基于郑济铁路的能源管理系统研究

 基于郑济铁路的能源管理系统研究

徐大明

中铁电气化局集团第三工程有限公司

摘要：随着社会对节能减排越来越重视，高速铁路作为耗能大户，承担着重要的节能减排社会责任。本文基于郑济铁路高铁建设，通过对现有铁路有关的能源管理系统的学习研究，探讨实现对高铁站房及区间能耗数据的精细化计量管理，核算用能情况和碳排放情况，基于大数据分析，制定合理的用能计划和指标考核任务，实现用能闭环管理，并依托能源管控平台，积极进行节能改造，优化系统运行，提高能源利用效率。通过对郑济铁路能源管理系统的研究搭建，从能源消耗，追踪，分析，预测，计划，改造，评价等方面，形成了闭环的能源管控经验和方法论体系。

关键词：能源管理系统；碳排放；绿色高速铁路建设

1 引言

随着全球范围内气温的持续升高，温室效应的影响正在逐渐扩大，冰川融化、海平面上升、物种灭绝等现象日趋严重，已经危及到人类自身的生存环境，气候问题再次引发世界范围内的广泛关注。

中国作为世界上碳排放总量最大的国家，在联合国气候大会提出了碳达峰和碳中和的郑重承诺，即在2030年前，二氧化碳的排放不再增长，在2060年前，实现二氧化碳的净零排放，向国际社会树立了负责任大国的形象。但是与欧盟等发达国家相比，我国能源结构调整的压力大，任务重，需要在更短的时间内完成减排工作，并适应经济结构转型，这对我国各行业发展提出了更高的要求[1]。

高速铁路系统作为能源消耗大户，理应为实现“碳达峰”和“碳中和”的目标贡献智慧和力量。本文从作者本职岗位出发，立足正在建设的郑济高速铁路现状，参考其他高铁建设的成果，在搭建能源管控平台的基础上，实现对铁路区间、工区及站房能耗的精细化计量管理和节能控制，从管理节能和技术节能两方面阐述了建设绿色铁路能源管理系统的经验，以期为高速铁路系统节约实现国家减排目标贡献铁路行业能源管控解决方案。

1.1高速铁路能源管理系统现状

随着我国铁路建设突飞猛进的发展，铁路沿线站房建筑数量持续上升，铁路建筑整体能耗不断上涨，加强铁路车站、工区和区间能耗控制和能源管理，降低运营成本，实施全面系统性节能，实现节能减排目标的任务十分迫切。

目前郑州铁路局集团管内还未建成统一的、面向用户的能源管理系统，高铁系统的用电还处于缺少计量考核的粗放型模式，计量表记设置很不规范。站房虽然普遍设有的能源管理系统，但也未对站房的电能使用起到实际的管理节能作用。部分线路区间的箱式变电站或远动变电所设的能源管理系统也仅起到了远程抄表系统的作用。

我局管内的铁路的能源管理系统一般独立设置于各车站站房内，站房独立设置能源管理系统主站在高铁车站的综合值班室内，主要为车站运行和管理人员实现站内环境、设备运行状态、用能情况以及区间用能的集中监测、监控和管理的需求，通过现场控制网络，把多功能电表、智能水表等底层计量采集设备通过智能通信采集器与主站层能源管理系统建立连接，实现对站房各子系统、重要运行设备的能耗数据采集上传、记录分析等功能。

高速铁路站房内设有BAS系统（环境与设备监控系统），BAS系统多用于实现机电设备的智能运营与监控，包括冷热源系统、通风空调系统、电扶梯系统等等，侧重于设备的启停控制和管理。

从绝大多数已运行项目的执行方式来看，高速铁路的能源管理系统主要起到能耗数据采集、分类分项统计计量、能效分析等替代人工抄表和初步统计分析的作用，与控制系统脱节，无法实现节能策略，节能价值没有充分发挥，而BAS系统承担的控制任务只关注各子系统和重要设备的正常运行，对如何保持高效运行普遍缺乏专业性和主观能动性，管理节能和技术节能没有进行有机融合，造成无法有效实现全面系统性节能。

