高速铁路智慧能源管理系统设计研究

王飞

关键词：智能化；能源管理系统；网络通信；物联网

0 引言

2020年9月，中国在第75届联合国大会上承诺，将采取更加有力的政策和措施减少碳排放，力争于2030年之前使二氧化碳的排放达到峰值，努力争取2060年之前实现碳中和（简称“双碳”目标） [1]，此举展现了我国应对气候变化的坚定决心，预示着我国能源结构将产生重大变革，进一步促进我国能源产业绿色化，国家铁路集团积极响应国家号召全力推进铁路节能减排的各项工作。

北京铁路局集团积极落实国家铁路集团节能减排相关工作部署，充分研究管辖范围内铁路能源计量、监测、统一管理的可行性，逐步把管内各条线的电、水、热、燃气等能源计量数据联网接入北京铁路局能源管控平台，并上传至国家铁路集团数据中心。本文以北京铁路局某高速铁路为例，搭建高速铁路智慧能源管理系统平台，并预留北向接口，实现全线用能设备的集中管理。

1 高速铁路能源管理系统现状

1） 高速铁路在建设前期，能源管理系统设置参差不齐，无法实现全线车站的能源管理系统集成，铁路局对于各个站、段、工区、区间的能耗无法实现统一监测、统计、分析、诊断、管理，无法依靠技术和管理创新，充分发挥设备性能，降低运行能耗。

2） 沿线各站均无具体的节能策略，对能耗设备无法集中监测、控制和报警管理，设备只能就地控制，运维管理工作量大。

3） 采用传统人工抄表的粗放式管理方式，造成能耗统计费时费力、数据时效性和准确性差。

4） 无法实时监控能耗设备，对于能源浪费、不合理等问题无法及时发现，不能杜绝能源浪费问题。

5） 对于發现的高能耗问题无法自动定位原因，不能有效提升用能水平。

6） 对能源使用单位缺少有效管理抓手，各单位节能减排热情不高。这些都导致铁路局用能高企、能源成本居高不下等现状，急需改善。

2 智慧能源管理系统技术方案

2.1 智慧能源管理系统设计原则

智慧能源管理系统设计采用与北京铁路局集团能源管控平台统一的标准和协议，确保系统的平稳接入，系统采用模块化结构，预留扩展接口方便后期系统的拓展与升级，系统充分考虑现有能耗设备和系统，确保系统与现有体系兼容，同时整体上具备较好的容错能力，确保系统可以长期稳定运行。

2.2 智慧能源管理系统整体架构

2.2.1 系统架构

智慧能源管理系统采用集中部署三级应用的系统架构。

1） 根据国家能源管控的相关要求，国铁集团根据实际情况在数据中心搭建铁路能源管控平台，集中管控各铁路局能耗信息，实现能耗数据的收集、处理与分析，并从多维度形成分析报告，为国铁集团节能减排工作提供基础数据。

2） 北京铁路局根据国铁集团能源管理的要求，在国铁集团数据中心部署北京铁路局集团能源管控平台，逐步把管辖范围内各条线的电、水、热、燃气等能耗信息纳入系统集中管理，为铁路局各业务部门提供所辖车站能耗数据查询、统计、对比、诊断、预警、报警和用能管理等功能，实现跨部门、跨系统的功能共享，为铁路局制定合理的节能策略提供依据，从源头杜绝能源浪费。

3） 沿线各车站、站区、区间箱变等用能设备处设置现场设智能数据采集箱，采集电、水、热、燃气等能耗信息，通过综合信息网上传至铁路局能源管控平台。

系统架构如图1所示。

2.2.2 数据架构

通过对全线车站、站区、工区、区间、动车所的房屋及其他生产生活房屋的电、水、热、蒸汽等能耗数据进行实时采集、传输、汇总、分析、诊断、报警管理等流程，全面推进节能减排管理工作。

数据处理逻辑主要包括：

1） 原始数据

包括车站、站区、工区、区间、动车所的房屋及其他生产生活房屋的电、水、热、蒸汽等能耗采集数据；部分石油、液化石油气、客流量、能源单价等无法计量的数据，通过软件定期录入的录入数据；车站、站房等面积、现场设备、安装位置、电路结构、分项分户结构等基础数据。

