高铁车站能源管理系统的设计与实现

徐春蕾，黄 飞

（南京智铁电气有限公司研发中心，南京 210003）

0 引言

进入新世纪以来，中国的高速铁路迅猛发展，所取得的成就举世瞩目。在高铁建设飞速、高质量发展的过程中，信息化建设扮演了重要角色。高速铁路在客运、安全、服务、基础建设等方面，以及设备监控、动车库运维等领域，已形成智能化、一体化的信息系统，包括12306铁路客户服务中心、新一代铁路工程管理平台［1］。此外，建筑机电设备监控系统、楼宇（车站）智能照明系统、变配电综合监控系统等，在高速铁路运营管理中发挥了举足轻重的作用。

1 高铁车站能源管理系统的研究意义

我国在新时代十余年，高速铁路系统和先进性铁路网的建成规模位居世界第一。截至2022年底，全国铁路营业里程达到15.5万公里，其中高铁4.2 万公里，形成了以“八纵八横”主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路补充的高速铁路网［2］。高铁车站作为提供客运、货运等服务的场所，具有运营时间长，人流量大，服务保障设备种类、数量繁多，分布广等特点，如不加强管理，很容易造成大量能源浪费，不利于车站运营成本的控制。同时站内机电设备的管理与维护，具有铁路行业运维的特殊要求。因此，高铁车站可通过建设一套能源管理系统，对各类能耗进行分类分项计量、统计和分析，对车站内的照明、暖通空调、电扶梯、水泵、风机等重点用能设备能耗进行管理。根据分析结果，找出能源消耗异常设备及区域，定位低效率运转的设备，降低峰值用电水平。制定并实施节能计划、节能技术措施和节能策略，实现节能闭环控制，降低车站能耗，节约运营成本，提升总体能源管理能力。

2 高铁车站能源管理系统设计与实现

2.1 系统总体架构

能源管理系统的架构采取三层部署、分层实施的思想，自顶向下分为应用管理层、网络汇集层、数据感知层。系统总体架构如图1 所示。

图1 能源管理系统总体架构图

2.1.1 应用管理层

应用管理层是能源管理系统的核心构成部分，该层集中处理、展示、分析、管理全部能耗数据、设备运行状态、实时报警事件等信息，为用户提供直观的可视化界面及友好的操作窗口。该层设备包括：服务器、工作站、UPS等。

2.1.2 网络汇集层

网络汇集层是连接数据感知层与应用管理层的桥梁，将汇总的数据上传到应用管理层。此外，该层可作为系统与其他第三方系统对接的预留接口，实现不同系统间数据的互通共享。该层设备主要包括能效集中器、能源管理网关、工业网管型交换机、单模光电转换器、电源模块等。

（1）能效集中器安装在低压配电房变压器出线侧，供电方式为交流三相四线，且任意一相或两相交流电接通时，集中器仍处于正常工作状态，并保持通信。集中器上行以太网接口，支持4G/3G/2G/光纤等多种通信方式，下行电力线载波通信。该方式利用既有电力线实施，无需重新布线，维护方便。

（2）能源管理网关作为系统数据感知层与应用平台之间的纽带，能够对现场终端设备的数据采集汇总，并根据相应的规约协议转发给平台系统。网关基于嵌入式硬件系统，具有4～8个下行接口（串口及网口通信），可选2～4 个上行网络接口。支持Modbus RTU/TCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、Q/GDW 1376.1-2013、OPC_UA 等标准工业领域通信协议，可实现多线程并行处理数据采集和转发，多链路端口实时上送平台数据。可通过配置工具软件更新网关的采集和转发信息，而无需更改软件程序。

2.1.3 数据感知层

数据感知层主要由各种仪表、传感器、末端控制设备组成，作为整个系统的第一环，完成所需的模拟量、状态信息采集。本层主要包括载波采集器、智能电表、电能质量分析仪等设备。其中，能效采集器安装在电表旁，上行采用电力线载波，下行和智能电表通过RS-485进行连接，采集电表信息并通过电力线通信上传至能效数据集中器。同时接收终端命令，对电表进行设置或控制。

2.2 系统平台软件设计

本系统平台采用浏览器/服务器（B/S）架构，以前后端分离模式进行开发。前端专注于UI 逻辑渲染，负责交互体验和主题界面；后台专注于数据业务逻辑，负责数据存储及分析，浏览器同数据库则通过WebAPI 接口进行信息交互。此架构基于数据可靠性高、系统可扩展性强、用户易操作的原则进行设计，平台软件框架分为三层：存储层、应用层、展示层。

