王飛

關(guān)鍵詞：智能化；能源管理系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)通信；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

2020年9月，中國在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上承諾，將采取更加有力的政策和措施減少碳排放，力爭(zhēng)于2030年之前使二氧化碳的排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年之前實(shí)現(xiàn)碳中和（簡稱“雙碳”目標(biāo)） [1]，此舉展現(xiàn)了我國應(yīng)對(duì)氣候變化的堅(jiān)定決心，預(yù)示著我國能源結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生重大變革，進(jìn)一步促進(jìn)我國能源產(chǎn)業(yè)綠色化，國家鐵路集團(tuán)積極響應(yīng)國家號(hào)召全力推進(jìn)鐵路節(jié)能減排的各項(xiàng)工作。

北京鐵路局集團(tuán)積極落實(shí)國家鐵路集團(tuán)節(jié)能減排相關(guān)工作部署，充分研究管轄范圍內(nèi)鐵路能源計(jì)量、監(jiān)測(cè)、統(tǒng)一管理的可行性，逐步把管內(nèi)各條線的電、水、熱、燃?xì)獾饶茉从?jì)量數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)接入北京鐵路局能源管控平臺(tái)，并上傳至國家鐵路集團(tuán)數(shù)據(jù)中心。本文以北京鐵路局某高速鐵路為例，搭建高速鐵路智慧能源管理系統(tǒng)平臺(tái)，并預(yù)留北向接口，實(shí)現(xiàn)全線用能設(shè)備的集中管理。

1 高速鐵路能源管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

1） 高速鐵路在建設(shè)前期，能源管理系統(tǒng)設(shè)置參差不齊，無法實(shí)現(xiàn)全線車站的能源管理系統(tǒng)集成，鐵路局對(duì)于各個(gè)站、段、工區(qū)、區(qū)間的能耗無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析、診斷、管理，無法依靠技術(shù)和管理創(chuàng)新，充分發(fā)揮設(shè)備性能，降低運(yùn)行能耗。

2） 沿線各站均無具體的節(jié)能策略，對(duì)能耗設(shè)備無法集中監(jiān)測(cè)、控制和報(bào)警管理，設(shè)備只能就地控制，運(yùn)維管理工作量大。

3） 采用傳統(tǒng)人工抄表的粗放式管理方式，造成能耗統(tǒng)計(jì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、數(shù)據(jù)時(shí)效性和準(zhǔn)確性差。

4） 無法實(shí)時(shí)監(jiān)控能耗設(shè)備，對(duì)于能源浪費(fèi)、不合理等問題無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不能杜絕能源浪費(fèi)問題。

5） 對(duì)于發(fā)現(xiàn)的高能耗問題無法自動(dòng)定位原因，不能有效提升用能水平。

6） 對(duì)能源使用單位缺少有效管理抓手，各單位節(jié)能減排熱情不高。這些都導(dǎo)致鐵路局用能高企、能源成本居高不下等現(xiàn)狀，急需改善。

2 智慧能源管理系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用與北京鐵路局集團(tuán)能源管控平臺(tái)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，確保系統(tǒng)的平穩(wěn)接入，系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，預(yù)留擴(kuò)展接口方便后期系統(tǒng)的拓展與升級(jí)，系統(tǒng)充分考慮現(xiàn)有能耗設(shè)備和系統(tǒng)，確保系統(tǒng)與現(xiàn)有體系兼容，同時(shí)整體上具備較好的容錯(cuò)能力，確保系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 智慧能源管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧能源管理系統(tǒng)采用集中部署三級(jí)應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)。

1） 根據(jù)國家能源管控的相關(guān)要求，國鐵集團(tuán)根據(jù)實(shí)際情況在數(shù)據(jù)中心搭建鐵路能源管控平臺(tái)，集中管控各鐵路局能耗信息，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的收集、處理與分析，并從多維度形成分析報(bào)告，為國鐵集團(tuán)節(jié)能減排工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2） 北京鐵路局根據(jù)國鐵集團(tuán)能源管理的要求，在國鐵集團(tuán)數(shù)據(jù)中心部署北京鐵路局集團(tuán)能源管控平臺(tái)，逐步把管轄范圍內(nèi)各條線的電、水、熱、燃?xì)獾饶芎男畔⒓{入系統(tǒng)集中管理，為鐵路局各業(yè)務(wù)部門提供所轄車站能耗數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、診斷、預(yù)警、報(bào)警和用能管理等功能，實(shí)現(xiàn)跨部門、跨系統(tǒng)的功能共享，為鐵路局制定合理的節(jié)能策略提供依據(jù)，從源頭杜絕能源浪費(fèi)。