2） 目标数据

通过有效性审核、异常处理、拆分汇总等数据预处理过程，并根据节能分析、管理、考核等业务需求，将原始数据处理成节能管理所需的目标数据，帮助各用能部门、用能环境、用能系统进行节能工作的分解细化和落实。

数据架构如图2所示。

2.3 智慧能源管理系统功能设计

智慧能源管理系统通过对车站、站区及其他生产生活房屋的电、水、热、 燃气等能耗数据进行实时采集、传输、汇总，并通过系统的分析、诊断、报警等操作，帮助管理者准确掌握能源消耗状况和发展趋势，及时发现各用能环节中的跑冒滴漏和浪费现象，并以此为依据制定更节能的运行策略，实现更科学的技术节能，从而全面推进铁路局的节能减排工作。

智慧能源管理系统主要包括数据采集和处理子系统、 在线监控信息管理子系统、能耗分析与管理子系统。

2.3.1 数据采集和处理子系统

数据采集和处理子系统是后台处理软件，提供能耗数据的采集、传输、补调、审核、异常处理等功能，同时提供对底层采集装置、采集网络的远程参数设置、监测、错误诊断、校时服务、固件升级等重要基础功能。主要功能包含：数据采集和传输管理、数据补调管理、数据审核和异常数据处理、能耗数据预处理计算、远程参数设置、链路管理、错误诊断、校时服务。

2.3.2 在线监控信息管理子系统

在线监控信息管理子系统是能耗监测信息录入、管理的软件，提供车站基本信息录入维护、能耗监测数据实时更新维护、能耗建模、分时段计价费率维护等功能，并提供权限、日志等管理功能，是原始采集数据与能耗分析、管理实现对应关系的重要模块。主要功能包含：建筑物基本信息管理、电路结构描述、能耗建模、分时分段计价费率维护和能耗费用计算、授权访问与远程访问、原始数据查询、日志系统。

2.3.3 能耗分析与管理子系统

能耗分析与管理子系统是用户主要使用界面， 提供对能耗数据的总览、查询、统计、对比、分析、诊断等功能，并实现用能管理、预警报警、报表打印等节能管理工作的信息化，是实现技术节能、管理节能的重要工具。主要功能包含：能耗总览、能耗查询、能耗统计、 能耗对比、能耗分析、节能诊断、用能管理、节能足迹、报警预警、报表及打印。

2.4 智慧能源管理系统组成

智慧能源管理系统是一个集物联网技术、网络通信技术、多媒体监控技术、Intranet/Internet 网络技术、Web GIS 技术、Web Service 软件技术、数据库技术等于一体的数据综合管理系统[2-4]。系统采用国铁集团、铁路局、车站等不同等级权限进行授权访问，为访问人员提供一个合理、高效、界面友好的能耗信息管理平台。

系统以能耗数据的采集为基础，并与车站既有设备自动化控制系统深度融合，实现对能耗数据、环境参数、机电设备运行数据的统一监控，并通过大数据、云计算等先进技术，实现数据的综合分析、节能诊断、优化控制策略的自动生成和下发，最终实现对车站能耗设备的远程监测、能耗分析及能效评估等综合管理功能，有效提升设备的运行效率，从而实现设备的高效节能控制和运行管理。

系统由能耗计量器具、能耗采集通信设备、网络通信设备、数据中心、系统软件、专业软件等组成，具体如下：

1） 能耗计量器具：主要包括度量电、水、燃气、热（冷）量等能耗的仪表及辅助设备，应为远传智能表具，主要安装在变配电所、箱变、给水所等位置。

2） 能耗采集通信设备：主要包括超融合智能终端及成套采集通讯箱等设备，用于完成一定范围内能耗信息采集和传输[5]，具有相关边缘计算、通信协议转化、本地逻辑控制、 数据中心信息交互等功能，它通过信道对其管辖的各类表具的信息进行采集、处理和存储，并可通过有线方式采集上传数据，主要安装在变配电所、换热站、给水所等位置。

3） 网络通信设备：通过通信传输网实现对采集层数据的传输汇聚，并经由交换机等设备最终接入通信数据网形成一个整体。主要由交换机及光电转换器、光纤收发器、跳线、终端盒子等配套设备、网线光纤等组成。交换机实现超融合智能终端与就近综合信息网的链接，主要安装在110kV、10kV变电所、配电所、道岔融雪箱变、综合工区等位置。车站设置光电转换器；区间设置光纤收发器，区间箱变内放置收发器A 端，通信基站放置B端。

