新建鐵路車站通常設置多個與能源管理或設備控制相關的系統，例如大型車站通常設有能耗監測系統，用于電能的分區分項統計管理；一般車站設置機電設備監控系統（BAS），實現對車站通風空調、給排水、電梯等設備進行監控[4]；另外還設置有智能照明系統[5]、冷凍站集中節能控制系統[6]等。能源管理系統如何集成上述系統、建立統一的能源管理平臺、實現資源充分共享、建立科學的能耗分析體系和智能控制算法以實現主動節能，成為亟待解決的問題。

2 功能需求分析

為實現鐵路車站高效、智能化的能源管理目標，對能源管理系統的具體要求如下。

1）采集耗能設備數據

目前能耗監測系統對能耗數據的分區、分項計量細分度不夠，需建立更科學的能耗分析體系。能源管理系統需推行全面能源計量、根據節能管理需求確定能源計量深度，滿足精細化管理的要求。

2）采集環境參數

在節能的同時需考慮對環境舒適度的影響，為此需設置車站環境的檢測手段，為節能控制提供依據。主要包括利用各類傳感器對光照度、溫濕度、PM2.5 濃度、CO2濃度、CO 濃度等各類環境信息進行采集。

3）統一管理平臺

通過將收集到的計量數據和環境參數納入統一管理平臺，建立設備間邏輯關系，具備統一節能管控、統一呈現數據能力。

4）智能的節能算法

通過采用智能算法對設備數據、環境數據的存儲、處理、分析，給出機電設備的節能控制決策。

5）多種控制方式

在具備條件的情況下，系統自動控制相關的機電設備按照節能方式運行；不具備條件的情況下，系統為節能管理人員提供機電設備運行模式，人工對機電設備運行模式進行調整。

3 能耗指標與計量系統設計

3.1 能耗模型與指標設計

3.1.1 能耗模型設計

根據管理需要，建立客站統一的能耗模型，通過網絡接口采集各項目能源管理系統數據，通過系統的數據分析功能，進行各項目能耗、能效數據橫向比較，以實現對各站實際運行能耗與能效的監控和精益管理。

首先，需建立能耗分類模型，例如：電、水、氣、熱等分類；其次，可以對上述分類模型進行細化，建立分項模型，例如對于車站而言，根據主要耗電設備類型進行分類的模型如表1 所示。

表1 車站能耗模型Tab.1 Energy consumption model of railway station

3.1.2 能耗指標設計

能耗KPI 指標設置主要基于對比、分析和考核，因此可使用單位面積能耗、單位旅客人次能耗等作為KPI，通過與歷史時間對比，形成考核KPI。如表2 所示。

表2 車站能耗指標類型Tab.2 Energy consumption index type of railway station

3.2 計量系統設計

根據上述能耗模型與指標體系確定所需采集的耗能設備數據，進行計量系統設計。

1）電能耗采樣位置

a.變電所總表、各饋線。

b.以區域劃分為準，在現場末端配電箱按照明、冷/熱源單元、冷/熱媒輸配單元、空調系統末端設備、空調機組、冷卻塔、水泵、風機（盤管）、扶梯、直梯、客服機房、大顯示屏、通信信號機房、消防設備、辦公、公安值班、廣告用電、商鋪總配商業、充電樁等分項采樣。

2）水能耗采樣位置

a.水源總表。

b.以區域劃分位置和用水單位、系統為基準，在各機房、各衛生間、各商鋪等分支節點設置計量表計。

3）熱力能耗采樣位置

a.熱源總表。

b.以區域劃分位置和熱源利用單位、系統為基準，在各機房、各分支節點設置計量表計。

4 系統總體架構

根據上文的功能需求分析，能源管理系統功能主要包括能耗數據采集、能源管理分析、自動節能控制和設備管理功能。對應的系統架構應包括設備層、物聯網層、能源大數據層、人工智能層、運營管理層和系統應用層[7-8]。

設備層能源管理的基礎和主要對象，包括各類耗能設備、計量表計、環境監測傳感器。

物聯網層負責設備層機電設備運行參數、計量表計參數、傳感器參數的采集，主要包括數據采集主機、設備控制柜等。

能源大數據層包括能源大數據平臺，負責將物聯網層采集到的數據納入管理平臺進行統一大數據分析及處理。

人工智能層進行能源數據分析，并通過各類模型的建立和優化算法，為節能控制操作方案。

運營管理層將能源分析數據提供給應用層，并利用人工智能層的相關算法，遠程控制設備層的相關設備。

系統應用層主要負責應用交互，比如將統計數據通過多種手段呈現給運營管理人員，輔助管理者進行決策、獲取管理命令及偏好等。系統總體架構如圖1 所示。

圖1 能源管理系統總統架構Fig.1 Overall architecture of energy management system

5 系統集成方案設計

5.1 相關系統介紹

目前車站與能源管理相關的系統主要包括既有的能耗監測系統、BAS 系統、智能照明系統以及冷凍站集控系統等。

5.1.1 能耗監測系統

能耗監測系統的功能是計量統計，系統監測車站智能儀表能耗數據，通過對能耗數據的深入挖掘分析來評估各用能單位或區域的能效級別，及時發現用能問題，制定節能整改措施并通過系統核算節能效果和投資回報周期。

