吳建云

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

0 引言

截至2020年年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程14.6萬(wàn)km，其中高鐵營(yíng)業(yè)里程3.8萬(wàn)km。高速鐵路工程建設(shè)如此快速，帶來(lái)了高鐵站房建設(shè)的春天，目前各地建設(shè)的高鐵站房運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，能源消耗總量巨大，成為城市能耗重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象之一，因此研究高鐵站房的節(jié)能技術(shù)措施就顯得尤為重要，特別是既有站房的改擴(kuò)建工程，布線工程尤為復(fù)雜。本文即結(jié)合彌勒站站房改擴(kuò)建工程，介紹電力載波通信技術(shù)在高鐵站房能效監(jiān)管系統(tǒng)中的運(yùn)用。

1 建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)

建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對(duì)建筑的電能、燃?xì)?、供水、供冷、供熱等各分類能耗?shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并分析建筑能耗狀況，結(jié)合實(shí)際使用需求，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目的。該系統(tǒng)通過(guò)用能預(yù)測(cè)、用能實(shí)時(shí)監(jiān)控、用能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、用能數(shù)據(jù)分析、重點(diǎn)用能設(shè)備管理、用能設(shè)備分項(xiàng)計(jì)量等多種應(yīng)用手段，可以使運(yùn)維管理人員對(duì)企業(yè)的用能成本比重、用能的發(fā)展趨勢(shì)有精準(zhǔn)的掌握，并能將生產(chǎn)部門及設(shè)備的用能計(jì)劃任務(wù)分解分析，使節(jié)能減排的工作責(zé)任更加明確，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展。

通過(guò)對(duì)接現(xiàn)有能耗計(jì)量數(shù)據(jù)，對(duì)能耗大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘來(lái)節(jié)能降耗。主要功能應(yīng)包括但不限于：能耗查詢統(tǒng)計(jì)、能耗分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)、指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析、單位面積指標(biāo)、單位營(yíng)收指標(biāo)、設(shè)備系統(tǒng)能效指標(biāo)、能耗對(duì)比分析、用能損耗定位、電能質(zhì)量分析、用能預(yù)警報(bào)警、節(jié)能專家診斷等。對(duì)能耗與設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，自動(dòng)生成節(jié)能控制策略，通過(guò)統(tǒng)計(jì)比選，淘汰落后策略，保留先進(jìn)的科學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能管理。節(jié)能控制的主要策略應(yīng)包括以下三點(diǎn)。

(1)負(fù)荷預(yù)測(cè)與模型前饋控制：系統(tǒng)根據(jù)建筑的歷史用能數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)時(shí)室外氣象條件及室內(nèi)人員和設(shè)備數(shù)量等內(nèi)擾因素，建立建筑負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)室內(nèi)溫度和負(fù)荷變化情況，采取前饋控制措施，有效減少調(diào)節(jié)的滯后性的同時(shí)也可降低能耗。

(2)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制：系統(tǒng)通過(guò)分析安裝在建筑內(nèi)的各種傳感器實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)，綜合考慮多變量系統(tǒng)約束和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)(舒適度、整體負(fù)荷/功率限制、能源成本最低)，在線優(yōu)化設(shè)備啟停臺(tái)數(shù)及設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

(3)策略自學(xué)習(xí)：系統(tǒng)通過(guò)對(duì)建筑能耗和能效監(jiān)測(cè)，對(duì)節(jié)能管理效果做實(shí)施后評(píng)價(jià)，對(duì)實(shí)際能效不高的控制策略進(jìn)行淘汰，保留能效高的運(yùn)行控制策略和參數(shù)，通過(guò)不斷自學(xué)習(xí)和控制參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)建筑的動(dòng)態(tài)持續(xù)節(jié)能。建立有針對(duì)性的用能指標(biāo)體系，形成建筑節(jié)能減排有效的約束機(jī)制。

2 電力載波通信技術(shù)

電力載波通訊技術(shù)即PLC，是英文Power line Communication的簡(jiǎn)寫。電力載波通信技術(shù)是電力系統(tǒng)獨(dú)有的通信方式，電力載波通訊是指利用既有的強(qiáng)電電力線纜，通過(guò)載波的方式將模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要重新布設(shè)通信線纜，通過(guò)現(xiàn)有的電線電纜，就能進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的傳輸。該系統(tǒng)節(jié)省了弱電線纜布線的工程費(fèi)用，避免了既有建筑的拆改，這無(wú)疑成為了智能化數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴逊桨钢?，特別是對(duì)改造項(xiàng)目，有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

