铁路车站能源管理系统集成方案设计

张妍君，赵 耀

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

1 概述

国内社会经济的发展和资源环境压力增加，节能减排的要求日益提高。铁路车站面积增长、功能越来越复杂、室内环境要求提升，车站耗能量日益增加，面临着较大的节能降耗压力。目前常规的规划设计大多无能源管理相关功能或仅停留在能耗监测层面，不能有效提升车站用能效率，节能减排工作较难推进[1-3]。

近年来的新建铁路车站通常设置多个与能源管理或设备控制相关的系统，例如大型车站通常设有能耗监测系统，用于电能的分区分项统计管理；一般车站设置机电设备监控系统（BAS），实现对车站通风空调、给排水、电梯等设备进行监控[4]；另外还设置有智能照明系统[5]、冷冻站集中节能控制系统[6]等。能源管理系统如何集成上述系统、建立统一的能源管理平台、实现资源充分共享、建立科学的能耗分析体系和智能控制算法以实现主动节能，成为亟待解决的问题。

2 功能需求分析

为实现铁路车站高效、智能化的能源管理目标，对能源管理系统的具体要求如下。

1）采集耗能设备数据

目前能耗监测系统对能耗数据的分区、分项计量细分度不够，需建立更科学的能耗分析体系。能源管理系统需推行全面能源计量、根据节能管理需求确定能源计量深度，满足精细化管理的要求。

2）采集环境参数

在节能的同时需考虑对环境舒适度的影响，为此需设置车站环境的检测手段，为节能控制提供依据。主要包括利用各类传感器对光照度、温湿度、PM2.5 浓度、CO2浓度、CO 浓度等各类环境信息进行采集。

3）统一管理平台

通过将收集到的计量数据和环境参数纳入统一管理平台，建立设备间逻辑关系，具备统一节能管控、统一呈现数据能力。

4）智能的节能算法

通过采用智能算法对设备数据、环境数据的存储、处理、分析，给出机电设备的节能控制决策。

5）多种控制方式

在具备条件的情况下，系统自动控制相关的机电设备按照节能方式运行；不具备条件的情况下，系统为节能管理人员提供机电设备运行模式，人工对机电设备运行模式进行调整。

3 能耗指标与计量系统设计

3.1 能耗模型与指标设计

3.1.1 能耗模型设计

根据管理需要，建立客站统一的能耗模型，通过网络接口采集各项目能源管理系统数据，通过系统的数据分析功能，进行各项目能耗、能效数据横向比较，以实现对各站实际运行能耗与能效的监控和精益管理。

首先，需建立能耗分类模型，例如：电、水、气、热等分类；其次，可以对上述分类模型进行细化，建立分项模型，例如对于车站而言，根据主要耗电设备类型进行分类的模型如表1 所示。

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

3.1.2 能耗指标设计

能耗KPI 指标设置主要基于对比、分析和考核，因此可使用单位面积能耗、单位旅客人次能耗等作为KPI，通过与历史时间对比，形成考核KPI。如表2 所示。

表2 车站能耗指标类型Tab.2 Energy consumption index type of railway station

3.2 计量系统设计

根据上述能耗模型与指标体系确定所需采集的耗能设备数据，进行计量系统设计。

1）电能耗采样位置

a.变电所总表、各馈线。

b.以区域划分为准，在现场末端配电箱按照明、冷/热源单元、冷/热媒输配单元、空调系统末端设备、空调机组、冷却塔、水泵、风机（盘管）、扶梯、直梯、客服机房、大显示屏、通信信号机房、消防设备、办公、公安值班、广告用电、商铺总配商业、充电桩等分项采样。

2）水能耗采样位置

a.水源总表。

b.以区域划分位置和用水单位、系统为基准，在各机房、各卫生间、各商铺等分支节点设置计量表计。

3）热力能耗采样位置

a.热源总表。

b.以区域划分位置和热源利用单位、系统为基准，在各机房、各分支节点设置计量表计。

4 系统总体架构

根据上文的功能需求分析，能源管理系统功能主要包括能耗数据采集、能源管理分析、自动节能控制和设备管理功能。对应的系统架构应包括设备层、物联网层、能源大数据层、人工智能层、运营管理层和系统应用层[7-8]。

设备层能源管理的基础和主要对象，包括各类耗能设备、计量表计、环境监测传感器。

物联网层负责设备层机电设备运行参数、计量表计参数、传感器参数的采集，主要包括数据采集主机、设备控制柜等。

能源大数据层包括能源大数据平台，负责将物联网层采集到的数据纳入管理平台进行统一大数据分析及处理。

人工智能层进行能源数据分析，并通过各类模型的建立和优化算法，为节能控制操作方案。

运营管理层将能源分析数据提供给应用层，并利用人工智能层的相关算法，远程控制设备层的相关设备。

系统应用层主要负责应用交互，比如将统计数据通过多种手段呈现给运营管理人员，辅助管理者进行决策、获取管理命令及偏好等。系统总体架构如图1 所示。

图1 能源管理系统总统架构Fig.1 Overall architecture of energy management system

5 系统集成方案设计

5.1 相关系统介绍

目前车站与能源管理相关的系统主要包括既有的能耗监测系统、BAS 系统、智能照明系统以及冷冻站集控系统等。

5.1.1 能耗监测系统

能耗监测系统的功能是计量统计，系统监测车站智能仪表能耗数据，通过对能耗数据的深入挖掘分析来评估各用能单位或区域的能效级别，及时发现用能问题，制定节能整改措施并通过系统核算节能效果和投资回报周期。