能耗監測系統通過通訊管理機采集項目現場所有的多功能電力儀表、分布式多回路電力測量儀表、水表、能量表和燃氣表數據。

5.1.2 BAS系統

BAS 系統采用集中管理、分散控制的系統架構，BAS 系統的控制中心配有工作站、中心的服務器等中心設備，在各被控設備附近設置控制箱及控制器。

BAS 系統監控對象主要包括建筑物內的冷凍系統、空調及通風系統（新風機及電動風閥、空調機、送/排風機系統）、電梯系統、給排水系統、UPS系統等；在主要功能區設置溫/濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器，實現濃度超標報警，并啟動相關的排風設備。

5.1.3 智能照明系統

智能照明系統由操作站、現場控制器、各類傳感器、可編程現場控制面板、功能模塊、通信網絡和應用軟件等構成。通過在總線上傳輸通信數據包，可對每一個智能照明系統設備進行獨立控制。

5.1.4 冷凍系統節能控制系統

冷凍系統節能控制系統能夠實現參數檢測、參數與設備狀態顯示、自動調節與節能控制、工況自動轉換、設備聯鎖與自動保護、能量計量以及中央監控與管理等功能。冷凍站集控系統可與BAS 系統設通信接口，實現遠程控制與信息共享。

5.1.5 小結

上述各系統在能源管理方面具備一定的功能：能耗監測系統對智能儀表數據進行采集和分析；BAS系統在重點功能區設置有溫/濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器，并對通風空調、給排水、電梯等設備進行監控；智能照明系統對照明設備進行監控；冷凍站集控系統能夠根據自身節能策略，實現節能控制。

5.2 集成方案

5.2.1 集成系統實現方式

能源管理系統的數據主要來源于能耗監測系統和環境監測數據。根據能耗指標設計科學的計量體系，接收智能水表、智能電表等的測量數據，結合當時監測到的環境數據，利用設計好的節能策略和智能算法，通過向物聯網平臺下發指令達到對暖通設備、給排水設備、智能照明設備、電梯設備的遠程控制，實現節能目的。集成系統數據傳輸方式如圖2 所示。

圖2 數據傳輸示意Fig.2 Data transmission diagram

5.2.2 集成方案設計

根據上述實現方式，需考慮對車站能耗監測系統、BAS 系統、智能照明系統、冷凍站集控系統的集成。具體集成方案的系統架構如圖3 所示。

圖3 集成方案示意Fig.3 Integration scheme diagram

1）統一平臺

設置統一能源管理平臺，該平臺主要包括系統總體架構中能源大數據層、人工智能層和運營管理層的功能，主要設備由各類數據庫服務器、應用服務器、存儲設備、通信服務器和操作等組成，平臺安裝主控軟件，集成系統全部功能選項。實現能耗查詢、用能管理、能耗分項統計、指標統計分析、用能預警/報警、節能診斷分析、節能策略分析和電能質量分析等功能。

2）增加末端設備

能源設備層在BAS 監控設備、能源管理層表計、BAS 環境采集傳感器的基礎上，根據指標體系確定的采集系統設計和節能策略對被控設備以及設備管理功能的要求，增加對相應設備的監控接口、增加表計和傳感器（如圖3 所示）：一方面需補充對所需機電設備的監控，提升BAS 功能。另一方面在設備末端加裝智能表計，以實現分系統分類計量；此外還需在車站公共區域、辦公區等處增加各類傳感器，滿足環境數據的監測需求。

3）既有BAS 系統

車站既有BAS 系統集成到能源管理平臺，采集設備狀態信息，由平臺統一進行設備狀態管理，并根據能源管理平臺相關策略實現聯動控制機電設備。集成后，平臺可實現傳統機電設備監控系統全部功能，將原有BAS 的功能全部納入到上層應用中，底層的設備和系統接入到物聯網層，上層應用通過物聯網平臺完成信息采集和控制。

4）既有能耗監測系統

集成到能源管理平臺，共享其采集到的數據，包括既有的多功能電力儀表、分布式多回路電力測量儀表、水表、能量表和燃氣表的數據。

5）既有智能照明系統

智能照明系統對照明控制進行專項設置與控制，將其集成到能源管理平臺，由能源管理系統主控軟件實現全部照明控制功能。

6）既有冷凍站集控系統

冷凍站系統通常與BAS 設置接口，接口主要包括：冷水機組及其輔助設備聯鎖啟停控制、冷水機組、冷水泵等設備的運行/停止/故障狀態、電動閥門的配電及控制、冷水溫度、壓力、流量、冷量、冷卻水溫度等顯示、冷水機組程序啟停及運行臺數控制、冷卻塔風機運行臺數控制等。集控系統可通過BAS 系統集成到能源管理平臺上，集成后平臺可實現上述控制功能和信息共享，平臺在既有集控系統節能控制策略基礎上，結合平臺數據進一步優化策略，提升系統功能。

6 總結

對車站能源管理系統進行方案設計時，需考慮對能耗監測、BAS、智能照明等系統的集成。本文研究了能源管理系統的功能、能耗指標體系和總體架構，并根據總架構進行了集成方案的設計，對集成平臺功能規劃、末端計量采集系統設置方案以及車站現有相關系統的集成方案等內容進行了深入分析。本文研究內容為后續鐵路車站能源管理系統的實施提供了方案支撐，具有良好的指導意義。