基于電力載波通信技術(shù)的鐵路站房電力管理系統(tǒng)設計

程書明

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200000）

1 引言

鐵路站房是鐵路運輸體系中的重要構(gòu)成部分，涵蓋了旅游站房、貨物倉庫、技術(shù)作業(yè)用房等，用于為旅客與行包進出站提供簡潔流暢的流線，為旅客候車創(chuàng)造舒適、方便的環(huán)境。站房電力工程對應站房建筑（包含地道、雨棚、天橋）的配套電力工程，包含站房建筑的低壓電纜線路、動力、照明、防雷接地、機電設備監(jiān)控系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)等[1]。站房內(nèi)大量的機電設施與電力設備長時間高負荷運行使得站房高能耗的特性日益凸顯，在節(jié)能環(huán)保的社會發(fā)展理念下，利用傳感器技術(shù)、電力載波通信技術(shù)對站房電力工程的電力能源使用情況、能耗數(shù)據(jù)、節(jié)能潛力等進行動態(tài)采集傳輸，實時掌握站房各電力設備設施的用電需求與用電情況，并利用自動控制技術(shù)合理調(diào)度與調(diào)控電力設備設施的工作狀態(tài)，可以切實提高鐵路站房電力管理的信息化與精細化水平，助力鐵路站房科學用電、節(jié)能用電。

2 電力載波通信技術(shù)

電力載波通信技術(shù)是一種特殊的、高效的信號傳輸技術(shù)。其工作原理為，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為載波信號，在現(xiàn)實環(huán)境中，利用耦合裝置在現(xiàn)有的電力線纜上加載載波信號，實現(xiàn)數(shù)字信號的電力傳輸；信號接收方對電力系統(tǒng)中的載波信號進行讀取與解析，得到傳輸?shù)臄?shù)字信號。電力載波通信技術(shù)無須額外針對數(shù)據(jù)傳輸應用布設特定的通信線纜，而是依托現(xiàn)實環(huán)境中現(xiàn)有的強電電力線纜對數(shù)字信號或模擬信號加以傳輸，實現(xiàn)對現(xiàn)行通信線纜資源的高效利用，避免對現(xiàn)實環(huán)境的開挖與改造。電力載波通信技術(shù)具有如下優(yōu)點。

1）降低通信改造成本。電力載波通信技術(shù)依托現(xiàn)有的電力線路而非重新敷設通信線路，有效節(jié)省了通信線路敷設費用以及既有建筑改造費用。

2）覆蓋范圍廣。電力載波技術(shù)依托現(xiàn)行電力線纜進行信號傳輸，其覆蓋范圍與現(xiàn)行電力線纜覆蓋范圍一致，具有良好的硬件基礎。

3）通信性能優(yōu)。電力載波通信技術(shù)利用頻分復用技術(shù)與差分相移鍵控調(diào)制技術(shù)等，實現(xiàn)數(shù)字信號或模擬信號的高質(zhì)量傳輸，誤碼率低[2]。

4）電力管理水平高。電力載波技術(shù)在電力管理系統(tǒng)中的充分應用可以實現(xiàn)電網(wǎng)的實時自動監(jiān)測以及電網(wǎng)故障預警與自動檢測，通過數(shù)字信號高質(zhì)量傳輸實現(xiàn)電網(wǎng)相關配套設備運行狀態(tài)的遠程控制，提高電力管理水平以及電網(wǎng)運行的健壯性與安全性。將電力載波通信技術(shù)應用到鐵路站房電力管理中，充分運用站房內(nèi)現(xiàn)有的電力線纜實現(xiàn)電力相關數(shù)據(jù)的傳輸與通信，有效支持站房電力管理的靈活組網(wǎng)與高效通信，降低站房電力管理系統(tǒng)投運的通信網(wǎng)絡搭建與運維成本。

3 鐵路站房電力管理系統(tǒng)設計

3.1 設計要求

3.1.1 鐵路站房電力管理的難點

鐵路站房相較于常規(guī)性的民用建筑而言，內(nèi)部空間更為空曠，層高也更高，涉及的機電設備與電力設施更為龐雜，給站房電力管理帶來諸多難點。

1）鐵路站房建筑機電設備等種類復雜、規(guī)格多樣。鐵路站房作為旅客候車與行包進出的重要場所，人口分布密集度較高，為提高旅游出行的舒適度與便捷性，通常鐵路站房會設置照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、排風系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、電梯扶梯、廣告屏幕、鐵路行駛信息屏幕等機電設備設施，電力管理對象眾多，標準規(guī)范各異。

2）機電設備設施空間分散。鐵路站房層高高、占地面積大，空調(diào)設備、照明設備、給排水設備、廣告大屏等分散在鐵路站房各個方位，機電設備設施的空間離散性使得電力管理難度較大，設備運行狀態(tài)、用電情況、節(jié)能潛力等的監(jiān)測與分析存在諸多不便。

