高鐵車站能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐春蕾，黃 飛

（南京智鐵電氣有限公司研發(fā)中心，南京 210003）

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)的高速鐵路迅猛發(fā)展，所取得的成就舉世矚目。在高鐵建設(shè)飛速、高質(zhì)量發(fā)展的過(guò)程中，信息化建設(shè)扮演了重要角色。高速鐵路在客運(yùn)、安全、服務(wù)、基礎(chǔ)建設(shè)等方面，以及設(shè)備監(jiān)控、動(dòng)車庫(kù)運(yùn)維等領(lǐng)域，已形成智能化、一體化的信息系統(tǒng)，包括12306鐵路客戶服務(wù)中心、新一代鐵路工程管理平臺(tái)［1］。此外，建筑機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、樓宇（車站）智能照明系統(tǒng)、變配電綜合監(jiān)控系統(tǒng)等，在高速鐵路運(yùn)營(yíng)管理中發(fā)揮了舉足輕重的作用。

1 高鐵車站能源管理系統(tǒng)的研究意義

我國(guó)在新時(shí)代十余年，高速鐵路系統(tǒng)和先進(jìn)性鐵路網(wǎng)的建成規(guī)模位居世界第一。截至2022年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到15.5萬(wàn)公里，其中高鐵4.2 萬(wàn)公里，形成了以“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補(bǔ)充的高速鐵路網(wǎng)［2］。高鐵車站作為提供客運(yùn)、貨運(yùn)等服務(wù)的場(chǎng)所，具有運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，人流量大，服務(wù)保障設(shè)備種類、數(shù)量繁多，分布廣等特點(diǎn)，如不加強(qiáng)管理，很容易造成大量能源浪費(fèi)，不利于車站運(yùn)營(yíng)成本的控制。同時(shí)站內(nèi)機(jī)電設(shè)備的管理與維護(hù)，具有鐵路行業(yè)運(yùn)維的特殊要求。因此，高鐵車站可通過(guò)建設(shè)一套能源管理系統(tǒng)，對(duì)各類能耗進(jìn)行分類分項(xiàng)計(jì)量、統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)車站內(nèi)的照明、暖通空調(diào)、電扶梯、水泵、風(fēng)機(jī)等重點(diǎn)用能設(shè)備能耗進(jìn)行管理。根據(jù)分析結(jié)果，找出能源消耗異常設(shè)備及區(qū)域，定位低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，降低峰值用電水平。制定并實(shí)施節(jié)能計(jì)劃、節(jié)能技術(shù)措施和節(jié)能策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能閉環(huán)控制，降低車站能耗，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，提升總體能源管理能力。

2 高鐵車站能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

能源管理系統(tǒng)的架構(gòu)采取三層部署、分層實(shí)施的思想，自頂向下分為應(yīng)用管理層、網(wǎng)絡(luò)匯集層、數(shù)據(jù)感知層。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.1.1 應(yīng)用管理層

應(yīng)用管理層是能源管理系統(tǒng)的核心構(gòu)成部分，該層集中處理、展示、分析、管理全部能耗數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)報(bào)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(shè)備包括：服務(wù)器、工作站、UPS等。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)匯集層

網(wǎng)絡(luò)匯集層是連接數(shù)據(jù)感知層與應(yīng)用管理層的橋梁，將匯總的數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用管理層。此外，該層可作為系統(tǒng)與其他第三方系統(tǒng)對(duì)接的預(yù)留接口，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的互通共享。該層設(shè)備主要包括能效集中器、能源管理網(wǎng)關(guān)、工業(yè)網(wǎng)管型交換機(jī)、單模光電轉(zhuǎn)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(cè)，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(shí)，集中器仍處于正常工作狀態(tài)，并保持通信。集中器上行以太網(wǎng)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(shí)施，無(wú)需重新布線，維護(hù)方便。

（2）能源管理網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)感知層與應(yīng)用平臺(tái)之間的紐帶，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集匯總，并根據(jù)相應(yīng)的規(guī)約協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給平臺(tái)系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)基于嵌入式硬件系統(tǒng)，具有4～8個(gè)下行接口（串口及網(wǎng)口通信），可選2～4 個(gè)上行網(wǎng)絡(luò)接口。支持Modbus RTU/TCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、Q/GDW 1376.1-2013、OPC_UA 等標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)多線程并行處理數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)，多鏈路端口實(shí)時(shí)上送平臺(tái)數(shù)據(jù)。可通過(guò)配置工具軟件更新網(wǎng)關(guān)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)信息，而無(wú)需更改軟件程序。