2.2.1 存储层

存储层搭建关系型数据库管理系统，采用高可用性和高性能的RDBMS 数据库服务软件和标准的SQL 数据语言形式。网关以系统局域网为媒介，将汇总的数据转发至本地部署Nginx 服务器，MySQL 经过初步处理，依据数据分类分项原则进行存储，将数据保存在不同的表中。数据表设计包含字段名称、数据类型、功能说明等信息，系统的计量表见表1。

表1 计量表

2.2.2 应用层

应用层Web 界面以Vue.js 框架为支撑，将后台管理系统与PC 可视化页面相融合，根据实际需求设计系统原型，进行模块功能分配，结合HTML、JavaScript、CSS 三大要素完成视图层渲染，构建事件逻辑顺序，控制网页行为。同时引入第三方Axios 库，基于Promise 请求进行网络通信；实现自定义插件封装，完善参数调用关系，通过Vuex 和Vue-Router 实现系统状态管理和页面跳转；对API接口统一化管理，并独立分配开发及生产环境，优化Webpack 打包模式，减少项目体积，提高上线运行性能。该层不仅分解数据展示层的各项功能，同时对存储层数据进行管理，构成数据查询、节点管理、统计分析、业务导航、系统管理、报警管理等核心模块。

2.2.3 展示层

展示层功能主要选用开源的ElementUI 桌面端组件库和Echarts 数据可视化图表库实现。作为操作人员与后台服务器的交互界面，既呈现系统的状态和数据，又为管理员进行系统管理提供了接口。

（1）通过24 分栏栅格布局将界面分为侧边栏容器、顶栏容器、页面主视图三个部分。以折叠面板、面包屑以及下拉菜单构成系统菜单导航；以卡片、图标、按钮、时间日期选择器、表格、分页等组件展示统计数据；以树形控件、抽屉和表单实现系统配置模块功能；辅以标记、弹框等作为事件触发时的警告提示方式。系统全部UI 组件均为自定义CSS 元素，增加/deep/深度作用选择器完成样式穿透；采用!important 语法覆写指定样式，提高应用优先权。

（2）处理完毕的数据结果以可交互式图表的形式反馈至用户。JS 中创建一个Echarts 实例，即产生一个Dom 节点。Dom 渲染容器中包含操作对象的描述，反映不同的图形映射方式和操作行为属性。可设置标题、图例，个性化定制通用样式和动画，并由x轴、y轴坐标系和grid底板定位组件；图表类型和数值构成对应的映射系列，请求返回的数据经解析重构后通过setOption 方法更新至数据源，进而通过Canvas进行绘制。

2.3 能源管理系统功能实现

2.3.1 系统基础模块功能

（1）建立符合车站用能特点的callType 数据模型，按照0-支路、1-分项、2-部门、3-区域、4-用途等多种角度进行统计。系统首页概览根据用能特点，对能耗开展分项占比、年同比、月环比和趋势分析，为用户分析整体用能规律提供有力依据。

（2）系统涵盖能耗统计报表、同比分析报表、环比分析报表、电参量报表等多种业务功能类型；可以进行日、周、月、年等多个跨度的时间选择。表格内容支持以Excel格式导出。

（3）系统提供灵活、丰富的告警信息管理功能，实时监测各个环节，根据用户配置的规则对异常情况进行报警。事件类型主要包括：遥测量越限（能耗越限、温度越限）、通讯故障（仪表通讯、采集器通讯）、遥信量变位、SOE 以及其他自定义报警。报警事件以声音、弹窗的方式提醒用户，用户通过单击实时弹窗（默认持续10 s 并支持手动关闭）跳转至报警管理页，可按参数名称、发生位置或时间、事件类型等筛选历史告警事件，也可通过表头排序功能查看，便于快速排查故障、处理报警和事故分析，提升总体能效安全管理能力。

（4）系统具有成熟的日志管理体系。除系统登录信息（登录名、登录/退出时间），确认报警记录、用户信息修改记录、界面操作记录之外，还支持记录客户端IP地址（存在多个复视终端操作时）。通过日志系统，用户可方便地进行系统维护，出现异常情况时可快速追溯根源。

