淺談大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設計研究與實現(xiàn)

劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

摘要：大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)能夠幫助管理者及時掌握建筑能耗情況，從而為綠色節(jié)能決策進行指導，由此研究大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)具有長遠的意義。本文基于大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的需求，從系統(tǒng)整體架構、具體功能模塊等角度，分別對系統(tǒng)進行設計和構建，從而實現(xiàn)了對能耗數(shù)據(jù)采集、能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能。通過該系統(tǒng)設計，促進我國大型公共建筑節(jié)能的推廣。

關鍵詞：大型公共建筑；能耗監(jiān)測；系統(tǒng)設計

0概述

人類的經(jīng)濟活動日益頻繁，使得大量建筑拔地而起，從而導致建筑能耗不斷增長，并使得建筑能耗成為當前三大能源重點消耗領域之一。其中，大型公共建筑能耗是建筑能耗的重要組成部分，其單位面積的能耗遠遠超過住宅建筑能耗。由此使得大型建筑能耗成為當前人們關注的焦點，并開始大力實施綠色節(jié)能。但是就目前來看，大型公共建筑的綠色節(jié)能還存在很多問題，如推廣理念不全，缺乏有效的能耗技術監(jiān)督手段等，嚴重制約著大型公共建筑綠色節(jié)能。因此，建立大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，具有很強的必要性。通過能耗監(jiān)測，能夠及時掌握能耗情況，從而為綠色節(jié)能提供基礎的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1大型公共建筑能監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

1.1功能需求

合理的大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，必然建立在對系統(tǒng)的相關需求進行詳細分析的基礎之上。大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的需求可以分為能耗數(shù)據(jù)采集與分析、配電情況監(jiān)控、監(jiān)控結果展示、信息處理、效果評估等。

能耗數(shù)據(jù)采集與分析的需求是指通過大型公共建筑能耗檢測系統(tǒng)，能夠采集相關數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)比較的功能。

配電情況監(jiān)控的需求是指通過大型公共建筑能耗檢測系統(tǒng)，能夠檢測配電的相關參數(shù)，實現(xiàn)各種事故的報警，并進行分析診斷。

信息處理的需求是指通過大型公共建筑能耗檢測系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)信息的處理與輸出，比如生成分析報表等各類報表。

展示平臺的需求是指通過大型公共建筑能耗檢測系統(tǒng)，建立用戶的交互平臺，從而展示綠色節(jié)能理念宣傳等內容。

效果評估的需求是指通過大型公共建筑能耗檢測系統(tǒng)，將能耗數(shù)據(jù)進行計算分析，將得出的結果生成相應圖表，從而了解節(jié)能的成效。

1.2系統(tǒng)主要組成

大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)由相關硬件結構與軟件結構共同組成，相關的硬件設備主要包括數(shù)據(jù)采集的設備、網(wǎng)關以及服務器等，而軟件結構主要集成了數(shù)據(jù)的采集、處理、監(jiān)測以及展示等相關方面的軟件。大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式有無線數(shù)據(jù)傳輸與有線數(shù)據(jù)傳輸兩種。無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢是設備安裝簡便，有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢在于穩(wěn)定、廉價，可根據(jù)需求進行選擇。網(wǎng)絡架構方式同樣可根據(jù)需求進行選擇，B/S架構及C/S架構兩者相較而言，利用瀏覽器便能進入大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的B/S架構，顯然適用性更高。

2大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)具體設計方案

2.1監(jiān)測系統(tǒng)的設計思路

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關在設置好的時間點發(fā)出指令，數(shù)據(jù)采集設備進行監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)采集工作并將數(shù)據(jù)傳回網(wǎng)關，由網(wǎng)關上報至數(shù)據(jù)處理層。

2.2整體系統(tǒng)架構設計

基于前文所述的大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的需求分析，筆者提出系統(tǒng)整體方案設計，可以細化為大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)信息的采集、大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)信息的傳輸、大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)信息的處理存儲、大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)信息的展示、大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)信息的上傳等方面。因此，在大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構中，功能層級設置為：能耗數(shù)據(jù)采集設備層、能耗數(shù)據(jù)采集功能層、能耗數(shù)據(jù)傳輸層、能耗數(shù)據(jù)處理儲存層、能耗數(shù)據(jù)展示層以及能耗數(shù)據(jù)上傳層，如圖1所示。