能耗监测系统通过通讯管理机采集项目现场所有的多功能电力仪表、分布式多回路电力测量仪表、水表、能量表和燃气表数据。

5.1.2 BAS系统

BAS 系统采用集中管理、分散控制的系统架构，BAS 系统的控制中心配有工作站、中心的服务器等中心设备，在各被控设备附近设置控制箱及控制器。

BAS 系统监控对象主要包括建筑物内的冷冻系统、空调及通风系统（新风机及电动风阀、空调机、送/排风机系统）、电梯系统、给排水系统、UPS系统等；在主要功能区设置温/湿度传感器、二氧化碳浓度传感器，实现浓度超标报警，并启动相关的排风设备。

5.1.3 智能照明系统

智能照明系统由操作站、现场控制器、各类传感器、可编程现场控制面板、功能模块、通信网络和应用软件等构成。通过在总线上传输通信数据包，可对每一个智能照明系统设备进行独立控制。

5.1.4 冷冻系统节能控制系统

冷冻系统节能控制系统能够实现参数检测、参数与设备状态显示、自动调节与节能控制、工况自动转换、设备联锁与自动保护、能量计量以及中央监控与管理等功能。冷冻站集控系统可与BAS 系统设通信接口，实现远程控制与信息共享。

5.1.5 小结

上述各系统在能源管理方面具备一定的功能：能耗监测系统对智能仪表数据进行采集和分析；BAS系统在重点功能区设置有温/湿度传感器、二氧化碳浓度传感器，并对通风空调、给排水、电梯等设备进行监控；智能照明系统对照明设备进行监控；冷冻站集控系统能够根据自身节能策略，实现节能控制。

5.2 集成方案

5.2.1 集成系统实现方式

能源管理系统的数据主要来源于能耗监测系统和环境监测数据。根据能耗指标设计科学的计量体系，接收智能水表、智能电表等的测量数据，结合当时监测到的环境数据，利用设计好的节能策略和智能算法，通过向物联网平台下发指令达到对暖通设备、给排水设备、智能照明设备、电梯设备的远程控制，实现节能目的。集成系统数据传输方式如图2 所示。

图2 数据传输示意Fig.2 Data transmission diagram

5.2.2 集成方案设计

根据上述实现方式，需考虑对车站能耗监测系统、BAS 系统、智能照明系统、冷冻站集控系统的集成。具体集成方案的系统架构如图3 所示。

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

1）统一平台

设置统一能源管理平台，该平台主要包括系统总体架构中能源大数据层、人工智能层和运营管理层的功能，主要设备由各类数据库服务器、应用服务器、存储设备、通信服务器和操作等组成，平台安装主控软件，集成系统全部功能选项。实现能耗查询、用能管理、能耗分项统计、指标统计分析、用能预警/报警、节能诊断分析、节能策略分析和电能质量分析等功能。

2）增加末端设备

能源设备层在BAS 监控设备、能源管理层表计、BAS 环境采集传感器的基础上，根据指标体系确定的采集系统设计和节能策略对被控设备以及设备管理功能的要求，增加对相应设备的监控接口、增加表计和传感器（如图3 所示）：一方面需补充对所需机电设备的监控，提升BAS 功能。另一方面在设备末端加装智能表计，以实现分系统分类计量；此外还需在车站公共区域、办公区等处增加各类传感器，满足环境数据的监测需求。

3）既有BAS 系统

车站既有BAS 系统集成到能源管理平台，采集设备状态信息，由平台统一进行设备状态管理，并根据能源管理平台相关策略实现联动控制机电设备。集成后，平台可实现传统机电设备监控系统全部功能，将原有BAS 的功能全部纳入到上层应用中，底层的设备和系统接入到物联网层，上层应用通过物联网平台完成信息采集和控制。

4）既有能耗监测系统

集成到能源管理平台，共享其采集到的数据，包括既有的多功能电力仪表、分布式多回路电力测量仪表、水表、能量表和燃气表的数据。

5）既有智能照明系统

智能照明系统对照明控制进行专项设置与控制，将其集成到能源管理平台，由能源管理系统主控软件实现全部照明控制功能。

6）既有冷冻站集控系统

冷冻站系统通常与BAS 设置接口，接口主要包括：冷水机组及其辅助设备联锁启停控制、冷水机组、冷水泵等设备的运行/停止/故障状态、电动阀门的配电及控制、冷水温度、压力、流量、冷量、冷却水温度等显示、冷水机组程序启停及运行台数控制、冷却塔风机运行台数控制等。集控系统可通过BAS 系统集成到能源管理平台上，集成后平台可实现上述控制功能和信息共享，平台在既有集控系统节能控制策略基础上，结合平台数据进一步优化策略，提升系统功能。

6 总结

对车站能源管理系统进行方案设计时，需考虑对能耗监测、BAS、智能照明等系统的集成。本文研究了能源管理系统的功能、能耗指标体系和总体架构，并根据总架构进行了集成方案的设计，对集成平台功能规划、末端计量采集系统设置方案以及车站现有相关系统的集成方案等内容进行了深入分析。本文研究内容为后续铁路车站能源管理系统的实施提供了方案支撑，具有良好的指导意义。