3）機電設備設施運行要求高。為了給旅游出行帶來更加便捷與舒適的站房環(huán)境，鐵路站房內(nèi)的諸多機電設備設施需保持24 h 運行狀態(tài)，機電設備設施的電力管理需保持全天候、全時段，確保各機電設備設施在長時間高負荷狀態(tài)下安全、穩(wěn)定用電運行，科學保證鐵路站房的功能發(fā)揮。

3.1.2 鐵路站房電力管理的目標

鐵路站房電力管理旨在通過對站房內(nèi)機電設備與電力設施等用電情況的實時監(jiān)測與動態(tài)管理，推動站房電力精準、精細、高效管理。以用電監(jiān)控為例，通過對站房內(nèi)機電設備或電力設施的用電情況進行實時監(jiān)測與高效傳輸，實現(xiàn)站房電力數(shù)據(jù)的準確采集，以及機電設備運行狀態(tài)的科學反演。用電統(tǒng)計則可根據(jù)用電時間、用電分項、用電指標等進行分類統(tǒng)計，鐵路站房管理人員能夠更為科學地掌握站房機電設備的用電情況與變化特征。此外，鐵路站房電力管理應在電力數(shù)據(jù)實時采集的基礎上，高效關聯(lián)機電設備用電情況與運行情況，實現(xiàn)機電設備能耗與節(jié)能潛力分析，合理調(diào)度鐵路站房電力資源消耗，配合機電設備監(jiān)控系統(tǒng)等，提高鐵路站房電力資源管理的節(jié)能化水平。

綜上，對鐵路站房電力管理系統(tǒng)進行科學設計與建設，實時掌握站房各電力設備設施的用電需求與用電情況，合理調(diào)度與調(diào)控電力設備設施的工作狀態(tài)，可以切實提高鐵路站房電力管理的信息化與精細化水平，助力鐵路站房科學用電、節(jié)能用電。

3.2 體系架構(gòu)設計

鐵路站房電力管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)包括系統(tǒng)應用層、網(wǎng)絡通信層與數(shù)據(jù)采集層3 個部分，具體如下。

3.2.1 系統(tǒng)應用層

系統(tǒng)應用層對網(wǎng)絡通信層傳輸?shù)妮d波信號進行解耦與解析，獲得站房內(nèi)機電設備電力數(shù)據(jù)并進行科學存儲、組織與管理。系統(tǒng)應用層高度集成數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析等功能模塊，通過上述功能模塊實現(xiàn)對站房內(nèi)機電設備電力數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、分析、預測與節(jié)能調(diào)控。例如，在系統(tǒng)應用層中動態(tài)顯示站房內(nèi)離散分布的各機電設備用電情況、運行狀態(tài)，利用統(tǒng)計分析模塊精確統(tǒng)計不同分項、不同指標下的電力數(shù)據(jù)，生成鐵路站房內(nèi)電力消耗報表，根據(jù)機電設備歷史用電數(shù)據(jù)與實時電力數(shù)據(jù)，科學研判機電設備的運行狀態(tài)與故障情況。

3.2.2 網(wǎng)絡通信層

網(wǎng)絡通信層是將數(shù)據(jù)采集層采集到的站房內(nèi)機電設備電力數(shù)據(jù)向系統(tǒng)應用層高效傳輸，以便系統(tǒng)應用層對電力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。鐵路站房電力管理系統(tǒng)可利用站房內(nèi)已有的電力線纜與電力載波通信技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集層中集中器讀取數(shù)據(jù)向系統(tǒng)應用層的傳輸。

3.2.3 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層為鐵路站房機電設備電力數(shù)據(jù)采集層，其基本硬件構(gòu)成包括智能采集器、集中器等，用于對站房內(nèi)機電設備的用電情況進行實時采集。其中，智能采集器與具體的機電設備相連接，利用集中器對所有智能采集器的數(shù)據(jù)進行快速讀取與耦合處理，實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)高效耦合與傳輸。集中器對智能采集器中數(shù)據(jù)的讀取即采用電力載波通信技術(shù)，依托鐵路站房內(nèi)現(xiàn)有的電力線纜，將智能采集器中實時獲取的站內(nèi)機電設備電力數(shù)據(jù)加載到電力線纜上并傳輸至集中器中。

3.3 主站系統(tǒng)設計

鐵路站房的電力管理系統(tǒng)主站大多設置在消防控制室內(nèi)，用于動態(tài)監(jiān)控電力能源消耗狀況。主站系統(tǒng)通常包括服務器、報警裝置、工作站、不間斷電源等硬件設備設施。（1）工作站用于直觀可視化地展示鐵路站房內(nèi)各機電設備或電力設施的用電情況，動態(tài)反演設備設施的工作狀態(tài)與運行情況。（2）服務器用于對數(shù)據(jù)采集層與網(wǎng)絡通信層傳輸并存儲管理的電力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析與應用，如機電設備歷史用電數(shù)據(jù)分析、機電設備用電異常檢測、站房各工作間用電情況統(tǒng)計等。（3）報警裝置用于對系統(tǒng)實時監(jiān)控與自動檢測出的機電設備用電異常情況進行預測預警，如機電設備用電數(shù)據(jù)監(jiān)測異常時，主站系統(tǒng)的報警裝置自動警示，及時提醒電力管理系統(tǒng)的監(jiān)控人員相關異?；蚬收?，以便其采取應急預案，降低機電設備故障帶來的負面影響[3]。