3） 沿線各車站、站區(qū)、區(qū)間箱變等用能設(shè)備處設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)智能數(shù)據(jù)采集箱，采集電、水、熱、燃?xì)獾饶芎男畔?，通過綜合信息網(wǎng)上傳至鐵路局能源管控平臺(tái)。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

通過對(duì)全線車站、站區(qū)、工區(qū)、區(qū)間、動(dòng)車所的房屋及其他生產(chǎn)生活房屋的電、水、熱、蒸汽等能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、匯總、分析、診斷、報(bào)警管理等流程，全面推進(jìn)節(jié)能減排管理工作。

數(shù)據(jù)處理邏輯主要包括：

1） 原始數(shù)據(jù)

包括車站、站區(qū)、工區(qū)、區(qū)間、動(dòng)車所的房屋及其他生產(chǎn)生活房屋的電、水、熱、蒸汽等能耗采集數(shù)據(jù)；部分石油、液化石油氣、客流量、能源單價(jià)等無法計(jì)量的數(shù)據(jù)，通過軟件定期錄入的錄入數(shù)據(jù)；車站、站房等面積、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、安裝位置、電路結(jié)構(gòu)、分項(xiàng)分戶結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2） 目標(biāo)數(shù)據(jù)

通過有效性審核、異常處理、拆分匯總等數(shù)據(jù)預(yù)處理過程，并根據(jù)節(jié)能分析、管理、考核等業(yè)務(wù)需求，將原始數(shù)據(jù)處理成節(jié)能管理所需的目標(biāo)數(shù)據(jù)，幫助各用能部門、用能環(huán)境、用能系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能工作的分解細(xì)化和落實(shí)。

數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖2所示。

2.3 智慧能源管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

智慧能源管理系統(tǒng)通過對(duì)車站、站區(qū)及其他生產(chǎn)生活房屋的電、水、熱、 燃?xì)獾饶芎臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、匯總，并通過系統(tǒng)的分析、診斷、報(bào)警等操作，幫助管理者準(zhǔn)確掌握能源消耗狀況和發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各用能環(huán)節(jié)中的跑冒滴漏和浪費(fèi)現(xiàn)象，并以此為依據(jù)制定更節(jié)能的運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)更科學(xué)的技術(shù)節(jié)能，從而全面推進(jìn)鐵路局的節(jié)能減排工作。

智慧能源管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集和處理子系統(tǒng)、 在線監(jiān)控信息管理子系統(tǒng)、能耗分析與管理子系統(tǒng)。

2.3.1 數(shù)據(jù)采集和處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集和處理子系統(tǒng)是后臺(tái)處理軟件，提供能耗數(shù)據(jù)的采集、傳輸、補(bǔ)調(diào)、審核、異常處理等功能，同時(shí)提供對(duì)底層采集裝置、采集網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測(cè)、錯(cuò)誤診斷、校時(shí)服務(wù)、固件升級(jí)等重要基礎(chǔ)功能。主要功能包含：數(shù)據(jù)采集和傳輸管理、數(shù)據(jù)補(bǔ)調(diào)管理、數(shù)據(jù)審核和異常數(shù)據(jù)處理、能耗數(shù)據(jù)預(yù)處理計(jì)算、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、鏈路管理、錯(cuò)誤診斷、校時(shí)服務(wù)。

2.3.2 在線監(jiān)控信息管理子系統(tǒng)

在線監(jiān)控信息管理子系統(tǒng)是能耗監(jiān)測(cè)信息錄入、管理的軟件，提供車站基本信息錄入維護(hù)、能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新維護(hù)、能耗建模、分時(shí)段計(jì)價(jià)費(fèi)率維護(hù)等功能，并提供權(quán)限、日志等管理功能，是原始采集數(shù)據(jù)與能耗分析、管理實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系的重要模塊。主要功能包含：建筑物基本信息管理、電路結(jié)構(gòu)描述、能耗建模、分時(shí)分段計(jì)價(jià)費(fèi)率維護(hù)和能耗費(fèi)用計(jì)算、授權(quán)訪問與遠(yuǎn)程訪問、原始數(shù)據(jù)查詢、日志系統(tǒng)。

2.3.3 能耗分析與管理子系統(tǒng)

能耗分析與管理子系統(tǒng)是用戶主要使用界面， 提供對(duì)能耗數(shù)據(jù)的總覽、查詢、統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、分析、診斷等功能，并實(shí)現(xiàn)用能管理、預(yù)警報(bào)警、報(bào)表打印等節(jié)能管理工作的信息化，是實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能、管理節(jié)能的重要工具。主要功能包含：能耗總覽、能耗查詢、能耗統(tǒng)計(jì)、 能耗對(duì)比、能耗分析、節(jié)能診斷、用能管理、節(jié)能足跡、報(bào)警預(yù)警、報(bào)表及打印。