圖1 功能層架構

從圖1中可以看到，各層具體功能為：設備層是指電能表、水表等數(shù)據(jù)采集設備的安裝；采集層主要功能是通過電能表得到相關電力參數(shù)；傳輸層主要功能是轉換數(shù)據(jù)格式并上傳給管理者；處理儲存層主要功能是分析、處理及存儲能耗數(shù)據(jù)；展示層主要功能是展示能耗數(shù)據(jù)；上傳層主要功能是數(shù)據(jù)上傳至上級平臺。

3系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1數(shù)據(jù)采集功能實現(xiàn)

當前我國大型公共建筑能耗監(jiān)測的主要對象是電能消耗情況、水消耗情況、溫度及濕度等環(huán)境情況，通過人工采集和系統(tǒng)自動采集兩種方式，利用配電站、分戶、用水、環(huán)境等監(jiān)測采集設備，對監(jiān)測對象的相關數(shù)據(jù)進行采集，目前，系統(tǒng)自動采集是主要的數(shù)據(jù)采集方式。

3.2數(shù)據(jù)傳輸功能實現(xiàn)

在本文提出的大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計中，使用分布式架設數(shù)據(jù)庫服務器，將數(shù)據(jù)采集設備所采集到的能耗數(shù)據(jù)進行處理保存。因為隨著數(shù)據(jù)采集的不斷積累，能夠顯著提高效率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速查詢和報表的快速顯示。

3.3數(shù)據(jù)展示功能實現(xiàn)

大型公共建筑的能耗數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、傳輸、處理，通過展示層向管理者展示。展示包括能耗數(shù)據(jù)及相關分析、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、節(jié)能分析、報警、系統(tǒng)配置等方面，能夠地為管理者展示大型公共建筑的能耗情況，從而幫助管理者發(fā)現(xiàn)問題、輔助決策、評估效果。

3.4數(shù)據(jù)上傳功能實現(xiàn)

在大型公共建筑的能耗數(shù)據(jù)的上傳過程中，網(wǎng)絡狀況需要實時進行驗證，避免出現(xiàn)由網(wǎng)絡情況異常而導致的故障發(fā)生。在本設計中，大型公共建筑的能耗數(shù)據(jù)的上傳過程中，采用AES算法加密的方式進行驗證，工作流程如圖2所示。

圖2 加密驗證流程圖

本設計中，大型公共建筑的能耗數(shù)據(jù)上傳前需要經(jīng)過身份驗證和通訊測試，以此避免通訊異常而導致故障，工作流程如圖3所示。

圖3 身份驗證和通訊測試流程圖

3.5數(shù)據(jù)生成功能的實現(xiàn)

大型公共建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)生成功能的工作流程為：第一步，讀取已有的XML緩存文件；第二步，根據(jù)緩存中的分項公式對XML中的每個能耗項進行公式解析。若解析成功則讀取相關參數(shù)數(shù)據(jù)，代入公式計算出該分項配置的能耗數(shù)據(jù)，從而生成XML格式數(shù)據(jù)包，等待數(shù)據(jù)上發(fā)；若不成功則等待輪訓二次執(zhí)行。

3.6數(shù)據(jù)重傳功能的實現(xiàn)

在大型公共建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計中，數(shù)據(jù)重傳功能的實現(xiàn)過程為：通過程序預先設置，將生成好的數(shù)據(jù)包上傳至上級平臺，接收反饋信息進行后續(xù)處理。在數(shù)據(jù)上傳過程過程中，針對數(shù)據(jù)上傳異常或缺失等情況，會出發(fā)斷點續(xù)傳及異常重傳。在接收反饋信息過程中，針對超時未接收到反饋信息的情況，在異常重發(fā)中記錄時間點；針對異常反饋信息的情況，將返回相關信息，包括錯誤信息和服務器端接收客戶端信息的時間信息，系統(tǒng)將記錄錯誤信息，并在異常重發(fā)中記錄數(shù)據(jù)點。

3.7傳輸控制及日志管理的實現(xiàn)

在大型公共建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計中，基本通過自動的方式傳輸數(shù)據(jù)，但還需要預留一定的人為干預控制流程。包括傳輸時間控制、傳輸間隔控制、接收超時限定控制、數(shù)據(jù)包特定傳輸時間控制和傳輸異常數(shù)據(jù)控制。

大型公共建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)的日志管理可分為常規(guī)日志與異常日志兩部分。在本文的設計中，常規(guī)日志的主要功能是對監(jiān)測系統(tǒng)日常運行的情況進行記錄，記錄的重點是與數(shù)據(jù)內容有關的內容；異常日志的主要功能是對報錯信息及數(shù)據(jù)異常導致的錯誤信息進行記錄。