目前，由于電力線載波通訊技術(shù)存在以下缺點(diǎn)，導(dǎo)致其應(yīng)用未能大規(guī)模推廣。一是配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送；二是三相電力線間有很大信號(hào)損失(10～30dB)。在通訊距離很近的條件下，不同相間可能均會(huì)收到通信信號(hào)，因此，在大多數(shù)情況下，電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸應(yīng)用，這成為其未能大規(guī)模應(yīng)用的障礙。

3 高鐵站房建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)用分析

高鐵站房建筑，大多為高大空間的玻璃幕墻建筑，與常規(guī)的民用建筑設(shè)施相比較，站房建筑的用能方式具有如下特點(diǎn)。

(1)高鐵站房建筑用能設(shè)備較多，種類復(fù)雜。為了給旅客提供更高的舒適度和良好的出行體驗(yàn)、確保機(jī)電設(shè)備高效的運(yùn)行，結(jié)合站房各系統(tǒng)使用功能，站房建筑一般都會(huì)設(shè)置送排風(fēng)系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)、多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等;同時(shí)為了滿足站房運(yùn)營(yíng)需求，站房?jī)?nèi)的電扶梯、直梯、信息屏、廣告大屏等用電設(shè)備也一應(yīng)俱全。

(2)用能設(shè)備分布廣。高鐵站房大多為多層建筑，占地面積大，各區(qū)域的用能設(shè)備位置分散，如果采用傳統(tǒng)的管理模式，不僅耗費(fèi)大量人力物力，而且管理過(guò)程中容易發(fā)生疏漏，導(dǎo)致設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)采集有誤。

(3)用能設(shè)備需長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。高鐵站房為交通建筑，為了給旅客提供方便快捷的出行體驗(yàn)，其運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，全年無(wú)休，空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、信息屏、電扶梯等設(shè)備需要持續(xù)運(yùn)行，站房?jī)?nèi)的相關(guān)設(shè)備對(duì)環(huán)境溫、濕度的要求比一般民用建筑設(shè)施更為嚴(yán)格。

(4)用能設(shè)備的運(yùn)行需要高可靠性及嚴(yán)格的安全性。高鐵站房?jī)?nèi)的各類設(shè)備設(shè)施能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)系到整條高鐵線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，站房客流密度大、聚集人數(shù)多、運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，因此，對(duì)各類用能設(shè)備運(yùn)行的可靠性要求更高。

3.1 基于電力載波通信技術(shù)的建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合上述高鐵站房的用能特點(diǎn)分析，站房能耗總量可觀，因此對(duì)能耗進(jìn)行精確測(cè)量、合理管控是十分必要的。相較傳統(tǒng)有線系統(tǒng)，基于電力載波通信技術(shù)的建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)具有布線少、節(jié)省投資、信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。特別適用于既有站房的改擴(kuò)建工程，不需要大面積的重新布線，可根據(jù)需要隨時(shí)增加新的設(shè)備控制單元，避免重復(fù)投資的同時(shí)減少了對(duì)既有站房運(yùn)營(yíng)設(shè)備的擾動(dòng)，可以在不影響設(shè)備正常運(yùn)行的狀態(tài)下完成系統(tǒng)的搭建。

新建彌勒至蒙自鐵路-彌勒站擴(kuò)建工程，位于云南省紅河哈尼族彝族自治州彌勒市。站房總建筑面積為11 995.42m2，其中，既有站房建筑面積3 497.4m2。 新建站房建筑面積8 498.02m2；既有站臺(tái)風(fēng)雨棚15 307m2，新建風(fēng)雨連廊建筑面積 1 015.28m2。 站房主體為2層。本工程為接建改造工程，既有站房在建設(shè)施工過(guò)程中不停運(yùn)。由于原有站房設(shè)計(jì)的時(shí)間較早，沒(méi)有設(shè)置建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)一并考慮設(shè)置；且為了減少對(duì)既有站房運(yùn)營(yíng)的影響，本次設(shè)計(jì)的建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)采用電力載波的通信方式。