2.4 智慧能源管理系統(tǒng)組成

智慧能源管理系統(tǒng)是一個(gè)集物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體監(jiān)控技術(shù)、Intranet/Internet 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Web GIS 技術(shù)、Web Service 軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等于一體的數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)[2-4]。系統(tǒng)采用國鐵集團(tuán)、鐵路局、車站等不同等級(jí)權(quán)限進(jìn)行授權(quán)訪問，為訪問人員提供一個(gè)合理、高效、界面友好的能耗信息管理平臺(tái)。

系統(tǒng)以能耗數(shù)據(jù)的采集為基礎(chǔ)，并與車站既有設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)深度融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)控，并通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合分析、節(jié)能診斷、優(yōu)化控制策略的自動(dòng)生成和下發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)車站能耗設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、能耗分析及能效評(píng)估等綜合管理功能，有效提升設(shè)備的運(yùn)行效率，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效節(jié)能控制和運(yùn)行管理。

系統(tǒng)由能耗計(jì)量器具、能耗采集通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、數(shù)據(jù)中心、系統(tǒng)軟件、專業(yè)軟件等組成，具體如下：

1） 能耗計(jì)量器具：主要包括度量電、水、燃?xì)狻幔ɡ洌┝康饶芎牡膬x表及輔助設(shè)備，應(yīng)為遠(yuǎn)傳智能表具，主要安裝在變配電所、箱變、給水所等位置。

2） 能耗采集通信設(shè)備：主要包括超融合智能終端及成套采集通訊箱等設(shè)備，用于完成一定范圍內(nèi)能耗信息采集和傳輸[5]，具有相關(guān)邊緣計(jì)算、通信協(xié)議轉(zhuǎn)化、本地邏輯控制、 數(shù)據(jù)中心信息交互等功能，它通過信道對(duì)其管轄的各類表具的信息進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)，并可通過有線方式采集上傳數(shù)據(jù)，主要安裝在變配電所、換熱站、給水所等位置。

3） 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備：通過通信傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集層數(shù)據(jù)的傳輸匯聚，并經(jīng)由交換機(jī)等設(shè)備最終接入通信數(shù)據(jù)網(wǎng)形成一個(gè)整體。主要由交換機(jī)及光電轉(zhuǎn)換器、光纖收發(fā)器、跳線、終端盒子等配套設(shè)備、網(wǎng)線光纖等組成。交換機(jī)實(shí)現(xiàn)超融合智能終端與就近綜合信息網(wǎng)的鏈接，主要安裝在110kV、10kV變電所、配電所、道岔融雪箱變、綜合工區(qū)等位置。車站設(shè)置光電轉(zhuǎn)換器；區(qū)間設(shè)置光纖收發(fā)器，區(qū)間箱變內(nèi)放置收發(fā)器A 端，通信基站放置B端。

4） 數(shù)據(jù)中心：本系統(tǒng)利用國鐵集團(tuán)數(shù)據(jù)中心能源管控平臺(tái)的既有硬件資源，實(shí)現(xiàn)本線路全部能耗數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、展示、管理。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，本線路涉及約20000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。采集頻率每5分鐘一次，則可計(jì)算每年數(shù)量為20000×365×288=2.1×109條。按照每條數(shù)據(jù)記錄 0.5KB 進(jìn)行估算，每年的數(shù)據(jù)量大約1T，系統(tǒng)運(yùn)行 5 年后總數(shù)據(jù)量約為 5TB。根據(jù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量、訪問頻次，對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行擴(kuò)容。

5） 系統(tǒng)軟件：主要包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、防病毒軟件等組成。操作系統(tǒng)是指安裝在大型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)，是按應(yīng)用領(lǐng)域劃分的三類操作系統(tǒng)之一，主要承擔(dān)系統(tǒng)管理、配置、穩(wěn)定、安全等功能。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫及其管理軟件組成，為能耗數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、 維護(hù)和應(yīng)用軟件提供數(shù)據(jù)管理[6]。防病毒軟件主要完成系統(tǒng)的檢測(cè)、防護(hù)，及時(shí)解除或刪除惡意軟件程序。數(shù)據(jù)中心提供硬件設(shè)備資源，相關(guān)的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件新增，安裝在數(shù)據(jù)中心[6-7]。