1.2能源管理系统在铁路电力供电系统中的应用前景

铁路系统的能耗主要集中在铁路车站、沿线综合维修工区、沿线区间设备用电三部分。铁路车站作为公共建筑之一，是铁路系统的能耗大户。铁路车站的能耗主要来自于空调、照明和电梯。其中空调能耗占总能耗的比重高达60%-80%，照明能耗占总能耗的比重在10%-20%之间，电梯能耗约占总能耗的10%左右。然而实际上铁路车站的能源利用效率是比较低的，例如站房的中央空调系统长期采用恒定工况运行，照明设备和电梯设备一般处于全天候运行状态等等，存在着大量的能源浪费，但是由于铁路站房的信息化集成水平和管理水平不足，无法及时了解能源消耗和损耗情况，从而导致无法制定合理的节能管理措施和指标任务，运维管理人员基本凭借经验对能源消耗情况进行判断和计划制定，另一方面，由于能耗计量管理精细化程度不够，运维管理人员缺乏专业节能知识，节能改造方案无法切实有效落地，同时也缺少标准化评价体系，无法对节能改造效果进行合理化评估，导致减排结果模糊不清。

铁路区间的箱变主要为信号中继站、通信基站等重要负荷进行供电，但是由于铁路沿线空间跨度大，存在设备分布范围广、运维管理难度大的问题，运维管理人员很难对铁路全线的能源消耗情况进行精细化的计量管理。沿线综合维修工区、车站综合楼是铁路运营维护人员主要工作办公、住宿的区域。目前对于工区办公、生活用电、区间运营设备用电的管理基本上属于粗放型管理，大部分处于用多少电产权公司交多少电费的情况。致使广泛存在各用电单位没有节电意识，不愿意在节约电能上想办法、上设备。

总体上来说，对于高速铁路的运维管理人员来说，传统的能源管理系统无法提供明确有效的经验指导，只是对数据进行多维度的统计分析，为高铁的节能工作提供数据依据，本身还是停留在管理节能的层面，无法切实有效的解决运维管理人员经验不足的问题，无法代替人进行智慧决策处理，另一方面，BAS系统等专业设备控制厂家只关注设备的正常启动运行，对如何执行节能控制策略，实现设备及子系统的节能降耗普遍缺乏专业知识和主观能动性，运维管理人员更无法从相关系统中获取不同场景下的节能控制方法和执行步骤。

为了实现能耗定额管理目标，系统性降低能源消耗，需要将管理节能和技术节能两方面进行有机融合，将多系统的能源管理系统进行整合，以能源数据指导节能控制，以节能控制降低能耗，让能源管理实现智慧节能管理和决策大脑的作用，能够代替运维管理人员发现日常管理中的跑冒滴漏等能耗现象，并进一步运用节能控制策略实现对重要子系统和运行设备的优化控制，使其在高效区持续运行，并通过有效的综合能效评估考核对节能控制效果进行实时评估，通过不断的自主学习修正节能控制策略，使其朝着提升能效的方向进行。

为此急需打造一套完整的、具有先进水平的新一代标准化、数字化、智能化的高速铁路能源管理系统。

2 高速铁路能源管理系统的基本原理

近年来随着我国高速铁路技术的快速发展，沿线铁路各系统的信息化水平不断提高，使建立集成共享的信息平台，实现了车站、工区、区间各系统间的信息互通与资源共享[2]成为了可能。为综合能源管理自动化系统的实施建设创造了优渥的底层硬件基础，形成了工业以太网络和底层现场总线等基础架构，另一方面，低压配电柜、环控电控柜内智能仪表可以通过冗余的现场总线，将数据通过智能通信管理机上传至综合监控系统，形成了高可靠性、高冗余度的现场通信网络，这些都为能源管控系统的实施搭建创造了有利条件[3]。

