解决方案：能耗监测管理系统在铁路水电系统中应用研究
单位：北京铁路局北京供电段计量室作者：王玮
近年来，高速铁路在我国的高速发展为居民出行带来有极大的便利，同时大量车站、办公、公寓等生产建筑投入使用加大了能源的消耗。尤其铁路企业建筑分布具有数量大、分布广、耗能高的特点，能源成本在铁路运输企业操作成本中的比例逐步加大。为响应国家节能减排、绿色低碳号召，减少企业耗能、节约企业运行成本，落实北京市发改委《北京市发展和改革委员会、北京市质量技术监督局、北京市财政局关于印发北京市能源计量基础能力建设实施方案（2014年-2015年）的通知》（京发改〔2014〕2617号）精神，北京铁路局计划在北京供电段管内北京西站、北京铁路局机关大院铁路作为试点，建设2处公共建筑能耗动态监测试点并逐步推广。
图4-1能耗监测管理系统平台示意图
1国内能耗监测管理现状
能耗管理系统是一种基于网络、计算机等先进技术的现代化能源管理工具和平台。可对企业能耗数据进行采集、存储、处理、统计、查询和分析，提供企业能源消耗计划、能耗核算及定额管理。对企业能源消耗进行监控、分析和诊断，实现节能绩效的科学有效管理及能源效率的持续改进。
目前，国内大量的建筑节能技术研究还仅停留在单个系统上，未对某类建筑或某个建筑群体进行整体的能耗分析和优化技术研究。即使有的行业开始了能耗监测管理系统的应用，但由于建筑能耗的管理方面缺乏统一的统计方法和严格的统计制度，各地方、各行业的统计方法也各异，从而导致基础能耗数据资源残缺，共享度低，这极不利于我们对建筑能耗做出正确客观的把握，也不利于合理的节能规范的制定，同时在某种程度上阻碍了节能技术的应用和客观的评价。尤其铁路企业地域分散，环境复杂，在能耗管理手段上形式各异，管理水平参差不齐。北京铁路局作为首都水、电能源消耗大户，为完成北京市政府下达节能减排指标，提高水、电能源管理水平，推行水电能耗监测管理系统刻不容缓。
2能耗监测管理系统概况
能耗监测管理系统对水、电等能耗进行分类分项计量，水、电等表具数据传输至能耗数据采集器，采集器对采集到的数据进行初步分析、筛选、统计归类后把系统所需数据通过主干通信网络上传至能耗监测服务器，服务器通过对数据的分析、计算、诊断实现建筑能耗的数据管理。
能耗监测管理系统的建设提供一个公平、定量衡量各建筑用能状况的"尺子"基于规范化的能耗分项计量和监测结果，通过数据分析、诊断，实现能耗管理，行政监管，并鼓励先进、督促落后。在此基础上，还可进一步实现大型公建的分型用能定额管理。
能耗监测管理系统的建设包括三大部分：
⑴监控平台软件：
分析建筑长期运行的数据，通过各个单体建筑上传的能耗数据进行纵向、横向、多时间、多维度的对比，制定能耗标准。
⑵监控平台硬件：
①基础硬件：服务器、防火墙、不间断电源等
②基础软件：操作系统、数据库等
⑶监测终端：
①单体建筑能耗管理系统：单体建筑内安装，对能耗数据进行处理得出完整的在线能耗监测方案与细致的能耗分析诊断方案，以便节能改造和运行策略调整
②采集器：要求适应性强，兼容性强，数据传输稳定可靠，具备断点续传功能
③电表、水表：要求具有远传功能，读数稳定
从铁路建筑电气的角度，站房、公寓、办公楼等建筑的电力负荷一般分为照明负荷和动力负荷两种。照明负荷包括灯具、插座设备、计算机等220V单相电设备。动力负荷包括使用380V三相电机的大功率设备，如电梯、冷机、水泵、风机等。
3能耗监测的基本功能
3.1基本统计
⑴安装能源分类分项计量装置，实现按日、周、月、季、年对能耗总量进行统计，从而掌握能耗总量变化趋势，追踪各单位年度节能量目标的落实情况。
⑵通过用水、用电分项计量和数据远程采集，掌握重点设备用能节能运行水平情况，追踪重点用能设备节能运行水平的变化情况。
⑶通过对典型标杆设备进行远程实时动态监测，结果对比，对典型标杆设备、高能耗设备的能耗统计实现生产使用者及其管理者对自身能效水平的基本判断。
3.2能源审计
⑴重点应放在高能耗设备节能运行管理水平进行分析、审计，判断，对高能耗是否是由运行管理、操作流程造成的进行判断，为能效公示和实现低成本和无成本改造提供依据。
⑵通过数据分析和审计，确定具有评价用电指标及运行状况的代表性设备，为评判同类型设备的合理用电水平提供依据。
3.3能效公示
⑴通过对能耗数据指标的公示，让各单位了解相互之间的能耗差异，从而给生产者和管理者造成提高运行水平、节能工作的舆论压力。
