高鐵車站能源管理系統的設計與實現

徐春蕾，黃 飛

（南京智鐵電氣有限公司研發中心，南京 210003）

0 引言

進入新世紀以來，中國的高速鐵路迅猛發展，所取得的成就舉世矚目。在高鐵建設飛速、高質量發展的過程中，信息化建設扮演了重要角色。高速鐵路在客運、安全、服務、基礎建設等方面，以及設備監控、動車庫運維等領域，已形成智能化、一體化的信息系統，包括12306鐵路客戶服務中心、新一代鐵路工程管理平臺［1］。此外，建筑機電設備監控系統、樓宇（車站）智能照明系統、變配電綜合監控系統等，在高速鐵路運營管理中發揮了舉足輕重的作用。

1 高鐵車站能源管理系統的研究意義

我國在新時代十余年，高速鐵路系統和先進性鐵路網的建成規模位居世界第一。截至2022年底，全國鐵路營業里程達到15.5萬公里，其中高鐵4.2 萬公里，形成了以“八縱八橫”主通道為骨架、區域連接線銜接、城際鐵路補充的高速鐵路網［2］。高鐵車站作為提供客運、貨運等服務的場所，具有運營時間長，人流量大，服務保障設備種類、數量繁多，分布廣等特點，如不加強管理，很容易造成大量能源浪費，不利于車站運營成本的控制。同時站內機電設備的管理與維護，具有鐵路行業運維的特殊要求。因此，高鐵車站可通過建設一套能源管理系統，對各類能耗進行分類分項計量、統計和分析，對車站內的照明、暖通空調、電扶梯、水泵、風機等重點用能設備能耗進行管理。根據分析結果，找出能源消耗異常設備及區域，定位低效率運轉的設備，降低峰值用電水平。制定并實施節能計劃、節能技術措施和節能策略，實現節能閉環控制，降低車站能耗，節約運營成本，提升總體能源管理能力。

2 高鐵車站能源管理系統設計與實現

2.1 系統總體架構

能源管理系統的架構采取三層部署、分層實施的思想，自頂向下分為應用管理層、網絡匯集層、數據感知層。系統總體架構如圖1 所示。

圖1 能源管理系統總體架構圖

2.1.1 應用管理層

應用管理層是能源管理系統的核心構成部分，該層集中處理、展示、分析、管理全部能耗數據、設備運行狀態、實時報警事件等信息，為用戶提供直觀的可視化界面及友好的操作窗口。該層設備包括：服務器、工作站、UPS等。

2.1.2 網絡匯集層

網絡匯集層是連接數據感知層與應用管理層的橋梁，將匯總的數據上傳到應用管理層。此外，該層可作為系統與其他第三方系統對接的預留接口，實現不同系統間數據的互通共享。該層設備主要包括能效集中器、能源管理網關、工業網管型交換機、單模光電轉換器、電源模塊等。

（1）能效集中器安裝在低壓配電房變壓器出線側，供電方式為交流三相四線，且任意一相或兩相交流電接通時，集中器仍處于正常工作狀態，并保持通信。集中器上行以太網接口，支持4G/3G/2G/光纖等多種通信方式，下行電力線載波通信。該方式利用既有電力線實施，無需重新布線，維護方便。

（2）能源管理網關作為系統數據感知層與應用平臺之間的紐帶，能夠對現場終端設備的數據采集匯總，并根據相應的規約協議轉發給平臺系統。網關基于嵌入式硬件系統，具有4～8個下行接口（串口及網口通信），可選2～4 個上行網絡接口。支持Modbus RTU/TCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、Q/GDW 1376.1-2013、OPC_UA 等標準工業領域通信協議，可實現多線程并行處理數據采集和轉發，多鏈路端口實時上送平臺數據。可通過配置工具軟件更新網關的采集和轉發信息，而無需更改軟件程序。

2.1.3 數據感知層

數據感知層主要由各種儀表、傳感器、末端控制設備組成，作為整個系統的第一環，完成所需的模擬量、狀態信息采集。本層主要包括載波采集器、智能電表、電能質量分析儀等設備。其中，能效采集器安裝在電表旁，上行采用電力線載波，下行和智能電表通過RS-485進行連接，采集電表信息并通過電力線通信上傳至能效數據集中器。同時接收終端命令，對電表進行設置或控制。

2.2 系統平臺軟件設計

本系統平臺采用瀏覽器/服務器（B/S）架構，以前后端分離模式進行開發。前端專注于UI 邏輯渲染，負責交互體驗和主題界面；后臺專注于數據業務邏輯，負責數據存儲及分析，瀏覽器同數據庫則通過WebAPI 接口進行信息交互。此架構基于數據可靠性高、系統可擴展性強、用戶易操作的原則進行設計，平臺軟件框架分為三層：存儲層、應用層、展示層。