本次站房設(shè)置基于電力線載波通信的建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)，采用復(fù)合GB/T 31983-31國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的低壓電力線通信技術(shù)(PLC)，利用站房低壓配電線路實(shí)現(xiàn)表計(jì)的數(shù)據(jù)通信。在樓層配電間設(shè)置采集器，以模塊的形式安裝在需采集能源的配電箱電表處，對(duì)于無(wú)電力配線的水、暖、氣等能耗計(jì)量表處采用有線方式連接至采集器。在變配電室變壓器處設(shè)置集中器，通過(guò)低壓電力導(dǎo)線將數(shù)據(jù)匯聚至集中器。集中器裝設(shè)在變壓器低壓下口側(cè)，通過(guò)GPRS、CDMA、5G、以太網(wǎng)、光纖等多種方式，上傳數(shù)據(jù)至主站，供站段調(diào)用分析。

終端設(shè)備構(gòu)架：(1)智能電表通信模塊：包括單相電表電力線通信模塊或雙模通信模塊，以及三相電表電力線或雙模通信模塊。這些模塊為智能電表內(nèi)置通信模塊，與集中器終端進(jìn)行通信。(2)采集器：采集器是一個(gè)支持電力線通信(或雙模通信)并具有RS485總線接口的外置終端設(shè)備，可以對(duì)RS485電表進(jìn)行采集，上行通過(guò)電力線與集中器通信。(3)集中器：集中器終端安裝在每一個(gè)變壓器低壓出線側(cè)，負(fù)責(zé)通過(guò)電力線通信與臺(tái)區(qū)內(nèi)各電表進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，包括對(duì)電表進(jìn)行抄讀以及接收電表事件上報(bào)。集中器上行通信采用GPRS、5G移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)，與主站進(jìn)行通信連接，將數(shù)據(jù)上報(bào)到主站系統(tǒng)，或接受主站命令。

根據(jù)本工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)該站房的建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彌勒站建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)圖

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了能夠更好地完成建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)控制與管理功能，實(shí)現(xiàn)互操作性，同時(shí)也為了給系統(tǒng)日后的維護(hù)、升級(jí)以及擴(kuò)展提供方便，筆者所在的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)考慮盡可能地采用開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，并最終選用電力載波通信技術(shù)構(gòu)建了建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)的主要控制網(wǎng)絡(luò)。

在該系統(tǒng)中，采集器作為現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)，用以連接傳感器、執(zhí)行器和輸入輸出模塊。智能節(jié)點(diǎn)使用電力載波通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包括內(nèi)置的神經(jīng)元芯片來(lái)完成協(xié)議的監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)分散基礎(chǔ)上的融合。由于采集器分布在現(xiàn)場(chǎng)，控制功能較為明確，同時(shí)任何一臺(tái)采集器發(fā)生故障都不會(huì)影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，大大縮小了故障或事故的影響范圍，提高了系統(tǒng)可靠性。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用軟件

系統(tǒng)軟件采用多級(jí)架構(gòu)，具備靈活特性，具有友好的擴(kuò)展性及適應(yīng)性，通過(guò)采用模塊式、層次化結(jié)構(gòu)，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。系統(tǒng)應(yīng)用軟件包括系統(tǒng)軟件、平臺(tái)軟件和應(yīng)用軟件；軟件操作界面、各類采集數(shù)據(jù)報(bào)表支持漢字顯示功能，可提供兩級(jí)漢字庫(kù)并具有漢字編輯功能；支持系統(tǒng)擴(kuò)展，當(dāng)系統(tǒng)改造或擴(kuò)展時(shí)，不必修改軟件和重新組裝軟件，只需對(duì)新增設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充配置。

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件。其中，工作站操作系統(tǒng)軟件采用Windows操作系統(tǒng)，服務(wù)器操作系統(tǒng)軟件采用Linux操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件采用國(guó)際主流產(chǎn)品。

