基于电力载波技术的能效监管系统在高铁站房设计中的应用

吴建云

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引言

截至2020年年底，全国铁路营业里程14.6万km，其中高铁营业里程3.8万km。高速铁路工程建设如此快速，带来了高铁站房建设的春天，目前各地建设的高铁站房运营时间长，能源消耗总量巨大，成为城市能耗重点关注的对象之一，因此研究高铁站房的节能技术措施就显得尤为重要，特别是既有站房的改扩建工程，布线工程尤为复杂。本文即结合弥勒站站房改扩建工程，介绍电力载波通信技术在高铁站房能效监管系统中的运用。

1 建筑能效监管系统

建筑能效监管系统采用分层分布式系统体系结构，对建筑的电能、燃气、供水、供冷、供热等各分类能耗数据进行采集、处理，并分析建筑能耗状况，结合实际使用需求，实现建筑节能的目的。该系统通过用能预测、用能实时监控、用能数据统计、用能数据分析、重点用能设备管理、用能设备分项计量等多种应用手段，可以使运维管理人员对企业的用能成本比重、用能的发展趋势有精准的掌握，并能将生产部门及设备的用能计划任务分解分析，使节能减排的工作责任更加明确，促进企业经济绿色发展。

通过对接现有能耗计量数据，对能耗大数据进行深度挖掘来节能降耗。主要功能应包括但不限于：能耗查询统计、能耗分项统计、指标统计分析、单位面积指标、单位营收指标、设备系统能效指标、能耗对比分析、用能损耗定位、电能质量分析、用能预警报警、节能专家诊断等。对能耗与设备运行参数进行关联分析，自动生成节能控制策略，通过统计比选，淘汰落后策略，保留先进的科学策略，实现有效的节能管理。节能控制的主要策略应包括以下三点。

(1)负荷预测与模型前馈控制：系统根据建筑的历史用能数据，结合实时室外气象条件及室内人员和设备数量等内扰因素，建立建筑负荷预测模型，预测未来室内温度和负荷变化情况，采取前馈控制措施，有效减少调节的滞后性的同时也可降低能耗。

(2)系统动态优化控制：系统通过分析安装在建筑内的各种传感器实时反馈的数据，综合考虑多变量系统约束和经济目标(舒适度、整体负荷/功率限制、能源成本最低)，在线优化设备启停台数及设备的运行参数。

(3)策略自学习：系统通过对建筑能耗和能效监测，对节能管理效果做实施后评价，对实际能效不高的控制策略进行淘汰，保留能效高的运行控制策略和参数，通过不断自学习和控制参数优化，实现建筑的动态持续节能。建立有针对性的用能指标体系，形成建筑节能减排有效的约束机制。

2 电力载波通信技术

电力载波通讯技术即PLC，是英文Power line Communication的简写。电力载波通信技术是电力系统独有的通信方式，电力载波通讯是指利用既有的强电电力线缆，通过载波的方式将模拟信号或者数字信号进行高速传输的技术。该技术最大的优点是不需要重新布设通信线缆，通过现有的电线电缆，就能进行通信数据的传输。该系统节省了弱电线缆布线的工程费用，避免了既有建筑的拆改，这无疑成为了智能化数据传输的最佳方案之一，特别是对改造项目，有得天独厚的优势。

目前，由于电力线载波通讯技术存在以下缺点，导致其应用未能大规模推广。一是配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送；二是三相电力线间有很大信号损失(10～30dB)。在通讯距离很近的条件下，不同相间可能均会收到通信信号，因此，在大多数情况下，电力载波信号只能在单相电力线上传输应用，这成为其未能大规模应用的障碍。

3 高铁站房建筑能效监管系统应用分析

高铁站房建筑，大多为高大空间的玻璃幕墙建筑，与常规的民用建筑设施相比较，站房建筑的用能方式具有如下特点。

(1)高铁站房建筑用能设备较多，种类复杂。为了给旅客提供更高的舒适度和良好的出行体验、确保机电设备高效的运行，结合站房各系统使用功能，站房建筑一般都会设置送排风系统、中央空调系统、多联机系统、机房空调系统、采暖系统、照明系统、给排水系统等;同时为了满足站房运营需求，站房内的电扶梯、直梯、信息屏、广告大屏等用电设备也一应俱全。