2.2.1 存儲層

存儲層搭建關系型數據庫管理系統，采用高可用性和高性能的RDBMS 數據庫服務軟件和標準的SQL 數據語言形式。網關以系統局域網為媒介，將匯總的數據轉發至本地部署Nginx 服務器，MySQL 經過初步處理，依據數據分類分項原則進行存儲，將數據保存在不同的表中。數據表設計包含字段名稱、數據類型、功能說明等信息，系統的計量表見表1。

表1 計量表

2.2.2 應用層

應用層Web 界面以Vue.js 框架為支撐，將后臺管理系統與PC 可視化頁面相融合，根據實際需求設計系統原型，進行模塊功能分配，結合HTML、JavaScript、CSS 三大要素完成視圖層渲染，構建事件邏輯順序，控制網頁行為。同時引入第三方Axios 庫，基于Promise 請求進行網絡通信；實現自定義插件封裝，完善參數調用關系，通過Vuex 和Vue-Router 實現系統狀態管理和頁面跳轉；對API接口統一化管理，并獨立分配開發及生產環境，優化Webpack 打包模式，減少項目體積，提高上線運行性能。該層不僅分解數據展示層的各項功能，同時對存儲層數據進行管理，構成數據查詢、節點管理、統計分析、業務導航、系統管理、報警管理等核心模塊。

2.2.3 展示層

展示層功能主要選用開源的ElementUI 桌面端組件庫和Echarts 數據可視化圖表庫實現。作為操作人員與后臺服務器的交互界面，既呈現系統的狀態和數據，又為管理員進行系統管理提供了接口。

（1）通過24 分欄柵格布局將界面分為側邊欄容器、頂欄容器、頁面主視圖三個部分。以折疊面板、面包屑以及下拉菜單構成系統菜單導航；以卡片、圖標、按鈕、時間日期選擇器、表格、分頁等組件展示統計數據；以樹形控件、抽屜和表單實現系統配置模塊功能；輔以標記、彈框等作為事件觸發時的警告提示方式。系統全部UI 組件均為自定義CSS 元素，增加/deep/深度作用選擇器完成樣式穿透；采用!important 語法覆寫指定樣式，提高應用優先權。

（2）處理完畢的數據結果以可交互式圖表的形式反饋至用戶。JS 中創建一個Echarts 實例，即產生一個Dom 節點。Dom 渲染容器中包含操作對象的描述，反映不同的圖形映射方式和操作行為屬性。可設置標題、圖例，個性化定制通用樣式和動畫，并由x軸、y軸坐標系和grid底板定位組件；圖表類型和數值構成對應的映射系列，請求返回的數據經解析重構后通過setOption 方法更新至數據源，進而通過Canvas進行繪制。

2.3 能源管理系統功能實現

2.3.1 系統基礎模塊功能

（1）建立符合車站用能特點的callType 數據模型，按照0-支路、1-分項、2-部門、3-區域、4-用途等多種角度進行統計。系統首頁概覽根據用能特點，對能耗開展分項占比、年同比、月環比和趨勢分析，為用戶分析整體用能規律提供有力依據。

（2）系統涵蓋能耗統計報表、同比分析報表、環比分析報表、電參量報表等多種業務功能類型；可以進行日、周、月、年等多個跨度的時間選擇。表格內容支持以Excel格式導出。

（3）系統提供靈活、豐富的告警信息管理功能，實時監測各個環節，根據用戶配置的規則對異常情況進行報警。事件類型主要包括：遙測量越限（能耗越限、溫度越限）、通訊故障（儀表通訊、采集器通訊）、遙信量變位、SOE 以及其他自定義報警。報警事件以聲音、彈窗的方式提醒用戶，用戶通過單擊實時彈窗（默認持續10 s 并支持手動關閉）跳轉至報警管理頁，可按參數名稱、發生位置或時間、事件類型等篩選歷史告警事件，也可通過表頭排序功能查看，便于快速排查故障、處理報警和事故分析，提升總體能效安全管理能力。

（4）系統具有成熟的日志管理體系。除系統登錄信息（登錄名、登錄/退出時間），確認報警記錄、用戶信息修改記錄、界面操作記錄之外，還支持記錄客戶端IP地址（存在多個復視終端操作時）。通過日志系統，用戶可方便地進行系統維護，出現異常情況時可快速追溯根源。