2.1.3 數(shù)據(jù)感知層

數(shù)據(jù)感知層主要由各種儀表、傳感器、末端控制設(shè)備組成，作為整個(gè)系統(tǒng)的第一環(huán)，完成所需的模擬量、狀態(tài)信息采集。本層主要包括載波采集器、智能電表、電能質(zhì)量分析儀等設(shè)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(guò)RS-485進(jìn)行連接，采集電表信息并通過(guò)電力線通信上傳至能效數(shù)據(jù)集中器。同時(shí)接收終端命令，對(duì)電表進(jìn)行設(shè)置或控制。

2.2 系統(tǒng)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)平臺(tái)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）架構(gòu)，以前后端分離模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。前端專注于UI 邏輯渲染，負(fù)責(zé)交互體驗(yàn)和主題界面；后臺(tái)專注于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析，瀏覽器同數(shù)據(jù)庫(kù)則通過(guò)WebAPI 接口進(jìn)行信息交互。此架構(gòu)基于數(shù)據(jù)可靠性高、系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)、用戶易操作的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，平臺(tái)軟件框架分為三層：存儲(chǔ)層、應(yīng)用層、展示層。

2.2.1 存儲(chǔ)層

存儲(chǔ)層搭建關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，采用高可用性和高性能的RDBMS 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)軟件和標(biāo)準(zhǔn)的SQL 數(shù)據(jù)語(yǔ)言形式。網(wǎng)關(guān)以系統(tǒng)局域網(wǎng)為媒介，將匯總的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至本地部署Nginx 服務(wù)器，MySQL 經(jīng)過(guò)初步處理，依據(jù)數(shù)據(jù)分類分項(xiàng)原則進(jìn)行存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)保存在不同的表中。數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)包含字段名稱、數(shù)據(jù)類型、功能說(shuō)明等信息，系統(tǒng)的計(jì)量表見(jiàn)表1。

表1 計(jì)量表

2.2.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層Web 界面以Vue.js 框架為支撐，將后臺(tái)管理系統(tǒng)與PC 可視化頁(yè)面相融合，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)原型，進(jìn)行模塊功能分配，結(jié)合HTML、JavaScript、CSS 三大要素完成視圖層渲染，構(gòu)建事件邏輯順序，控制網(wǎng)頁(yè)行為。同時(shí)引入第三方Axios 庫(kù)，基于Promise 請(qǐng)求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；實(shí)現(xiàn)自定義插件封裝，完善參數(shù)調(diào)用關(guān)系，通過(guò)Vuex 和Vue-Router 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)管理和頁(yè)面跳轉(zhuǎn)；對(duì)API接口統(tǒng)一化管理，并獨(dú)立分配開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)環(huán)境，優(yōu)化Webpack 打包模式，減少項(xiàng)目體積，提高上線運(yùn)行性能。該層不僅分解數(shù)據(jù)展示層的各項(xiàng)功能，同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)層數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，構(gòu)成數(shù)據(jù)查詢、節(jié)點(diǎn)管理、統(tǒng)計(jì)分析、業(yè)務(wù)導(dǎo)航、系統(tǒng)管理、報(bào)警管理等核心模塊。

2.2.3 展示層

展示層功能主要選用開(kāi)源的ElementUI 桌面端組件庫(kù)和Echarts 數(shù)據(jù)可視化圖表庫(kù)實(shí)現(xiàn)。作為操作人員與后臺(tái)服務(wù)器的交互界面，既呈現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，又為管理員進(jìn)行系統(tǒng)管理提供了接口。

（1）通過(guò)24 分欄柵格布局將界面分為側(cè)邊欄容器、頂欄容器、頁(yè)面主視圖三個(gè)部分。以折疊面板、面包屑以及下拉菜單構(gòu)成系統(tǒng)菜單導(dǎo)航；以卡片、圖標(biāo)、按鈕、時(shí)間日期選擇器、表格、分頁(yè)等組件展示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；以樹(shù)形控件、抽屜和表單實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置模塊功能；輔以標(biāo)記、彈框等作為事件觸發(fā)時(shí)的警告提示方式。系統(tǒng)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(yǔ)法覆寫(xiě)指定樣式，提高應(yīng)用優(yōu)先權(quán)。

（2）處理完畢的數(shù)據(jù)結(jié)果以可交互式圖表的形式反饋至用戶。JS 中創(chuàng)建一個(gè)Echarts 實(shí)例，即產(chǎn)生一個(gè)Dom 節(jié)點(diǎn)。Dom 渲染容器中包含操作對(duì)象的描述，反映不同的圖形映射方式和操作行為屬性?？稍O(shè)置標(biāo)題、圖例，個(gè)性化定制通用樣式和動(dòng)畫(huà)，并由x軸、y軸坐標(biāo)系和grid底板定位組件；圖表類型和數(shù)值構(gòu)成對(duì)應(yīng)的映射系列，請(qǐng)求返回的數(shù)據(jù)經(jīng)解析重構(gòu)后通過(guò)setOption 方法更新至數(shù)據(jù)源，進(jìn)而通過(guò)Canvas進(jìn)行繪制。

