基于電力載波技術的能效監管系統在高鐵站房設計中的應用

吳建云

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

0 引言

截至2020年年底，全國鐵路營業里程14.6萬km，其中高鐵營業里程3.8萬km。高速鐵路工程建設如此快速，帶來了高鐵站房建設的春天，目前各地建設的高鐵站房運營時間長，能源消耗總量巨大，成為城市能耗重點關注的對象之一，因此研究高鐵站房的節能技術措施就顯得尤為重要，特別是既有站房的改擴建工程，布線工程尤為復雜。本文即結合彌勒站站房改擴建工程，介紹電力載波通信技術在高鐵站房能效監管系統中的運用。

1 建筑能效監管系統

建筑能效監管系統采用分層分布式系統體系結構，對建筑的電能、燃氣、供水、供冷、供熱等各分類能耗數據進行采集、處理，并分析建筑能耗狀況，結合實際使用需求，實現建筑節能的目的。該系統通過用能預測、用能實時監控、用能數據統計、用能數據分析、重點用能設備管理、用能設備分項計量等多種應用手段，可以使運維管理人員對企業的用能成本比重、用能的發展趨勢有精準的掌握，并能將生產部門及設備的用能計劃任務分解分析，使節能減排的工作責任更加明確，促進企業經濟綠色發展。

通過對接現有能耗計量數據，對能耗大數據進行深度挖掘來節能降耗。主要功能應包括但不限于：能耗查詢統計、能耗分項統計、指標統計分析、單位面積指標、單位營收指標、設備系統能效指標、能耗對比分析、用能損耗定位、電能質量分析、用能預警報警、節能專家診斷等。對能耗與設備運行參數進行關聯分析，自動生成節能控制策略，通過統計比選，淘汰落后策略，保留先進的科學策略，實現有效的節能管理。節能控制的主要策略應包括以下三點。

(1)負荷預測與模型前饋控制：系統根據建筑的歷史用能數據，結合實時室外氣象條件及室內人員和設備數量等內擾因素，建立建筑負荷預測模型，預測未來室內溫度和負荷變化情況，采取前饋控制措施，有效減少調節的滯后性的同時也可降低能耗。

(2)系統動態優化控制：系統通過分析安裝在建筑內的各種傳感器實時反饋的數據，綜合考慮多變量系統約束和經濟目標(舒適度、整體負荷/功率限制、能源成本最低)，在線優化設備啟停臺數及設備的運行參數。

(3)策略自學習：系統通過對建筑能耗和能效監測，對節能管理效果做實施后評價，對實際能效不高的控制策略進行淘汰，保留能效高的運行控制策略和參數，通過不斷自學習和控制參數優化，實現建筑的動態持續節能。建立有針對性的用能指標體系，形成建筑節能減排有效的約束機制。

2 電力載波通信技術

電力載波通訊技術即PLC，是英文Power line Communication的簡寫。電力載波通信技術是電力系統獨有的通信方式，電力載波通訊是指利用既有的強電電力線纜，通過載波的方式將模擬信號或者數字信號進行高速傳輸的技術。該技術最大的優點是不需要重新布設通信線纜，通過現有的電線電纜，就能進行通信數據的傳輸。該系統節省了弱電線纜布線的工程費用，避免了既有建筑的拆改，這無疑成為了智能化數據傳輸的最佳方案之一，特別是對改造項目，有得天獨厚的優勢。

目前，由于電力線載波通訊技術存在以下缺點，導致其應用未能大規模推廣。一是配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區域范圍內傳送；二是三相電力線間有很大信號損失(10～30dB)。在通訊距離很近的條件下，不同相間可能均會收到通信信號，因此，在大多數情況下，電力載波信號只能在單相電力線上傳輸應用，這成為其未能大規模應用的障礙。

3 高鐵站房建筑能效監管系統應用分析

高鐵站房建筑，大多為高大空間的玻璃幕墻建筑，與常規的民用建筑設施相比較，站房建筑的用能方式具有如下特點。

(1)高鐵站房建筑用能設備較多，種類復雜。為了給旅客提供更高的舒適度和良好的出行體驗、確保機電設備高效的運行，結合站房各系統使用功能，站房建筑一般都會設置送排風系統、中央空調系統、多聯機系統、機房空調系統、采暖系統、照明系統、給排水系統等;同時為了滿足站房運營需求，站房內的電扶梯、直梯、信息屏、廣告大屏等用電設備也一應俱全。