(2)用能设备分布广。高铁站房大多为多层建筑，占地面积大，各区域的用能设备位置分散，如果采用传统的管理模式，不仅耗费大量人力物力，而且管理过程中容易发生疏漏，导致设备的能耗数据采集有误。

(3)用能设备需长时间运行。高铁站房为交通建筑，为了给旅客提供方便快捷的出行体验，其运营时间长，全年无休，空调系统、照明系统、信息屏、电扶梯等设备需要持续运行，站房内的相关设备对环境温、湿度的要求比一般民用建筑设施更为严格。

(4)用能设备的运行需要高可靠性及严格的安全性。高铁站房内的各类设备设施能否正常运转，关系到整条高铁线路的安全稳定运行，站房客流密度大、聚集人数多、运营时间长，因此，对各类用能设备运行的可靠性要求更高。

3.1 基于电力载波通信技术的建筑能效监管系统设计

结合上述高铁站房的用能特点分析，站房能耗总量可观，因此对能耗进行精确测量、合理管控是十分必要的。相较传统有线系统，基于电力载波通信技术的建筑能效监管系统具有布线少、节省投资、信息传输稳定可靠、路由合理、可扩展性强等特点。特别适用于既有站房的改扩建工程，不需要大面积的重新布线，可根据需要随时增加新的设备控制单元，避免重复投资的同时减少了对既有站房运营设备的扰动，可以在不影响设备正常运行的状态下完成系统的搭建。

新建弥勒至蒙自铁路-弥勒站扩建工程，位于云南省红河哈尼族彝族自治州弥勒市。站房总建筑面积为11 995.42m2，其中，既有站房建筑面积3 497.4m2。 新建站房建筑面积8 498.02m2；既有站台风雨棚15 307m2，新建风雨连廊建筑面积 1 015.28m2。 站房主体为2层。本工程为接建改造工程，既有站房在建设施工过程中不停运。由于原有站房设计的时间较早，没有设置建筑能效监管系统，本次设计一并考虑设置；且为了减少对既有站房运营的影响，本次设计的建筑能效监管系统采用电力载波的通信方式。

本次站房设置基于电力线载波通信的建筑能效监管系统，采用复合GB/T 31983-31国家标准的低压电力线通信技术(PLC)，利用站房低压配电线路实现表计的数据通信。在楼层配电间设置采集器，以模块的形式安装在需采集能源的配电箱电表处，对于无电力配线的水、暖、气等能耗计量表处采用有线方式连接至采集器。在变配电室变压器处设置集中器，通过低压电力导线将数据汇聚至集中器。集中器装设在变压器低压下口侧，通过GPRS、CDMA、5G、以太网、光纤等多种方式，上传数据至主站，供站段调用分析。

终端设备构架：(1)智能电表通信模块：包括单相电表电力线通信模块或双模通信模块，以及三相电表电力线或双模通信模块。这些模块为智能电表内置通信模块，与集中器终端进行通信。(2)采集器：采集器是一个支持电力线通信(或双模通信)并具有RS485总线接口的外置终端设备，可以对RS485电表进行采集，上行通过电力线与集中器通信。(3)集中器：集中器终端安装在每一个变压器低压出线侧，负责通过电力线通信与台区内各电表进行数据交互，包括对电表进行抄读以及接收电表事件上报。集中器上行通信采用GPRS、5G移动运营商网络或以太网、互联网，与主站进行通信连接，将数据上报到主站系统，或接受主站命令。

根据本工程项目的特点，笔者设计该站房的建筑能效监管系统总体网络结构如图1所示。

图1 弥勒站建筑能效监管系统图

在系统设计时，为了能够更好地完成建筑能效监管系统内的各项控制与管理功能，实现互操作性，同时也为了给系统日后的维护、升级以及扩展提供方便，笔者所在的项目团队考虑尽可能地采用开放式标准构建控制系统的网络，并最终选用电力载波通信技术构建了建筑能效监管系统的主要控制网络。

