基于电力载波通信技术的铁路站房电力管理系统设计

程书明

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200000）

1 引言

铁路站房是铁路运输体系中的重要构成部分，涵盖了旅游站房、货物仓库、技术作业用房等，用于为旅客与行包进出站提供简洁流畅的流线，为旅客候车创造舒适、方便的环境。站房电力工程对应站房建筑（包含地道、雨棚、天桥）的配套电力工程，包含站房建筑的低压电缆线路、动力、照明、防雷接地、机电设备监控系统、火灾自动报警系统等[1]。站房内大量的机电设施与电力设备长时间高负荷运行使得站房高能耗的特性日益凸显，在节能环保的社会发展理念下，利用传感器技术、电力载波通信技术对站房电力工程的电力能源使用情况、能耗数据、节能潜力等进行动态采集传输，实时掌握站房各电力设备设施的用电需求与用电情况，并利用自动控制技术合理调度与调控电力设备设施的工作状态，可以切实提高铁路站房电力管理的信息化与精细化水平，助力铁路站房科学用电、节能用电。

2 电力载波通信技术

电力载波通信技术是一种特殊的、高效的信号传输技术。其工作原理为，将数字信号转化为载波信号，在现实环境中，利用耦合装置在现有的电力线缆上加载载波信号，实现数字信号的电力传输；信号接收方对电力系统中的载波信号进行读取与解析，得到传输的数字信号。电力载波通信技术无须额外针对数据传输应用布设特定的通信线缆，而是依托现实环境中现有的强电电力线缆对数字信号或模拟信号加以传输，实现对现行通信线缆资源的高效利用，避免对现实环境的开挖与改造。电力载波通信技术具有如下优点。

1）降低通信改造成本。电力载波通信技术依托现有的电力线路而非重新敷设通信线路，有效节省了通信线路敷设费用以及既有建筑改造费用。

2）覆盖范围广。电力载波技术依托现行电力线缆进行信号传输，其覆盖范围与现行电力线缆覆盖范围一致，具有良好的硬件基础。

3）通信性能优。电力载波通信技术利用频分复用技术与差分相移键控调制技术等，实现数字信号或模拟信号的高质量传输，误码率低[2]。

4）电力管理水平高。电力载波技术在电力管理系统中的充分应用可以实现电网的实时自动监测以及电网故障预警与自动检测，通过数字信号高质量传输实现电网相关配套设备运行状态的远程控制，提高电力管理水平以及电网运行的健壮性与安全性。将电力载波通信技术应用到铁路站房电力管理中，充分运用站房内现有的电力线缆实现电力相关数据的传输与通信，有效支持站房电力管理的灵活组网与高效通信，降低站房电力管理系统投运的通信网络搭建与运维成本。

3 铁路站房电力管理系统设计

3.1 设计要求

3.1.1 铁路站房电力管理的难点

铁路站房相较于常规性的民用建筑而言，内部空间更为空旷，层高也更高，涉及的机电设备与电力设施更为庞杂，给站房电力管理带来诸多难点。

1）铁路站房建筑机电设备等种类复杂、规格多样。铁路站房作为旅客候车与行包进出的重要场所，人口分布密集度较高，为提高旅游出行的舒适度与便捷性，通常铁路站房会设置照明系统、空调系统、排风系统、给排水系统、采暖系统、电梯扶梯、广告屏幕、铁路行驶信息屏幕等机电设备设施，电力管理对象众多，标准规范各异。

2）机电设备设施空间分散。铁路站房层高高、占地面积大，空调设备、照明设备、给排水设备、广告大屏等分散在铁路站房各个方位，机电设备设施的空间离散性使得电力管理难度较大，设备运行状态、用电情况、节能潜力等的监测与分析存在诸多不便。

3）机电设备设施运行要求高。为了给旅游出行带来更加便捷与舒适的站房环境，铁路站房内的诸多机电设备设施需保持24 h 运行状态，机电设备设施的电力管理需保持全天候、全时段，确保各机电设备设施在长时间高负荷状态下安全、稳定用电运行，科学保证铁路站房的功能发挥。

3.1.2 铁路站房电力管理的目标

铁路站房电力管理旨在通过对站房内机电设备与电力设施等用电情况的实时监测与动态管理，推动站房电力精准、精细、高效管理。以用电监控为例，通过对站房内机电设备或电力设施的用电情况进行实时监测与高效传输，实现站房电力数据的准确采集，以及机电设备运行状态的科学反演。用电统计则可根据用电时间、用电分项、用电指标等进行分类统计，铁路站房管理人员能够更为科学地掌握站房机电设备的用电情况与变化特征。此外，铁路站房电力管理应在电力数据实时采集的基础上，高效关联机电设备用电情况与运行情况，实现机电设备能耗与节能潜力分析，合理调度铁路站房电力资源消耗，配合机电设备监控系统等，提高铁路站房电力资源管理的节能化水平。

综上，对铁路站房电力管理系统进行科学设计与建设，实时掌握站房各电力设备设施的用电需求与用电情况，合理调度与调控电力设备设施的工作状态，可以切实提高铁路站房电力管理的信息化与精细化水平，助力铁路站房科学用电、节能用电。

3.2 体系架构设计

铁路站房电力管理系统的体系架构包括系统应用层、网络通信层与数据采集层3 个部分，具体如下。

3.2.1 系统应用层

系统应用层对网络通信层传输的载波信号进行解耦与解析，获得站房内机电设备电力数据并进行科学存储、组织与管理。系统应用层高度集成数据查询、数据统计、数据分析等功能模块，通过上述功能模块实现对站房内机电设备电力数据的查询、统计、分析、预测与节能调控。例如，在系统应用层中动态显示站房内离散分布的各机电设备用电情况、运行状态，利用统计分析模块精确统计不同分项、不同指标下的电力数据，生成铁路站房内电力消耗报表，根据机电设备历史用电数据与实时电力数据，科学研判机电设备的运行状态与故障情况。