2.1系统架构

高速铁路能源管控系统的系统总体结构如下图所示：

图1系统网络结构示意图

系统采用分层分布式、开放式模块化结构设计，主要由主控层、通信管理层、现场控制层组成，提高了系统的安全性、可靠性和易扩展性[3, 4]。通信系统网络结构设计如下：

1）主控层

郑州局集团公司各基础段、供电段结合负责管理的线路设综合能源管理主机（兼水电收费系统），能源管控系统的服务器部署在高铁车站的消防控制室内，主控层通过通信管理层和现场控制层相连，执行设备的数据采集、设备状态的监视和管理控制等功能，是系统的管理中心。主要由服务器、打印机及能源管控软件等组成。负责对数据的汇总、展示、处理，对用能数据的分项分类分区域统计，实现能源计量、能耗指标与定额管理、节能潜力分析等能源管理功能。能源管控系统能够通过标准通信接口(如OPC、Modbus TCP等)或定制开发的专用接口与系统内网的第三方设备（如视频摄像头、气象监测仪等）和系统(如BAS系统、门禁管理系统等)进行在线数据交互，获取设备运行状态或其他目标数据进行综合分析。车站运维管理人员也可通过部署在外网的Web应用服务器，以Web端访问页面或移动端应用程序的方式对站内设备和能耗情况进行远程监测和查询。

2）通信管理层

通信管理层通过电力运维通道实现主控层和现场控制层的数据传输，包含通信管理机、工业以太网交换机、光纤网络交换机等通信设备。通信管理层主要进行采集数据的处理、储存、调配以及通信协议的转换，并接入网络层，将本站将处理的数据上传和接受主控层下发的设定参数或控制信号等指令。智能通信管理机自身支持数据存储以防止因网络通信中断造成的数据丢失，该设备同时也支持接入其他非电计量表计，如智能水表、热能表、智能照明控制模块、电动排烟窗控制模块等，并预留与第三方系统或设备接入交互的通信接口。

3）现场控制层

现场控制层包括间隔层设备主要包括安装在弱电间、环控室和综合变电所内的智能测控仪表、PLC装置等。现场控制层与通信管理层相互独立，不受通信状况的影响。

2.2系统交互

高速铁路综合能源管理系统作为综合性的能源监测和节能控制分析平台，承担着站房、工区及区间总体的碳减排目标，为了确保目标的顺利达成，以及节能管理和改造方案的有效实施落地，涉及到和车站内众多子系统的数据交互对接，通过数据交互集成，高速铁路能源管控系统能够实现对区间及站房内设备系统运行水平的全方位管理和控制，有效提高系统运行水平，实现节能降耗提效的目标。

系统交互和集成的数据来自能耗监测系统、智能照明系统、电动排烟窗系统、BAS系统、FAS系统、商户预付费系统、户外综合气象监测仪、视频摄像头等不同系统和设备，不仅包括对车站中候车厅、售票厅、出站厅、站台、停车场、商户、办公区域等区域的各类用能数据、环境状态和相关用能设备运行状态参数的在线监测采集，对各系统和设备故障事件的记录和报警，还包括对摄像头、智能照明模块、电动排烟窗、冷水机组、水泵等设备下发遥控命令，根据特定场景自动或手动控制用电设备执行节能运行方案。高速铁路能源管控系统主要集成的设备和系统以及相应通信标准如下表所示：

表1 系统集成列表

3 高速铁路能源管理系统在郑济铁路电力供电系统中的应用设计

高速铁路综合能源管理系统应用通信电力运维通道、移动互联和智能感知等技术，对车站、工区及区间用能情况实施集中监测、监控、管理于一体的动态监控和数字化管理，实现站内设备及区间用能安全动态信息实时监测监控，并能够持续改进和优化能源利用效率及运行管理水平。

（1）规范化电能计量设计

电能计量设置应满足不同用户的独立计量要求，主要用户包括：通信、信号、信息、防灾及救援、隧道通风、消防、公安、商业、广告、公网、电力、电气化、给排水、工务、车务、机务、车辆等。

1）站房10/0.4kV变电所。

① 低压总进线回路应设置电能计量表。

② 通信、信息、电力（变电所、电气化房间）、公安、 商业、广告、公网等非车站用户应在变电所低压出线回路设置独 立电能计量表，两个及以上用户共用同一低压回路时应在配电箱 增设电能计量表。