4） 数据中心：本系统利用国铁集团数据中心能源管控平台的既有硬件资源，实现本线路全部能耗数据的采集、处理、分析、展示、管理。根据数据分析，本线路涉及约20000个数据点。采集频率每5分钟一次，则可计算每年数量为20000×365×288=2.1×109条。按照每条数据记录 0.5KB 进行估算，每年的数据量大约1T，系统运行 5 年后总数据量约为 5TB。根据数据的存储量、访问频次，对数据中心进行扩容。

5） 系统软件：主要包括操作系统、数据库系统、防病毒软件等组成。操作系统是指安装在大型计算机上的操作系统，是按应用领域划分的三类操作系统之一，主要承担系统管理、配置、稳定、安全等功能。数据库系统由数据库及其管理软件组成，为能耗数据的存储、 维护和应用软件提供数据管理[6]。防病毒软件主要完成系统的检测、防护，及时解除或删除恶意软件程序。数据中心提供硬件设备资源，相关的操作系统、数据库系统基础软件新增，安装在数据中心[6-7]。

6） 专业软件：专业软件为能源管理系统软件，安装在数据中心。由数据采集和处理、在线监控信息管理、能耗分析与管理等几大子系统组成。通过对车站、站区及其他生产生活房屋的电、水、热、蒸汽等能耗数据进行实时采集、传输、汇总，完成对能耗数据的稳定精确收集、存储，并通过自动统计、分析、诊断、报警、管理等系列流程，帮助铁路局全面推进的节能减排工作。

3 数据传输管理方案

3.1 数据采集及传输

3.1.1 数据采集

根据业务需求，本系统采用终端有线连接方式，实现数据采集与上传。在配电所、变电所、区间箱变、道岔融雪箱变、工区箱变、给水所等用能采集点设置超融合智能终端，通过有线的方式，将计量表具接入终端，实现数据采集。

3.1.2 数据传输

智慧能源管理系統独立组网，区间箱变利用通信传输网实现数据汇聚，将超融合终端通过 1×FE（o） （1×2M） 接口就近接入传输设备，并根据实际需求对既有传输设备扩容，实现数据在车站信号楼汇聚。

在车站信息机房新设能源管理三层交换机，站内采集点采用星型汇聚方式接入能源管理三层交换机，三层交换机通过上连综合信息网（下连通信传输网），将能耗信息上传至北京局能源管控平台，如图3所示。

3.2 网络安全管理

3.2.1 安全等级

根据《铁路信息化总体规划》定义的网络安全体系架构，本系统主要涉及安全技术体系和安全运行体系中的部分内容，结合等级保护要求，系统安全体系充分利用既有数据中心和铁网护栏中已有安全防护手段和设备，结合既有的安全环境（云安全环境）和安全支撑条件进行建设。

3.2.3 物理安全

物理安全依托各站机房、生产等房屋的安全管理体系进行设计。各关键地点均有摄像头进行实时监控。入口设有电子门禁系统。设备进出机房都需要经相关主管部门审批，并登记备案。各房屋符合防雷击、防火、防水防潮、防静电、温湿度控制的要求。设有避雷装置、自动消防系统，房屋内温、湿度的变化在设备运行所允许的范围之内。

3.2.4 边界安全

网络安全边界设计主要考虑互联网边界、内外网边界、应用系统边界，主要通过防火墙、防病毒系统保证机房环境下各主机的安全。

3.2.5 数据安全

数据安全从数据传输安全、数据使用安全、数据管理安全和数据备份安全等方面加强防护。在数据存储、传输及使用过程中对数据的加密支持国密算。

3.3 数据接口

根据本线路实际情况，为保证高速铁路能源信息传输功能的实现，能源计量设备、机电设备与智慧能源管理系统的接口要求为：能源计量设备、机电设备的通信协议应采用市场上通用的 BACnet 协议（BAC?net/IP）、Modbus TCP 等通用协议。

4 结论

本文设计的高速铁路智慧能源管理系统实现高速铁路全线能源数据的实时监测、统计和集中管理，通过自动统计、分析、预警等功能可以帮助管理者、使用者第一时间发现使用过程中的跑冒滴漏和能耗不合理等现象，并自动定位报警、提醒，为各单位的能源考核提供重要数据基础，有效推进北京局节能减排工作，在同类工程设计中具有一定的参考意义。