4安科瑞能耗監(jiān)控系統(tǒng)介紹

Acrel-5000能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國家有關規(guī)定實施能源審計，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上人民管理節(jié)能工作的部門報送能源審計報告。

4.1平臺結構

Acrel-5000能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用現(xiàn)場總線、光纖環(huán)網(wǎng)或無線通訊中的一種或多種結合的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實時數(shù)據(jù)采集及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測設備構成任意復雜的監(jiān)控系統(tǒng)。開放性、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)化的采用面向對象的分層、分級、分布式智能一體化結構。建立如下層次結構：

圖4 平臺結構

4.2平臺功能

（1）系統(tǒng)可按使用年份統(tǒng)計建筑物各分類能耗——電、水、氣、集中供熱、集中供冷以及其它能源消耗量，自動折算成相應的標準煤消耗量，從而反映建筑物當年各分類能耗用能和綜合能耗。系統(tǒng)以餅圖形式展示建筑4大用電分項能耗的占比情況。系統(tǒng)以曲線圖形展現(xiàn)各類能耗的消耗的消耗趨勢，便于業(yè)主方實時直觀掌握能源消耗情況。

（2）系統(tǒng)可以根據(jù)分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當日和當月的用能峰值。顯示當日用能、當月用能、當年用能與昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。以條形顯示過去48小時、31天、12個月、3年的能耗情況。右上角顯示過去15分鐘曲線（電表顯示功率曲線，流量表顯示流速曲線）。

（3）系統(tǒng)依據(jù)建筑物能源消耗的分布情況進行能耗計量點的選取和設置，使得能耗監(jiān)測系統(tǒng)可以覆蓋整個建筑物。系統(tǒng)使用者可通過相關界面調取該建筑物各能耗節(jié)點的能耗統(tǒng)計報表，減少用能的“跑、冒、滴、漏"和計量誤差。

（4）系統(tǒng)依據(jù)住建部分類分項能耗數(shù)據(jù)采集導則，將建筑物耗電分為照明插座、空調、動力和特殊用電進行計量裝置選型和設置，并按用能區(qū)域或功能區(qū)域等劃分并進行統(tǒng)計，以報表和同、環(huán)比棒圖形式展現(xiàn)該區(qū)域的能源消耗。

（5）系統(tǒng)可針對能源消耗量大的設備或區(qū)域進行準確定位，便于管理層制定節(jié)能績效考核制度，推動節(jié)能降耗的有效執(zhí)行。為用能重點設備建立運行記錄檔案，長期跟蹤記錄設備運行過程中的能效分析評估結果，結合設備維護保養(yǎng)記錄，為設備的運行維護提供依據(jù)。

（6）系統(tǒng)提供分級權限管理功能，對具備權限用戶提供開放的信息維護接口，用戶可自行對建筑和系統(tǒng)監(jiān)測范圍內計量點的信息進行增、刪、改和查詢，建筑物信息包括建筑類型、建設年代、建筑面積、建筑物人員數(shù)量等。系統(tǒng)還對無法自動采集的計量信息提供手動錄入功能，便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。

4.3數(shù)據(jù)上傳

安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)按照重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范定義的系統(tǒng)平臺接口協(xié)議規(guī)范的要求，將用能企業(yè)的基礎信息、計量器具信息、用能數(shù)據(jù)及能效數(shù)據(jù)上傳至省級或國家平臺，上傳數(shù)據(jù)經(jīng)過HTTPS協(xié)議加密傳輸。如果數(shù)據(jù)傳輸失敗或超時（網(wǎng)絡故障），將重發(fā)數(shù)據(jù)，直至接收成功反饋消息。

4.4能源計量表具選型

5總結

綜上，通過大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)可幫助相關管理者掌握大型公共建筑能耗情況，并成為提高大型公共建筑能耗管理的重要途徑。本文基于大型公共建筑能耗監(jiān)測的功能需求，提出了大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)整體架構，在此基礎上進一步設計了各功能層，包括數(shù)據(jù)采集功能、傳輸功能，數(shù)據(jù)展示功能，數(shù)據(jù)上傳功能，數(shù)據(jù)生成功能，數(shù)據(jù)遠傳功能以及傳輸控制及日志管理功能。從功能而言，基本滿足目前我國大型公共建筑能耗監(jiān)測的需求，能夠為大型公共建筑的節(jié)能工作提供決策支持。

【參考文獻】

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[2]于秋紅.大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設計研究[J].通訊世界,2018(01):282-283.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版

作者簡介：劉細鳳，女，本科，現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)。