③ 变电所向站房外供电的低压回路应设置电能计量表。

2）10/0.4kV综合变电所、电力远动间、箱变

① 低压总进线回路应设置电能计量表。

② 对于用户专用低压馈出回路，在各低压出线回路分别 设置电能计量表，下级配电箱可不再分设电能收费计量。

③ 两个及以上用户合用的低压馈出回路应设置电能计量表，下级配电箱按不同用户计量需要增设电能计量表。

3）单身宿舍电能计量应按一户一表设置，电能计量表集中设于楼层配电箱的电表箱内。 4）电能计量表计应符合以下要求。

① 应取得“中华人民共和国制造计量器具许可证（CMC或 CPA）”认证。

② 必须是专业电能计量表计，不得采用普通多功能电力 仪表替代。

③ 电能计量数据无法修改及接线可铅封。

④ 停电后电能计量数据不会丢失。

⑤ 具备485通讯接口。

⑥ 计量表计精度等级不低于1.0级，配套电流互感器不低于0.5S级。

⑦ 低压柜、箱变内需兼做屏柜电流、电压显示仪表。

（2）实现智能化节能设计

实现对车站及区间用能数据的分项分类分区域统计，碳排放量核算统计，实现能源计量、能源质量监测、能耗统计、能耗指标与定额管理、节能潜力分析、用能安全监控与管理等多方面能源管理功能，通过对车站空调系统运行数据的深入挖掘分析，优化空调系统的运行状态，实现主动式的节能降耗控制，并可对系统节能效果以及一次设备运行状态进行指标化的定量评价管理，使得节能控制及减排目标考核定量化，一次设备的健康度状况透明化，帮助管理人员进行科学合理的评估管理。基于能源管控系统可帮助铁路系统实现：

1）全面详细地掌握车站、工区及区间的用能情况，按照分类分项分区域统计能耗数据，方便灵活地按照组织计量结构进行数据的统计对比分析，准确计算碳排放量，为定额能耗管理的实施打下坚实基础。

2）深入挖掘车站的运行能耗数据，发现空调等系统的内在运行规律，实施主动的节能改造控制策略，让系统在高效区持续运行，实现节能降耗。

3）建立完善的指标化评价体系，让空调等系统的能效评估和一次设备的运行状态有据可循，可按需灵活设置能效考核目标，帮助运维管理人员实现科学量化的能效管理和设备管理。

4）考虑结合智能断路器等设备，监控配电一次设备的健康状态，实现快速故障诊断，增加设备可靠性的目的。

3.2 能源管理需求分析

郑济铁路建设规模大，对系统的可靠性和安全性要求高，负荷密集、供电容量大，并承担着碳减排的社会责任，因此对能源管理系统提出了更高的要求：

1）安全可靠性要求。郑济铁路为350km/h的运营时速必将伴随着更高的要求，需要确保运营设备、照明、通风空调等系统的持续可靠运行，综合能源管理系统需要长期稳定运行。

2）能源成本要求。铁路系统的运行将消耗的大量的能源，要实现节能降耗并进行碳减排，首先就需要对铁路系统的能源消耗情况进行精细化的统计管理，了解能源消耗和能源成本分布情况，才能进一步进行节能降耗和能源成本控制。

3）运维管理要求。对于区间、工区及高铁站房的运维管理人员来说，设备分布范围广，跨度大，为实现分散控制和集中管理，降低运维管理人员的运维管理难度和强度，要求能源管理系统具备标准化、数字化、智能化的特点，减轻运维管理人员劳动强度。

4）节能降耗要求。为响应国家碳减排的政策要求，能源管理系统必须具备智慧管理和智慧决策的功能，帮助运维管理人员更好的发现跑冒滴漏等能源浪费现象，实现能耗定额管理目标，并针对专业子系统和重要运行设备，结合能源消耗规律，实施科学有效的节能控制策略，最终达到节能降耗，全面提高系统能效水平的目标。

5）系统应具有开放性。应对其他厂家的设备或子系统智能设备上传的信息具有开放性，便于接收其他系统的信息。实现系统功能的集成性。

3.3 解决方案

1）能耗计量及碳排放量核算

要实现减排的目标，第一步也是关键的一步就是建设精细化的计量监测体系，只有在全面监测铁路车站、工区及区间用能分布，获取第一手用能数据的基础上，才能进行下一步的异常用能数据对比分析，节能改造控制等工作。