系統(tǒng)的平臺(tái)軟件應(yīng)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，宜支持監(jiān)控容量任意擴(kuò)充、無(wú)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)限制。采用開(kāi)放性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)應(yīng)能支持OPC、ModBus、BACnet、LonWorks、AdvanceDDE等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；能夠根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求修改或擴(kuò)展新的通信規(guī)約、增加新的通信規(guī)約時(shí)支持在線完成，不影響其正常使用運(yùn)行。支持客戶機(jī)、服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)；支持互聯(lián)網(wǎng)連接,并支持瀏覽器、服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。支持實(shí)時(shí)多任務(wù)處理，具有基本的數(shù)據(jù)管理、通訊管理、接口管理、歷史信息的存儲(chǔ)和復(fù)制功能，系統(tǒng)軟件能對(duì)不同操作權(quán)限的系統(tǒng)操作人員設(shè)定不同的操作密碼、操作級(jí)別、軟件操作權(quán)限及設(shè)備控制權(quán)限，系統(tǒng)軟件應(yīng)提供簡(jiǎn)單易學(xué)的工具軟件，便于用戶掌握運(yùn)用。

系統(tǒng)的應(yīng)用軟件應(yīng)為一體化軟件，具備監(jiān)視、控制、維護(hù)、管理等功能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和界面整合；應(yīng)秉承開(kāi)放性原則，用戶在滿足操作規(guī)則的前提下，可以根據(jù)運(yùn)營(yíng)管理方的要求修改、增擴(kuò)系統(tǒng)容量；并以良好的人機(jī)交互界面，對(duì)各種用戶畫面和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行在線修改、編輯，支持報(bào)警表格圖形、設(shè)備狀態(tài)顯示、設(shè)備啟、?？刂频裙δ埽渲袌D形顯示內(nèi)容應(yīng)包括：圖形、報(bào)警位置、數(shù)據(jù)位置、操作信息位置。

建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)收集覆蓋范圍內(nèi)用戶的電、水、氣等相關(guān)能耗數(shù)據(jù)，并據(jù)此繪制年能耗曲線和不同季節(jié)典型日逐時(shí)能耗曲線。根據(jù)各種能耗的分析結(jié)果，確定電、水、氣等系統(tǒng)的基本能耗及能耗范圍。系統(tǒng)能夠根據(jù)各回路動(dòng)力、照明能耗指標(biāo)、能效指標(biāo)、冷凍水輸送系數(shù)的變化規(guī)律(逐月、逐日、逐時(shí)變化)發(fā)現(xiàn)異常能耗，并提示運(yùn)行人員進(jìn)行深入檢查。系統(tǒng)對(duì)鐵路各客站總能耗、分類及分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行逐月、逐日的統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)不同客站能耗數(shù)據(jù)的大小、趨勢(shì)、變化規(guī)律等進(jìn)行分析橫向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)異常能耗。對(duì)單位能耗指標(biāo)高的車站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行管理模式、改進(jìn)BAS系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)功能等方式達(dá)到節(jié)能目的。

4 電力載波通信技術(shù)的建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)值得關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題

(1)整個(gè)系統(tǒng)的采集器應(yīng)分散布置，減少因部分采集器故障引起的數(shù)據(jù)采集不全面的機(jī)會(huì)。(2)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)從底層軟件設(shè)計(jì)角度考慮，盡量將同一設(shè)備的控制點(diǎn)位和與其相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位安排在同一節(jié)點(diǎn)上，減少網(wǎng)絡(luò)變量在傳輸網(wǎng)上的傳輸量，減少不必要的通信信息丟失，提高傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)也可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。(3)因載波信號(hào)無(wú)法穿越變壓器，故應(yīng)在每臺(tái)變壓器低壓總出線側(cè)設(shè)置一個(gè)集中器。(4)應(yīng)優(yōu)先采用新型號(hào)的產(chǎn)品，盡量避免采用已經(jīng)過(guò)時(shí)的產(chǎn)品，且產(chǎn)品之間要注意相互匹配。(5)應(yīng)特別需要注意一次設(shè)備元件的安裝質(zhì)量及安裝細(xì)節(jié)，例如，流量計(jì)的安裝需要在前后留有一定長(zhǎng)度的直管距離，如果不能保證預(yù)留余量，所測(cè)出的流量數(shù)據(jù)很可能就不準(zhǔn)確；此外水流量開(kāi)關(guān)安裝螺紋套管的管徑應(yīng)足夠大，才能保證葉片自由擺動(dòng)的角度滿足觸點(diǎn)的充分接觸。

5 結(jié)束語(yǔ)