2.3 能源管理系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1 系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊功能

（1）建立符合車站用能特點(diǎn)的callType 數(shù)據(jù)模型，按照0-支路、1-分項(xiàng)、2-部門(mén)、3-區(qū)域、4-用途等多種角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)首頁(yè)概覽根據(jù)用能特點(diǎn)，對(duì)能耗開(kāi)展分項(xiàng)占比、年同比、月環(huán)比和趨勢(shì)分析，為用戶分析整體用能規(guī)律提供有力依據(jù)。

（2）系統(tǒng)涵蓋能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表、同比分析報(bào)表、環(huán)比分析報(bào)表、電參量報(bào)表等多種業(yè)務(wù)功能類型；可以進(jìn)行日、周、月、年等多個(gè)跨度的時(shí)間選擇。表格內(nèi)容支持以Excel格式導(dǎo)出。

（3）系統(tǒng)提供靈活、豐富的告警信息管理功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)用戶配置的規(guī)則對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警。事件類型主要包括：遙測(cè)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(bào)警。報(bào)警事件以聲音、彈窗的方式提醒用戶，用戶通過(guò)單擊實(shí)時(shí)彈窗（默認(rèn)持續(xù)10 s 并支持手動(dòng)關(guān)閉）跳轉(zhuǎn)至報(bào)警管理頁(yè)，可按參數(shù)名稱、發(fā)生位置或時(shí)間、事件類型等篩選歷史告警事件，也可通過(guò)表頭排序功能查看，便于快速排查故障、處理報(bào)警和事故分析，提升總體能效安全管理能力。

（4）系統(tǒng)具有成熟的日志管理體系。除系統(tǒng)登錄信息（登錄名、登錄/退出時(shí)間），確認(rèn)報(bào)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(gè)復(fù)視終端操作時(shí)）。通過(guò)日志系統(tǒng)，用戶可方便地進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，出現(xiàn)異常情況時(shí)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(tǒng)支持離線地圖，通過(guò)調(diào)用BaiduMap API，在開(kāi)放平臺(tái)獲取AK 秘鑰，選擇以電子地圖中的衛(wèi)星混合模式顯示站點(diǎn)地理信息；使用AZMap 工具生成1～10 級(jí)離線地圖瓦片，作為靜態(tài)資源導(dǎo)入工程。能耗地圖合理準(zhǔn)確地闡述監(jiān)測(cè)區(qū)各個(gè)樓宇的地理分布位置，并給出文字圖形加以標(biāo)注。包含車站信息、詳細(xì)地址、能耗數(shù)據(jù)等。用戶可清楚地查看各站點(diǎn)的相關(guān)用能數(shù)據(jù)，進(jìn)行可視化分析。

（2）能源流向圖：以Sankey ?；芰糠至鞯男问街庇^展示各支路能耗路徑，支持拖動(dòng)node 關(guān)系節(jié)點(diǎn)位置，調(diào)整布局，便于追蹤能源走向，找出邊寬較大的圖形節(jié)點(diǎn)，即重點(diǎn)節(jié)能目標(biāo)，進(jìn)而有針對(duì)性地實(shí)施整改計(jì)劃。

（3）線損分析：通過(guò)線損分析表格，查看電、水等能源在本級(jí)的存儲(chǔ)總量、上下級(jí)傳輸數(shù)量及所占百分比，量化由于“跑、冒、滴、漏”等情況帶來(lái)的能源損耗，協(xié)助管理人員發(fā)現(xiàn)竊電、漏液、管線破裂等情況造成的浪費(fèi)損失和安全隱患［3］。

（4）能效考核：針對(duì)車站各單位部門(mén)，系統(tǒng)提供能耗總量目標(biāo)和能耗指標(biāo)目標(biāo)考核功能，根據(jù)企業(yè)及政府下達(dá)的能耗目標(biāo)值，各部門(mén)將總體目標(biāo)分解到具體的年、月、日目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)值與實(shí)際值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，提醒用戶是否出現(xiàn)目標(biāo)越限情況。

2.3.3 配電監(jiān)控模塊功能

（1）系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路三相電流/電壓/功率、功率因數(shù)、頻率等電參量，以及開(kāi)關(guān)位置信號(hào)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、SOE 等信息，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)和斷路器功能。