⑵通过数据比较、数据分析，及时发现及预警设备老化、故障等现象，为及时进行节能改造提供必要的数据基础和依据。
3.4设备监测
⑴对设备运行状态进行实时监测，实时显示现场设备的用电状态。
⑵经过一定时间的运行数据积累，通过比较不同生产状态的能耗数据曲线等，可对设备的故障状态和部件老化等进行判断和告警。
3.5预付费管理
对收费难度较大的商户或居民实行预付费管理，有效减低水电成本，促进水电费用回收，达到节约用水、节约用电目的。
3.6数据共享
数字化能耗监管平台系统建成后，能对所有能耗设备进行实施状态监测，明确水电气等能源、资源的具体消耗流向，更能把水电能源资源消耗数据通过内部网络或GPRS无线网络共享到各管理部门，各级部门领导不用走出办公室就可以直观了解水电气等能源资源消耗情况，明确用能趋势、精确节能措施、加强节能管理，掌握数字化、信息化建设工作的主动权。
4能耗监测管理系统项目实施
本着由简至难、由点至面、先重点后一般的推广原则，北京供电段确定北京铁路局能耗监测管理项目以北京西客站、北京铁路局机关为试点开始实施。北京西站作为一座大型火车客运交通枢纽站，占地51万平方米，建筑面积为17万平方米，是典型的大型铁路现代化客运站。北京铁路局机关大院建有6橦机关大楼，属典型大型企业机关建筑群。两处试点的选取具有代表性和典型性，为下一步项目推广奠定基础。
4.1项目实施的必要性
铁路站房等大型公共建筑节能的目标是在保证服务品质的基础上降低实际运行过程中的能源消耗。要实现这个目标，需要有准确详实的能源数据作为能耗分析、统计、诊断的基础。建筑节能，一切以数据为基础，这不仅是发现问题的依据也是检验节能改造效果的标准。没有对实际用能数据真实全面的掌握，就无法科学有据地找到建筑节能的工作方向，进而开展"以用能数据为导向的建筑节能"。
就目前我局管内各站水电多采用人工管理模式。人工抄表存在诸多缺陷，如数据精确度不高、实时性差、延续性差等等。水电管理部门无法实时掌握各站、各区域的水电数据及其能耗负荷的变化，从而无法及时做出可行性调整，制定相应的管理制度。铁路站房、办公楼建筑类型多、功能划分区较复杂。目前管理中的如下主要问题急需优化。
⑴计量点覆盖不全面：
铁路站房、办公楼的用水、用电计量，一般仅覆盖在变配电室、各单位分界处，很水进行分项计量。需要逐步的健全计量点以客观准确地把握自身能源资源消费的状况，实现精细化管理的第一步，同时为制定有效的节能节约资源措施提供基础资料。
⑵用能系统缺乏实时监控：
目前铁路变配电所、站房、公办楼水、电表计量多数采用传统计量表计，设备运行情况依旧依靠人工巡查，远远不能满足安全运行的要求，当出现运行故障、设备老化等情况时，无法及时进行故障隔离使得停电范围不会扩大。对于站房照明、电梯等重要设备的电能质量也没有监测和保障，需要通过建立实时监控来保证用能系统的安全运行。
⑶计量统计依靠人工：
目前水、电用能计量统计依靠人工，统计工作繁杂方法较单一，数据的准确度受人为因素的影响大，并且大量的纸张报表不易保存和传递。需要丰富数据分析的方法，并提高准确度和及时性，同时减少人工的统计工作量。
大型站房建筑功能复杂，用能设备系统繁多。不同用能途径对应着不同用能系统，不同的用能系统又由不同的运行管理主体负责。如果仅针对一座建筑物的总能耗进行计量，就难以掌握建筑内各用能系统的实际用能状况，也就不能真正有效地管理和指导具体的节能工作。只有根据用能系统的性质和所归属的管理运行方，对各用能子系统的用能情况进行分项计量，才能了解各用能子系统的真实能耗状况。同时，为了观察各个设备子系统的运行规律和某些典型工况下的运行效率，每周甚至每天一个能耗数据，已经无法满足后期分析及诊断的要求。更大密度的数据采集势在必行。基于上述两点原因，人工抄表加手工记录等相对原始的数据采集方式已不能满足这种多分项高密度数据采集的要求。此外，庞大的能耗数据还需要一系列的维护、储存和查阅工具来进行辅助管理。能对建筑内各用能子系统进行详细分项、分系统计量，并通过相应能耗模型对数据进行统计分析的建筑能耗信息管理系统应运而生，并将成为衡量建筑用能是否合理的"尺子"，推动建筑节能的"工具"。
4.2项目实施难点
铁路大型站房、办公楼因建设年代跨距大，历经多次机构改革，生产用房使用单位分界不清，项目实施存在如下困难：
1.大量计量表计不具备数据传输功能，无法实现远程数据传输；