通过在铁路车站及区间各用能区域安装能耗计量表计，进行实时在线数据采集监控，并依据《国家机关办公建筑和大型公共建筑分项能耗数据采集技术导则》，建立了分类、分项、分区域和分商户能耗计量模型，真正实现了对车站系统设备及区间用能情况全方面立体的监测管理，建立了精细化科学的计量监测体系。分项用电计量模型示例如下表2所示。

表2 分项用电计量模型示例

在此基础上，通过在多维度下对能耗数据的变化趋势进行横向和纵向的对比分析，识别出了日常运营管理中的异常用能现象，发现了容易被运维管理人员忽视的能源浪费行为，并及时采取了有针对性的措施进行改进。

另一方面，基于精细化的计量监测体系，依托于能源管控平台，依据国际标准ISO14064

对站房及区间的碳排放核算边界、核算范围、各类能源（电、水、燃气）的碳排放因子进行了统一规定划分，设置了碳排放量核准计算专家库，实现了碳排放量的实时监管和全生命周期追踪，对节能减排的效果和目标的达成了定量化的描述和判断。

2）能效预警与用能计划

通过对区间及站房各区域、各系统、各设备长期运行历史能耗数据的统计分析，结合大数据技术，以及不同场景下的站房建筑运行模式，构造了适用于铁路站房的能源预测算法。通过对能耗值进行预测分析，设置了能效预警机制，

应用能效预警使得用能计划管理形成闭环，运维管理人员在设置用能计划时有据可循，能够更为科学的进行用能管理，同时用能目标的达成以大数据分析为基础，更易形成管理闭环，能够及时发现用能变化情况。

这里将能源定额目标分解细化到铁路车站运营管理流程中的不同的部门和角色，为纳入管理考核的部门、设备对象设定用能定额目标，并自动监视在车站运营过程中实际用能是否超出定额目标，主动预警和报警，提醒提前采取处理措施。通过定期(如每月、每季度、每年等)自动生成铁路车站综合能效评估报告，包括分类能耗总量、变化趋势及成本费用、分项能耗占比、主要用能区域能耗对比、能源定额统计等内容，为中、高层管理人员提供能耗数据统计结果汇总和分析结论。同时也将能效指标纳入到各部门考核目标中，提升运维管理人员提高能源利用效率的积极性。并针对具体节能措施实施前后统计期内的能效指标数据对比，计算评估节能量和节能效果，跟踪记录节能足迹，辅助运维管理人员制定进一步的节能管理策略。

3）空调系统控制

站房内空调系统的能耗可占总能耗比重可高达60%-80%，是站房内的能耗大户，具有非常大的节能空间[5, 6]。

通过对大量铁路站房空调系统运行规律与能耗数据的深入分析，我们发现当前BAS系统对空调系统的控制还停留在维持系统正常运行的目标阶段，无法对空调系统进行有效的节能运行控制，传统的能耗监测系统也只停留在对能耗数据的统计管理层面，无法对控制系统的控制目标作出有效的指导。问题产生的原因主要在于两点，一是没有对空调系统运行数据进行深入挖掘研究，发现其内在运行规律，二是没有进行技术创新，主动去解决空调系统控制优化过程中遇到的问题。因而有必要在深入理解空调系统运行规律的基础上，对能耗数据进行全面分析挖掘，积极进行技术创新，进行主动式的节能控制，并以能效数据指导控制参数目标，使得空调系统能够在高效区持续运行，实现节能降耗的目标。

为了实现空调系统的高效运行，我们主要做了以下几方面工作：

负荷预测。客流量对空调系统的负荷影响巨大，包括人员散热散湿形成的冷负荷，新风负荷等，通过对客流量数据、室内外气象参数的统计分析，对空调系统负荷进行了科学预测，提前预知负荷变化情况，从而为控制系统的提前控制提供了便利，消除了水系统控制的盲目性和滞后性，控制效果良好。

冷水机组控制策略。根据站房负荷变化情况，及时调整冷水机组的启停和运行台数，使得冷水机组持续运行在高效区，提高机组COP。并根据不同的场景制定模式控制策略，比如夜间低负荷情况下，通过提高冷水机组的出水温度来提高机组的运行效率。

输配管网控制。通过对不同支路温度、压力、流量等数据的实时监测统计，结合负荷变化情况，及时调整管路沿程水泵、阀门状态，使得在满足末端冷负荷需求的前提下，水系统运行在优化工况。