6） 專業(yè)軟件：專業(yè)軟件為能源管理系統(tǒng)軟件，安裝在數(shù)據(jù)中心。由數(shù)據(jù)采集和處理、在線監(jiān)控信息管理、能耗分析與管理等幾大子系統(tǒng)組成。通過對(duì)車站、站區(qū)及其他生產(chǎn)生活房屋的電、水、熱、蒸汽等能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、匯總，完成對(duì)能耗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定精確收集、存儲(chǔ)，并通過自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、分析、診斷、報(bào)警、管理等系列流程，幫助鐵路局全面推進(jìn)的節(jié)能減排工作。

3 數(shù)據(jù)傳輸管理方案

3.1 數(shù)據(jù)采集及傳輸

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，本系統(tǒng)采用終端有線連接方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與上傳。在配電所、變電所、區(qū)間箱變、道岔融雪箱變、工區(qū)箱變、給水所等用能采集點(diǎn)設(shè)置超融合智能終端，通過有線的方式，將計(jì)量表具接入終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸

智慧能源管理系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)，區(qū)間箱變利用通信傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚，將超融合終端通過 1×FE（o） （1×2M） 接口就近接入傳輸設(shè)備，并根據(jù)實(shí)際需求對(duì)既有傳輸設(shè)備擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在車站信號(hào)樓匯聚。

在車站信息機(jī)房新設(shè)能源管理三層交換機(jī)，站內(nèi)采集點(diǎn)采用星型匯聚方式接入能源管理三層交換機(jī)，三層交換機(jī)通過上連綜合信息網(wǎng)（下連通信傳輸網(wǎng)），將能耗信息上傳至北京局能源管控平臺(tái)，如圖3所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)安全管理

3.2.1 安全等級(jí)

根據(jù)《鐵路信息化總體規(guī)劃》定義的網(wǎng)絡(luò)安全體系架構(gòu)，本系統(tǒng)主要涉及安全技術(shù)體系和安全運(yùn)行體系中的部分內(nèi)容，結(jié)合等級(jí)保護(hù)要求，系統(tǒng)安全體系充分利用既有數(shù)據(jù)中心和鐵網(wǎng)護(hù)欄中已有安全防護(hù)手段和設(shè)備，結(jié)合既有的安全環(huán)境（云安全環(huán)境）和安全支撐條件進(jìn)行建設(shè)。

3.2.3 物理安全

物理安全依托各站機(jī)房、生產(chǎn)等房屋的安全管理體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。各關(guān)鍵地點(diǎn)均有攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。入口設(shè)有電子門禁系統(tǒng)。設(shè)備進(jìn)出機(jī)房都需要經(jīng)相關(guān)主管部門審批，并登記備案。各房屋符合防雷擊、防火、防水防潮、防靜電、溫濕度控制的要求。設(shè)有避雷裝置、自動(dòng)消防系統(tǒng)，房屋內(nèi)溫、濕度的變化在設(shè)備運(yùn)行所允許的范圍之內(nèi)。

3.2.4 邊界安全

網(wǎng)絡(luò)安全邊界設(shè)計(jì)主要考慮互聯(lián)網(wǎng)邊界、內(nèi)外網(wǎng)邊界、應(yīng)用系統(tǒng)邊界，主要通過防火墻、防病毒系統(tǒng)保證機(jī)房環(huán)境下各主機(jī)的安全。

3.2.5 數(shù)據(jù)安全

數(shù)據(jù)安全從數(shù)據(jù)傳輸安全、數(shù)據(jù)使用安全、數(shù)據(jù)管理安全和數(shù)據(jù)備份安全等方面加強(qiáng)防護(hù)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸及使用過程中對(duì)數(shù)據(jù)的加密支持國密算。

3.3 數(shù)據(jù)接口

根據(jù)本線路實(shí)際情況，為保證高速鐵路能源信息傳輸功能的實(shí)現(xiàn)，能源計(jì)量設(shè)備、機(jī)電設(shè)備與智慧能源管理系統(tǒng)的接口要求為：能源計(jì)量設(shè)備、機(jī)電設(shè)備的通信協(xié)議應(yīng)采用市場(chǎng)上通用的 BACnet 協(xié)議（BAC?net/IP）、Modbus TCP 等通用協(xié)議。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的高速鐵路智慧能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速鐵路全線能源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和集中管理，通過自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)警等功能可以幫助管理者、使用者第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)使用過程中的跑冒滴漏和能耗不合理等現(xiàn)象，并自動(dòng)定位報(bào)警、提醒，為各單位的能源考核提供重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有效推進(jìn)北京局節(jié)能減排工作，在同類工程設(shè)計(jì)中具有一定的參考意義。