2.3.2 能耗分析模塊功能

（1）能耗地圖：系統支持離線地圖，通過調用BaiduMap API，在開放平臺獲取AK 秘鑰，選擇以電子地圖中的衛星混合模式顯示站點地理信息；使用AZMap 工具生成1～10 級離線地圖瓦片，作為靜態資源導入工程。能耗地圖合理準確地闡述監測區各個樓宇的地理分布位置，并給出文字圖形加以標注。包含車站信息、詳細地址、能耗數據等。用戶可清楚地查看各站點的相關用能數據，進行可視化分析。

（2）能源流向圖：以Sankey 桑基能量分流的形式直觀展示各支路能耗路徑，支持拖動node 關系節點位置，調整布局，便于追蹤能源走向，找出邊寬較大的圖形節點，即重點節能目標，進而有針對性地實施整改計劃。

（3）線損分析：通過線損分析表格，查看電、水等能源在本級的存儲總量、上下級傳輸數量及所占百分比，量化由于“跑、冒、滴、漏”等情況帶來的能源損耗，協助管理人員發現竊電、漏液、管線破裂等情況造成的浪費損失和安全隱患［3］。

（4）能效考核：針對車站各單位部門，系統提供能耗總量目標和能耗指標目標考核功能，根據企業及政府下達的能耗目標值，各部門將總體目標分解到具體的年、月、日目標，對目標值與實際值進行實時監測分析，提醒用戶是否出現目標越限情況。

2.3.3 配電監控模塊功能

（1）系統實時監測各回路三相電流/電壓/功率、功率因數、頻率等電參量，以及開關位置信號、設備運行狀態、SOE 等信息，可實現遠程控制開關和斷路器功能。

（2）支持對歷史配電數據進行多種顆粒度（5 秒、1 分鐘、5 分鐘、小時、天、月）的查詢，查詢結果可以通過表格、曲線等呈現，協助調試人員進行消缺，回查故障電力參數。支持將歷史數據按最大值、最小值、平均值進行統計。

2.3.4 系統配置模塊功能

（1）權限管理：系統根據用戶需要設置三個用戶roleID（超級管理員：1、管理員：2、普通用戶：3），授權管理功能，并為不同級別的用戶提供不同的菜單查看權限和控制權限，實現不同角色對于系統操作權限的科學分配和管理，保證系統數據的安全性。

（2）數據模型管理：通過對能耗相關數據的集中體系化處理，建立對應于不同角度的數據模型，供用戶進行多種業務分析，主要如下：①分類模型：包括電、水、燃氣、集中供冷耗冷、集中供熱耗熱、煤、燃油、可再生能源等［4］。②分項模型：按照《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據采集技術導則》的相關要求，對建筑能耗按照標準進行劃分，包括照明用電、空調用電、動力用電、特殊用電［5］。③數據指標模型：系統可根據項目需求建立能夠反映建筑能耗水平的數據指標模型，主要內容包括總用電量、總用水量、單位面積能耗、冷站能效比、冷機效率等。④區域模型：從車站區域的角度將能耗數據劃分為候車廳、售票廳、進出站地道等計量層級。

（3）拓撲管理：用戶可以將智能儀表（節點）、集中器的設備信息及通訊參數等進行新增、刪除、修改、查詢，從而為上述模型提供數據采集來源，形成不同結構的拓撲樹。同時，所有拓撲樹支持對父節點、子節點的動態操作管理，包括修改節點名稱、增加/刪除節點等，實現在線更新拓撲關系。

（4）儀表報警規則管理：系統支持對告警參數名稱、儀表編碼、報警等級、事件類型、條件及閾值等數據進行增刪改查。針對報警信息建立不同的報警策略，按照所設置的報警規則，對實時電參量越限、儀表SOE 等提供不同級別的告警。當電流、電壓、溫度等模擬量越限或其他報警信號發生時，對告警事件進行告警提醒和統計，并可根據報警類型及事件等級等條件進行規則檢索。

3 結語

能源管理系統設計滿足功能性、穩定性、易維護、安全性和可移植性。系統在運行模式上所采用的B/S 架構，統一了客戶端應用軟件，相比于傳統的C/S 架構，具有輕量化、多并發、易兼容、高安全等優勢，降低了客戶端信息荷載，減小了工程調試及后期系統維護升級的工作量，大大降低了用戶成本。系統支持動態數據管理，通過全時、全域分類數據的匯總上傳，不僅降低繁瑣、低效的大面積人工抄表工作強度，而且提供分類分項統計，報表導出、能耗曲線和趨勢分析，成為用戶高效的能源管理運營和能耗成本管理工具。該系統已成功應用于新建滬寧沿江高速鐵路（即南沿江城際鐵路）的多個車站，對涉及站房、站臺、停車場及附屬房屋（單身宿舍、公安派出所等）的能耗使用情況進行集中統計、管理和分析。下一步工作方向將針對移動端需求，進行APP 或小程序的設計開發。