在该系统中，采集器作为现场智能节点，用以连接传感器、执行器和输入输出模块。智能节点使用电力载波通信协议与网络中的其他节点通信，每个节点都包括内置的神经元芯片来完成协议的监控功能，实现分散基础上的融合。由于采集器分布在现场，控制功能较为明确，同时任何一台采集器发生故障都不会影响其他设备的正常运行，大大缩小了故障或事故的影响范围，提高了系统可靠性。

3.2 系统应用软件

系统软件采用多级架构，具备灵活特性，具有友好的扩展性及适应性，通过采用模块式、层次化结构，面向对象程序设计。系统应用软件包括系统软件、平台软件和应用软件；软件操作界面、各类采集数据报表支持汉字显示功能，可提供两级汉字库并具有汉字编辑功能；支持系统扩展，当系统改造或扩展时，不必修改软件和重新组装软件，只需对新增设备进行补充配置。

系统软件包括操作系统软件和数据库管理系统软件。其中，工作站操作系统软件采用Windows操作系统，服务器操作系统软件采用Linux操作系统，数据库管理系统软件采用国际主流产品。

系统的平台软件应具备自主知识产权，宜支持监控容量任意扩充、无监控点数限制。采用开放性系统结构，系统应能支持OPC、ModBus、BACnet、LonWorks、AdvanceDDE等国际标准协议；能够根据用户现场实际需求修改或扩展新的通信规约、增加新的通信规约时支持在线完成，不影响其正常使用运行。支持客户机、服务器体系结构；支持互联网连接,并支持浏览器、服务器体系结构。支持实时多任务处理，具有基本的数据管理、通讯管理、接口管理、历史信息的存储和复制功能，系统软件能对不同操作权限的系统操作人员设定不同的操作密码、操作级别、软件操作权限及设备控制权限，系统软件应提供简单易学的工具软件，便于用户掌握运用。

系统的应用软件应为一体化软件，具备监视、控制、维护、管理等功能，可实现实时、历史数据互联互通和界面整合；应秉承开放性原则，用户在满足操作规则的前提下，可以根据运营管理方的要求修改、增扩系统容量；并以良好的人机交互界面，对各种用户画面和数据库进行在线修改、编辑，支持报警表格图形、设备状态显示、设备启、停控制等功能，其中图形显示内容应包括：图形、报警位置、数据位置、操作信息位置。

建筑能效监管系统收集覆盖范围内用户的电、水、气等相关能耗数据，并据此绘制年能耗曲线和不同季节典型日逐时能耗曲线。根据各种能耗的分析结果，确定电、水、气等系统的基本能耗及能耗范围。系统能够根据各回路动力、照明能耗指标、能效指标、冷冻水输送系数的变化规律(逐月、逐日、逐时变化)发现异常能耗，并提示运行人员进行深入检查。系统对铁路各客站总能耗、分类及分项能耗数据进行逐月、逐日的统计分析，根据不同客站能耗数据的大小、趋势、变化规律等进行分析横向对比，发现异常能耗。对单位能耗指标高的车站进行数据分析，通过调整运行管理模式、改进BAS系统控制调节功能等方式达到节能目的。

4 电力载波通信技术的建筑能效监管系统应用时值得关注的几个问题

(1)整个系统的采集器应分散布置，减少因部分采集器故障引起的数据采集不全面的机会。(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节点上，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一个集中器。(4)应优先采用新型号的产品，尽量避免采用已经过时的产品，且产品之间要注意相互匹配。(5)应特别需要注意一次设备元件的安装质量及安装细节，例如，流量计的安装需要在前后留有一定长度的直管距离，如果不能保证预留余量，所测出的流量数据很可能就不准确；此外水流量开关安装螺纹套管的管径应足够大，才能保证叶片自由摆动的角度满足触点的充分接触。

5 结束语