(2)用能設備分布廣。高鐵站房大多為多層建筑，占地面積大，各區域的用能設備位置分散，如果采用傳統的管理模式，不僅耗費大量人力物力，而且管理過程中容易發生疏漏，導致設備的能耗數據采集有誤。

(3)用能設備需長時間運行。高鐵站房為交通建筑，為了給旅客提供方便快捷的出行體驗，其運營時間長，全年無休，空調系統、照明系統、信息屏、電扶梯等設備需要持續運行，站房內的相關設備對環境溫、濕度的要求比一般民用建筑設施更為嚴格。

(4)用能設備的運行需要高可靠性及嚴格的安全性。高鐵站房內的各類設備設施能否正常運轉，關系到整條高鐵線路的安全穩定運行，站房客流密度大、聚集人數多、運營時間長，因此，對各類用能設備運行的可靠性要求更高。

3.1 基于電力載波通信技術的建筑能效監管系統設計

結合上述高鐵站房的用能特點分析，站房能耗總量可觀，因此對能耗進行精確測量、合理管控是十分必要的。相較傳統有線系統，基于電力載波通信技術的建筑能效監管系統具有布線少、節省投資、信息傳輸穩定可靠、路由合理、可擴展性強等特點。特別適用于既有站房的改擴建工程，不需要大面積的重新布線，可根據需要隨時增加新的設備控制單元，避免重復投資的同時減少了對既有站房運營設備的擾動，可以在不影響設備正常運行的狀態下完成系統的搭建。

新建彌勒至蒙自鐵路-彌勒站擴建工程，位于云南省紅河哈尼族彝族自治州彌勒市。站房總建筑面積為11 995.42m2，其中，既有站房建筑面積3 497.4m2。 新建站房建筑面積8 498.02m2；既有站臺風雨棚15 307m2，新建風雨連廊建筑面積 1 015.28m2。 站房主體為2層。本工程為接建改造工程，既有站房在建設施工過程中不停運。由于原有站房設計的時間較早，沒有設置建筑能效監管系統，本次設計一并考慮設置；且為了減少對既有站房運營的影響，本次設計的建筑能效監管系統采用電力載波的通信方式。

本次站房設置基于電力線載波通信的建筑能效監管系統，采用復合GB/T 31983-31國家標準的低壓電力線通信技術(PLC)，利用站房低壓配電線路實現表計的數據通信。在樓層配電間設置采集器，以模塊的形式安裝在需采集能源的配電箱電表處，對于無電力配線的水、暖、氣等能耗計量表處采用有線方式連接至采集器。在變配電室變壓器處設置集中器，通過低壓電力導線將數據匯聚至集中器。集中器裝設在變壓器低壓下口側，通過GPRS、CDMA、5G、以太網、光纖等多種方式，上傳數據至主站，供站段調用分析。

終端設備構架：(1)智能電表通信模塊：包括單相電表電力線通信模塊或雙模通信模塊，以及三相電表電力線或雙模通信模塊。這些模塊為智能電表內置通信模塊，與集中器終端進行通信。(2)采集器：采集器是一個支持電力線通信(或雙模通信)并具有RS485總線接口的外置終端設備，可以對RS485電表進行采集，上行通過電力線與集中器通信。(3)集中器：集中器終端安裝在每一個變壓器低壓出線側，負責通過電力線通信與臺區內各電表進行數據交互，包括對電表進行抄讀以及接收電表事件上報。集中器上行通信采用GPRS、5G移動運營商網絡或以太網、互聯網，與主站進行通信連接，將數據上報到主站系統，或接受主站命令。

根據本工程項目的特點，筆者設計該站房的建筑能效監管系統總體網絡結構如圖1所示。

圖1 彌勒站建筑能效監管系統圖

在系統設計時，為了能夠更好地完成建筑能效監管系統內的各項控制與管理功能，實現互操作性，同時也為了給系統日后的維護、升級以及擴展提供方便，筆者所在的項目團隊考慮盡可能地采用開放式標準構建控制系統的網絡，并最終選用電力載波通信技術構建了建筑能效監管系統的主要控制網絡。