3.4 傳輸系統(tǒng)設計

傳輸系統(tǒng)對應著鐵路站房電力管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信層，用于將數(shù)據(jù)采集層中采集的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)應用層并進行統(tǒng)計與分析。集中器讀取與匯總的機電設備電力相關數(shù)據(jù)經(jīng)電力線纜進行傳輸，傳輸系統(tǒng)可沿用鐵路站房已有的電力線路，無須針對機電設備管理與電力數(shù)據(jù)傳輸架設專門的通信網(wǎng)絡。

3.5 采集系統(tǒng)設計

采集系統(tǒng)對應著鐵路站房電力管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集層，主要包括智能采集器、集中器等硬件裝置。電力數(shù)據(jù)采集以分項采集為主，即根據(jù)電力工程的類別與特性分項采集機電設備的用電數(shù)據(jù)。對于鐵路客站動力照明供電系統(tǒng)而言，配電原則一般按照候車廳、售票廳、出站通道、站臺、辦公區(qū)及設備區(qū)等進行劃分。因此，對于需要采集的電力數(shù)據(jù)，應根據(jù)各個區(qū)域按照照明與插座用電、采暖空調(diào)用電、動力用電、特殊用電、商業(yè)用電等分別采集。通過在候車廳配電箱內(nèi)設置智能采集器，根據(jù)候車廳照明系統(tǒng)的進線回路與智能采集器的連接實現(xiàn)候車廳照明系統(tǒng)用電能耗數(shù)據(jù)的采集，再利用集中器與電力載波通信技術(shù)對分散在站房各區(qū)域的智能采集器采集用電數(shù)據(jù)，并進行匯總與傳輸，將所有電力數(shù)據(jù)傳輸至電力管理系統(tǒng)主站中，進行進一步分析應用。與傳統(tǒng)的電力管理系統(tǒng)不同的是，基于電力載波的電力管理系統(tǒng)利用變壓器至配電箱的既有電力線纜，采用電力載波進行通信，無須搭建額外的通信路徑。同時根據(jù)站房內(nèi)配電箱集中設置于配電間的特點，放置于同一配電間的配電箱可集中設置一處智能采集器，統(tǒng)一獲取位于同一配電間的配電箱能耗數(shù)據(jù)，并上傳至變壓器內(nèi)電力管理終端，最終匯總于鐵路站房電力管理主機。

3.6 鐵路站房電力管理系統(tǒng)設計注意事項

電力載波通信技術(shù)傳輸質(zhì)量高、誤碼率低，在鐵路站房電力管理系統(tǒng)中具有較為廣泛的應用前景，在具體設計時應當重點關注如下問題：（1）采集器應分散布置，減少因部分采集器故障引起的數(shù)據(jù)采集不全面的情況；（2）系統(tǒng)軟件實現(xiàn)應從底層軟件設計角度考慮，盡量將同一設備的控制點位和與其相對應的數(shù)據(jù)采集點位安排在同一點上，減少網(wǎng)絡變量在傳輸網(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?，同時也可以簡化系統(tǒng)程序設計的復雜性；（3）因載波信號無法穿越變壓器，故應在每臺變壓器低壓總出線側(cè)設置1 個集中器。

3.7 電力載波通信技術(shù)在站房電力管理系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢分析

將電力載波通信技術(shù)應用到鐵路站房電力管理系統(tǒng)中，依托電力載波通信技術(shù)的低成本、覆蓋范圍廣、通信性能優(yōu)等優(yōu)點，充分運用站房內(nèi)現(xiàn)有的電力線纜實現(xiàn)電力相關數(shù)據(jù)的傳輸與通信，可以有效支持站房電力管理的靈活組網(wǎng)與高效通信，節(jié)省通信線路敷設費用以及既有建筑改造費用。同時，電力載波技術(shù)在鐵路站房電力管理系統(tǒng)中的充分應用，可以通過數(shù)字信號高質(zhì)量傳輸，實現(xiàn)電網(wǎng)相關配套設備運行狀態(tài)的遠程控制，提高鐵路站房的電力管理水平，以及鐵路站房電網(wǎng)運行的健壯性與安全性。

4 結(jié)語

電力載波通信技術(shù)具有覆蓋范圍廣、應用成本低、通信性能優(yōu)等特點。針對設備種類繁多、空間分布離散、運行可靠性與安全性要求較高的鐵路站房各機電設備與電氣設備，將電力載波通信技術(shù)應用到鐵路站房電力管理中，充分運用站房內(nèi)現(xiàn)有的電力線纜實現(xiàn)電力相關數(shù)據(jù)的傳輸與通信，有效支持站房電力管理的靈活組網(wǎng)與高效通信。在鐵路站房電力管理系統(tǒng)設計時，應充分考慮數(shù)據(jù)采集的全面性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，通過科學分層，合理設計主站系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，切實保證信號傳輸性能，降低站房電力管理系統(tǒng)投運的通信網(wǎng)絡搭建與運維成本。