（2）支持對(duì)歷史配電數(shù)據(jù)進(jìn)行多種顆粒度（5 秒、1 分鐘、5 分鐘、小時(shí)、天、月）的查詢，查詢結(jié)果可以通過(guò)表格、曲線等呈現(xiàn)，協(xié)助調(diào)試人員進(jìn)行消缺，回查故障電力參數(shù)。支持將歷史數(shù)據(jù)按最大值、最小值、平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.3.4 系統(tǒng)配置模塊功能

（1）權(quán)限管理：系統(tǒng)根據(jù)用戶需要設(shè)置三個(gè)用戶roleID（超級(jí)管理員：1、管理員：2、普通用戶：3），授權(quán)管理功能，并為不同級(jí)別的用戶提供不同的菜單查看權(quán)限和控制權(quán)限，實(shí)現(xiàn)不同角色對(duì)于系統(tǒng)操作權(quán)限的科學(xué)分配和管理，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。

（2）數(shù)據(jù)模型管理：通過(guò)對(duì)能耗相關(guān)數(shù)據(jù)的集中體系化處理，建立對(duì)應(yīng)于不同角度的數(shù)據(jù)模型，供用戶進(jìn)行多種業(yè)務(wù)分析，主要如下：①分類模型：包括電、水、燃?xì)狻⒓泄├浜睦?、集中供熱耗熱、煤、燃油、可再生能源等?］。②分項(xiàng)模型：按照《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則》的相關(guān)要求，對(duì)建筑能耗按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，包括照明用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電、特殊用電［5］。③數(shù)據(jù)指標(biāo)模型：系統(tǒng)可根據(jù)項(xiàng)目需求建立能夠反映建筑能耗水平的數(shù)據(jù)指標(biāo)模型，主要內(nèi)容包括總用電量、總用水量、單位面積能耗、冷站能效比、冷機(jī)效率等。④區(qū)域模型：從車站區(qū)域的角度將能耗數(shù)據(jù)劃分為候車廳、售票廳、進(jìn)出站地道等計(jì)量層級(jí)。

（3）拓?fù)涔芾恚河脩艨梢詫⒅悄軆x表（節(jié)點(diǎn)）、集中器的設(shè)備信息及通訊參數(shù)等進(jìn)行新增、刪除、修改、查詢，從而為上述模型提供數(shù)據(jù)采集來(lái)源，形成不同結(jié)構(gòu)的拓?fù)錁?shù)。同時(shí)，所有拓?fù)錁?shù)支持對(duì)父節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)操作管理，包括修改節(jié)點(diǎn)名稱、增加/刪除節(jié)點(diǎn)等，實(shí)現(xiàn)在線更新拓?fù)潢P(guān)系。

（4）儀表報(bào)警規(guī)則管理：系統(tǒng)支持對(duì)告警參數(shù)名稱、儀表編碼、報(bào)警等級(jí)、事件類型、條件及閾值等數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查。針對(duì)報(bào)警信息建立不同的報(bào)警策略，按照所設(shè)置的報(bào)警規(guī)則，對(duì)實(shí)時(shí)電參量越限、儀表SOE 等提供不同級(jí)別的告警。當(dāng)電流、電壓、溫度等模擬量越限或其他報(bào)警信號(hào)發(fā)生時(shí)，對(duì)告警事件進(jìn)行告警提醒和統(tǒng)計(jì)，并可根據(jù)報(bào)警類型及事件等級(jí)等條件進(jìn)行規(guī)則檢索。

3 結(jié)語(yǔ)

能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足功能性、穩(wěn)定性、易維護(hù)、安全性和可移植性。系統(tǒng)在運(yùn)行模式上所采用的B/S 架構(gòu)，統(tǒng)一了客戶端應(yīng)用軟件，相比于傳統(tǒng)的C/S 架構(gòu)，具有輕量化、多并發(fā)、易兼容、高安全等優(yōu)勢(shì)，降低了客戶端信息荷載，減小了工程調(diào)試及后期系統(tǒng)維護(hù)升級(jí)的工作量，大大降低了用戶成本。系統(tǒng)支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理，通過(guò)全時(shí)、全域分類數(shù)據(jù)的匯總上傳，不僅降低繁瑣、低效的大面積人工抄表工作強(qiáng)度，而且提供分類分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，報(bào)表導(dǎo)出、能耗曲線和趨勢(shì)分析，成為用戶高效的能源管理運(yùn)營(yíng)和能耗成本管理工具。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于新建滬寧沿江高速鐵路（即南沿江城際鐵路）的多個(gè)車站，對(duì)涉及站房、站臺(tái)、停車場(chǎng)及附屬房屋（單身宿舍、公安派出所等）的能耗使用情況進(jìn)行集中統(tǒng)計(jì)、管理和分析。下一步工作方向?qū)⑨槍?duì)移動(dòng)端需求，進(jìn)行APP 或小程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。