2.目前采用的管理是人员到现场定时抄表，涉及办公和对外运营，工作量大，能源管理不能及时到位；
3.客货运输属于特殊行业，要保证能源供应，改造过程中不能长时间切断能源供应；
4.多数计量表计安装处所不具备通信通道。
4.3实施方案设计
本次能耗监测管理改造系统主要涉及：能耗监管平台软件系统的搭建，能耗监控数据中心的建设，电力载波通信系统的搭建，水、电远传表具的升级改造，提高北京铁路局北京供电段能源管理的水平，提供节能数据基础。本次改造以北京西站、局机关办公楼群为试点，具体方案设计如下：
4.3.1改造内容
⑴机房建设：
软件平台系统采用BS架构，根据系统要求，要架设服务器，防火墙等。
⑵通信系统建设：
根据现有情况，要求不影响铁路局的正常办公或影响很小，信号稳定，不破坏现有建筑。
⑶电表更换：
三相电表有492个点位，现有的电表分为两种：一种是无远传功能的三相电表，需要更换加采集器；另一种是有远传功能的三相电表，需要加采集器；单相电表无远传功能直接更换无单相载波远传智能电表。
⑷水表更换：
水有63个点位，现有的水表为无远传功能的计量功能的表具，需要更换，且有的没有阀门，阀门有的锈死，以防发生紧急事件，需要更换。
4.3.2通信技术选择
目前市场上有三种通信技术：专线、无线、电力载波。三种通信方式对比如下：
⑴专线通信：
①RS485、M-BUS等均需另布专线，工程量大，施工周期长。
②专线线路易老化，系统维护成本高，寿命短，其物理结构特性易造成系统瘫痪。
③对于后期扩容、扩展、细化时难度大，难以接受。
⑵无线通信：
国家无线电管理委员会对"民用通信频段和功率"有严格的限定，易受天气、建筑物与环境影响，通信不稳定，加之能源表具大部分安装在地下室或竖井内，因而易出现"盲区"或被"屏蔽"，所以能源监管平台基本上不采用无线技术。
⑶电力载波：
①通信优势：无需布线；
②控制优势：通信与控制合二为一；
③工程优势：是专线施工周期的1／5～1／10；
④维护优势：通信线路免维护；
⑤平台优势：创造平台四融合（能效监管+能源控制+能耗控制+安全预警），综合功能强，使用寿命长。
根据市场多方面考察比较，选择电力载波通信技术，采用军用跳频和扩频技术研发出多个通信频段，完全克服了远距离传输和抗干扰问题。
4.3.3能源监测管理平台架构及组成
能源监测管理系统采用浏览器/服务器（B/S）利用单位局域网的预留虚拟ID，完成整个能源监测管理系统的网络搭建。通过网络实现数据的上传、命令的下发。能耗监测管理系统平台分为应用层、操作层、展示层，如图4-1所示。系统对设备的运行状态进行安全、可靠、准确地实时监视、控制和保护，后台监控软件能够准确、及时地进行事件记录、各种图表的汇总、分类、输送或上报，并具统计、分析功能。
图4-1能耗监测管理系统平台示意图
4.3.4软件功能实现
⑴软件运行环境：
数据库：SQLServer2005
操作系统：windowsServer2003以上
服务器软件：Tomcat6.0
⑵软件技术框架：如表4-1所示。
表4-1软件技术框架及作用
⑶软件的功能特点：基础功能符合《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统技术导则》。各模块功能描述如表4-2所示。
表4-2软件模块功能描述
5结束语
对于铁路企业来说，能源消耗处所地理位置分散、数量众多，传统人工管理模式，需投入大量的人力、物力和财力，工作人员工作量大，管理粗放，不能及时统计、分析、管理。能耗监测管理系统的推广，将自动实时采集现场用水、用电数据并进行数据分析，提高抄录数据的准确性和同时性，为用水、用电管理、分析、监察、损耗计算提供了有效依据。试点成功全面推广并引入其他能源消耗监测后。可实现在信息分析基础上的所有能源监测和能源管理的流程优化再造，满足能源设备管理、运行管理等的自动化，建立客观的以数据为依据的能源消耗评价体系，通过科学管理降低企业运行成本，提高铁路企业生产效益。
参考文献
1.龙惟定.《建筑节能与建筑能效管理》.中国建筑工业出版社，2005
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邓云川
中铁第二勘察设计院集团有限公司电化院总工程师
赵玮
中铁第一勘察设计院集团有限公司电化处总工程师
何正友
西南交通大学电气工程学院副院长