冷却水系统控制。基于等边际能效原则，持续寻找冷却水系统（包括冷水机组、冷却水泵、冷却塔等设备）能效最优的控制方向，通过改变冷却水泵、冷却塔风机的运行频率，控制冷却塔供回水温差，使得冷却水系统整体能耗降低。

全局COP优化控制。采用神经网络方法建立空调系统的能效模型，完成末端空调、冷冻水系统、冷却水系统的解耦计算，实现系统层面的能效寻优，以实现空调系统整体COP最优为最高目标进行调节控制。

经过一系列的节能改造和控制优化，空调系统的运行能耗明显降低，能源利用效率的提高也使得碳排放量随之减少。

4）照明系统控制

照明系统的能耗占总能耗的比重在10%-20%之间，也具有巨大的节能降耗空间。

能源管控平台通过与智能照明控制模块进行交互集成，优化调节控制策略，并以能效指标作为考核任务，达到了较好的节能降耗效果。

通过对不同照明场景的分析和能耗数据统计，依托能源管控平台进行不同场景的手动或定时自动切换。实时监测车站各区域照明灯具和控制模块工作状态，通过集成的户外综合气象监测仪和站内视频摄像头，掌握车站各区域的实际亮度情况，对指定回路或区域的照明灯具进行遥控开启和关闭（对具有调光功能的LED灯具的照度进行遥调），简化车站值班人员操作，提高值班工作效率。与室内照度传感器结合，可根据车站区域的实际照度自动调节灯光；与列车调度指挥系统（TDCS）联动，可根据列车到发时间，定时开关照明灯具，从而实现车站照明设备使用过程的集中节能控制和智能化动态管理。

5）评估电气设备性能

除了设施能源管理以外，还可研究用于设备问题诊断和设备性能评估。实现这些功能的方法是从传感器、继电器、脱扣单元、电能表和其它与楼宇电气系统连接的智能配电设备中采集电能测量数据、运行数据（诊断和状态）和配置信息（设备设置）。

机器或设备供电回路电气特性的突然变化，往往是设备性能下降或部件故障的迹象。例如，检查电压和相位不平衡能够确定变压器、电机或发电机的绕组是否发生故障。如果某个设备消耗的电流变得比以往更多，那么这可能是设备老化的迹象。此类分析能够显著促进由被动的运行与维护方式向主动、明智的运行与维护方式的转变。

4 前景与展望

能源计量统计是实施搭建能源管控系统的基础，只有把各个计量层级的能耗数据全面统计管理起来，才能有效识别出节能空间或异常用能设备，并且为控制模型的自主学习提供可靠的数据支撑；只有依据国家规范的指导建立分类分项分区域能源统计计量模型，并配置安装相应计量表计，才能实现精细化的计量管理，才能对碳排放情况有全面的追踪和管理，才能对重点用能设备的能耗情况或运行状态有全面直观的把握；更进一步，针对空调、照明系统等，只有计量精细且全面，才能深入挖掘到数据背后隐藏的负荷变化、系统及设备运行规律，从而实现合理控制，在带给乘客更舒适体验的同时进行节能降耗。

由于个人能力有限，本文只是根据设备厂家提供的技术方案，结合我自己的工作经历编编辑探索的研究建议。文中部分系统功能将在郑济高铁濮阳至省界段工程中实现，更强大的功能只能在以后的项目或技改中探索实践了。个人见解有限，欢迎各位专家指正。

参考文献

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[2]刘小强. 铁路车站电力能耗监测系统设计[J]. 电工技术, 2017(03):53-54.

[3]张伟, 朱华争. 高速铁路站房用电管理系统方案[J]. 现代建筑电气, 2019,10(07):15-18.

[4]屈洪鑫, 李建民. 上海虹桥铁路枢纽站能源管理系统介绍[J]. 建筑电气, 2011,30(02):31-35.

[5]郝佳, 赵隆, 朱永灿, 等. 基于物联网和PLC的中央空调节能监控系统设计[J]. 工业仪表与自动化装置, 2021(02):45-49.

[6]白亚梅. 中央空调系统节能改造设计[J]. 电子世界, 2021,5(06):162-163.