2.3.2 能耗分析模块功能

（1）能耗地图：系统支持离线地图，通过调用BaiduMap API，在开放平台获取AK 秘钥，选择以电子地图中的卫星混合模式显示站点地理信息；使用AZMap 工具生成1～10 级离线地图瓦片，作为静态资源导入工程。能耗地图合理准确地阐述监测区各个楼宇的地理分布位置，并给出文字图形加以标注。包含车站信息、详细地址、能耗数据等。用户可清楚地查看各站点的相关用能数据，进行可视化分析。

（2）能源流向图：以Sankey 桑基能量分流的形式直观展示各支路能耗路径，支持拖动node 关系节点位置，调整布局，便于追踪能源走向，找出边宽较大的图形节点，即重点节能目标，进而有针对性地实施整改计划。

（3）线损分析：通过线损分析表格，查看电、水等能源在本级的存储总量、上下级传输数量及所占百分比，量化由于“跑、冒、滴、漏”等情况带来的能源损耗，协助管理人员发现窃电、漏液、管线破裂等情况造成的浪费损失和安全隐患［3］。

（4）能效考核：针对车站各单位部门，系统提供能耗总量目标和能耗指标目标考核功能，根据企业及政府下达的能耗目标值，各部门将总体目标分解到具体的年、月、日目标，对目标值与实际值进行实时监测分析，提醒用户是否出现目标越限情况。

2.3.3 配电监控模块功能

（1）系统实时监测各回路三相电流/电压/功率、功率因数、频率等电参量，以及开关位置信号、设备运行状态、SOE 等信息，可实现远程控制开关和断路器功能。

（2）支持对历史配电数据进行多种颗粒度（5 秒、1 分钟、5 分钟、小时、天、月）的查询，查询结果可以通过表格、曲线等呈现，协助调试人员进行消缺，回查故障电力参数。支持将历史数据按最大值、最小值、平均值进行统计。

2.3.4 系统配置模块功能

（1）权限管理：系统根据用户需要设置三个用户roleID（超级管理员：1、管理员：2、普通用户：3），授权管理功能，并为不同级别的用户提供不同的菜单查看权限和控制权限，实现不同角色对于系统操作权限的科学分配和管理，保证系统数据的安全性。

（2）数据模型管理：通过对能耗相关数据的集中体系化处理，建立对应于不同角度的数据模型，供用户进行多种业务分析，主要如下：①分类模型：包括电、水、燃气、集中供冷耗冷、集中供热耗热、煤、燃油、可再生能源等［4］。②分项模型：按照《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则》的相关要求，对建筑能耗按照标准进行划分，包括照明用电、空调用电、动力用电、特殊用电［5］。③数据指标模型：系统可根据项目需求建立能够反映建筑能耗水平的数据指标模型，主要内容包括总用电量、总用水量、单位面积能耗、冷站能效比、冷机效率等。④区域模型：从车站区域的角度将能耗数据划分为候车厅、售票厅、进出站地道等计量层级。

（3）拓扑管理：用户可以将智能仪表（节点）、集中器的设备信息及通讯参数等进行新增、删除、修改、查询，从而为上述模型提供数据采集来源，形成不同结构的拓扑树。同时，所有拓扑树支持对父节点、子节点的动态操作管理，包括修改节点名称、增加/删除节点等，实现在线更新拓扑关系。

（4）仪表报警规则管理：系统支持对告警参数名称、仪表编码、报警等级、事件类型、条件及阈值等数据进行增删改查。针对报警信息建立不同的报警策略，按照所设置的报警规则，对实时电参量越限、仪表SOE 等提供不同级别的告警。当电流、电压、温度等模拟量越限或其他报警信号发生时，对告警事件进行告警提醒和统计，并可根据报警类型及事件等级等条件进行规则检索。

3 结语

能源管理系统设计满足功能性、稳定性、易维护、安全性和可移植性。系统在运行模式上所采用的B/S 架构，统一了客户端应用软件，相比于传统的C/S 架构，具有轻量化、多并发、易兼容、高安全等优势，降低了客户端信息荷载，减小了工程调试及后期系统维护升级的工作量，大大降低了用户成本。系统支持动态数据管理，通过全时、全域分类数据的汇总上传，不仅降低繁琐、低效的大面积人工抄表工作强度，而且提供分类分项统计，报表导出、能耗曲线和趋势分析，成为用户高效的能源管理运营和能耗成本管理工具。该系统已成功应用于新建沪宁沿江高速铁路（即南沿江城际铁路）的多个车站，对涉及站房、站台、停车场及附属房屋（单身宿舍、公安派出所等）的能耗使用情况进行集中统计、管理和分析。下一步工作方向将针对移动端需求，进行APP 或小程序的设计开发。