在該系統中，采集器作為現場智能節點，用以連接傳感器、執行器和輸入輸出模塊。智能節點使用電力載波通信協議與網絡中的其他節點通信，每個節點都包括內置的神經元芯片來完成協議的監控功能，實現分散基礎上的融合。由于采集器分布在現場，控制功能較為明確，同時任何一臺采集器發生故障都不會影響其他設備的正常運行，大大縮小了故障或事故的影響范圍，提高了系統可靠性。

3.2 系統應用軟件

系統軟件采用多級架構，具備靈活特性，具有友好的擴展性及適應性，通過采用模塊式、層次化結構，面向對象程序設計。系統應用軟件包括系統軟件、平臺軟件和應用軟件；軟件操作界面、各類采集數據報表支持漢字顯示功能，可提供兩級漢字庫并具有漢字編輯功能；支持系統擴展，當系統改造或擴展時，不必修改軟件和重新組裝軟件，只需對新增設備進行補充配置。

系統軟件包括操作系統軟件和數據庫管理系統軟件。其中，工作站操作系統軟件采用Windows操作系統，服務器操作系統軟件采用Linux操作系統，數據庫管理系統軟件采用國際主流產品。

系統的平臺軟件應具備自主知識產權，宜支持監控容量任意擴充、無監控點數限制。采用開放性系統結構，系統應能支持OPC、ModBus、BACnet、LonWorks、AdvanceDDE等國際標準協議；能夠根據用戶現場實際需求修改或擴展新的通信規約、增加新的通信規約時支持在線完成，不影響其正常使用運行。支持客戶機、服務器體系結構；支持互聯網連接,并支持瀏覽器、服務器體系結構。支持實時多任務處理，具有基本的數據管理、通訊管理、接口管理、歷史信息的存儲和復制功能，系統軟件能對不同操作權限的系統操作人員設定不同的操作密碼、操作級別、軟件操作權限及設備控制權限，系統軟件應提供簡單易學的工具軟件，便于用戶掌握運用。

系統的應用軟件應為一體化軟件，具備監視、控制、維護、管理等功能，可實現實時、歷史數據互聯互通和界面整合；應秉承開放性原則，用戶在滿足操作規則的前提下，可以根據運營管理方的要求修改、增擴系統容量；并以良好的人機交互界面，對各種用戶畫面和數據庫進行在線修改、編輯，支持報警表格圖形、設備狀態顯示、設備啟、停控制等功能，其中圖形顯示內容應包括：圖形、報警位置、數據位置、操作信息位置。

建筑能效監管系統收集覆蓋范圍內用戶的電、水、氣等相關能耗數據，并據此繪制年能耗曲線和不同季節典型日逐時能耗曲線。根據各種能耗的分析結果，確定電、水、氣等系統的基本能耗及能耗范圍。系統能夠根據各回路動力、照明能耗指標、能效指標、冷凍水輸送系數的變化規律(逐月、逐日、逐時變化)發現異常能耗，并提示運行人員進行深入檢查。系統對鐵路各客站總能耗、分類及分項能耗數據進行逐月、逐日的統計分析，根據不同客站能耗數據的大小、趨勢、變化規律等進行分析橫向對比，發現異常能耗。對單位能耗指標高的車站進行數據分析，通過調整運行管理模式、改進BAS系統控制調節功能等方式達到節能目的。

4 電力載波通信技術的建筑能效監管系統應用時值得關注的幾個問題

(1)整個系統的采集器應分散布置，減少因部分采集器故障引起的數據采集不全面的機會。(2)系統軟件實現應從底層軟件設計角度考慮，盡量將同一設備的控制點位和與其相對應的數據采集點位安排在同一節點上，減少網絡變量在傳輸網上的傳輸量，減少不必要的通信信息丟失，提高傳輸的可靠性，同時也可以簡化系統程序設計的復雜性。(3)因載波信號無法穿越變壓器，故應在每臺變壓器低壓總出線側設置一個集中器。(4)應優先采用新型號的產品，盡量避免采用已經過時的產品，且產品之間要注意相互匹配。(5)應特別需要注意一次設備元件的安裝質量及安裝細節，例如，流量計的安裝需要在前后留有一定長度的直管距離，如果不能保證預留余量，所測出的流量數據很可能就不準確；此外水流量開關安裝螺紋套管的管徑應足夠大，才能保證葉片自由擺動的角度滿足觸點的充分接觸。

5 結束語