3.2.2 网络通信层

网络通信层是将数据采集层采集到的站房内机电设备电力数据向系统应用层高效传输，以便系统应用层对电力数据进行统计分析。铁路站房电力管理系统可利用站房内已有的电力线缆与电力载波通信技术，实现数据采集层中集中器读取数据向系统应用层的传输。

3.2.3 数据采集层

数据采集层为铁路站房机电设备电力数据采集层，其基本硬件构成包括智能采集器、集中器等，用于对站房内机电设备的用电情况进行实时采集。其中，智能采集器与具体的机电设备相连接，利用集中器对所有智能采集器的数据进行快速读取与耦合处理，实现电力数据高效耦合与传输。集中器对智能采集器中数据的读取即采用电力载波通信技术，依托铁路站房内现有的电力线缆，将智能采集器中实时获取的站内机电设备电力数据加载到电力线缆上并传输至集中器中。

3.3 主站系统设计

铁路站房的电力管理系统主站大多设置在消防控制室内，用于动态监控电力能源消耗状况。主站系统通常包括服务器、报警装置、工作站、不间断电源等硬件设备设施。（1）工作站用于直观可视化地展示铁路站房内各机电设备或电力设施的用电情况，动态反演设备设施的工作状态与运行情况。（2）服务器用于对数据采集层与网络通信层传输并存储管理的电力数据进行统计、分析与应用，如机电设备历史用电数据分析、机电设备用电异常检测、站房各工作间用电情况统计等。（3）报警装置用于对系统实时监控与自动检测出的机电设备用电异常情况进行预测预警，如机电设备用电数据监测异常时，主站系统的报警装置自动警示，及时提醒电力管理系统的监控人员相关异常或故障，以便其采取应急预案，降低机电设备故障带来的负面影响[3]。

3.4 传输系统设计

传输系统对应着铁路站房电力管理系统的网络通信层，用于将数据采集层中采集的数据传输至系统应用层并进行统计与分析。集中器读取与汇总的机电设备电力相关数据经电力线缆进行传输，传输系统可沿用铁路站房已有的电力线路，无须针对机电设备管理与电力数据传输架设专门的通信网络。

3.5 采集系统设计

采集系统对应着铁路站房电力管理系统的数据采集层，主要包括智能采集器、集中器等硬件装置。电力数据采集以分项采集为主，即根据电力工程的类别与特性分项采集机电设备的用电数据。对于铁路客站动力照明供电系统而言，配电原则一般按照候车厅、售票厅、出站通道、站台、办公区及设备区等进行划分。因此，对于需要采集的电力数据，应根据各个区域按照照明与插座用电、采暖空调用电、动力用电、特殊用电、商业用电等分别采集。通过在候车厅配电箱内设置智能采集器，根据候车厅照明系统的进线回路与智能采集器的连接实现候车厅照明系统用电能耗数据的采集，再利用集中器与电力载波通信技术对分散在站房各区域的智能采集器采集用电数据，并进行汇总与传输，将所有电力数据传输至电力管理系统主站中，进行进一步分析应用。与传统的电力管理系统不同的是，基于电力载波的电力管理系统利用变压器至配电箱的既有电力线缆，采用电力载波进行通信，无须搭建额外的通信路径。同时根据站房内配电箱集中设置于配电间的特点，放置于同一配电间的配电箱可集中设置一处智能采集器，统一获取位于同一配电间的配电箱能耗数据，并上传至变压器内电力管理终端，最终汇总于铁路站房电力管理主机。

3.6 铁路站房电力管理系统设计注意事项

电力载波通信技术传输质量高、误码率低，在铁路站房电力管理系统中具有较为广泛的应用前景，在具体设计时应当重点关注如下问题：（1）采集器应分散布置，减少因部分采集器故障引起的数据采集不全面的情况；（2）系统软件实现应从底层软件设计角度考虑，尽量将同一设备的控制点位和与其相对应的数据采集点位安排在同一点上，减少网络变量在传输网上的传输量，减少不必要的通信信息丢失，提高传输的可靠性，同时也可以简化系统程序设计的复杂性；（3）因载波信号无法穿越变压器，故应在每台变压器低压总出线侧设置1 个集中器。

3.7 电力载波通信技术在站房电力管理系统中的应用优势分析

将电力载波通信技术应用到铁路站房电力管理系统中，依托电力载波通信技术的低成本、覆盖范围广、通信性能优等优点，充分运用站房内现有的电力线缆实现电力相关数据的传输与通信，可以有效支持站房电力管理的灵活组网与高效通信，节省通信线路敷设费用以及既有建筑改造费用。同时，电力载波技术在铁路站房电力管理系统中的充分应用，可以通过数字信号高质量传输，实现电网相关配套设备运行状态的远程控制，提高铁路站房的电力管理水平，以及铁路站房电网运行的健壮性与安全性。

4 结语

电力载波通信技术具有覆盖范围广、应用成本低、通信性能优等特点。针对设备种类繁多、空间分布离散、运行可靠性与安全性要求较高的铁路站房各机电设备与电气设备，将电力载波通信技术应用到铁路站房电力管理中，充分运用站房内现有的电力线缆实现电力相关数据的传输与通信，有效支持站房电力管理的灵活组网与高效通信。在铁路站房电力管理系统设计时，应充分考虑数据采集的全面性以及数据传输的可靠性，通过科学分层，合理设计主站系统、传输系统与数据采集系统，切实保证信号传输性能，降低站房电力管理系统投运的通信网络搭建与运维成本。