王斌1　杜運(yùn)東2　曹雪華2

（1. 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002

2. 上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801）

    摘 要：介紹了一種新型能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)構(gòu)成以及系統(tǒng)的功能，Acrel-5000組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的系統(tǒng)集成，數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大型公共建筑的分類、分項(xiàng)能耗計(jì)量功能。并以實(shí)例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的功能與實(shí)用性。

    0　 引言

    北京市建委和市發(fā)改委2008年01月公布了去年北京實(shí)施能源審計(jì)的部分北京市國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑平均電耗、水耗。其中進(jìn)行審計(jì)的20個(gè)單位的國家機(jī)關(guān)辦公建筑，每平方米建筑面積年平均耗電量為85.4度（年平均85.4kWh／m2） ，人均年耗電量為3072.5度（年平均3072.5kWh／人）。國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑年耗電量約占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%，每平方米年耗電量是普通居民住宅的10～20倍，是歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家同類建筑的1.5～2倍。

    一方面，我國大型公共建筑能耗巨大，另一方面，我們也缺乏直接數(shù)據(jù)為決策的指定提供基礎(chǔ)和參考。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建科[2008]114號(hào)文（2008-06-24）《關(guān)于印發(fā)國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則的通知》實(shí)施，對(duì)于能耗監(jiān)測系統(tǒng)作了具體規(guī)范。因此，必須建立大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺(tái)，對(duì)全國重點(diǎn)城市重點(diǎn)建筑能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過能耗統(tǒng)計(jì)、能源審計(jì)、能效公示、用能定額和超定額加價(jià)等制度，促使國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)能運(yùn)行管理水平，為政府政策的制定和決策提供參考。

    1　 能耗監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

    能耗監(jiān)測系統(tǒng)是指通過對(duì)國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑安裝分類和分項(xiàng)能耗計(jì)量裝置，采用遠(yuǎn)程傳輸?shù)仁侄渭皶r(shí)采集能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)建筑能耗的在線監(jiān)測和動(dòng)態(tài)分析功能的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)稱[1]。其中，分類能耗是指根據(jù)國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑消耗的主要能源種類劃分進(jìn)行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)，如：電、燃?xì)狻⑺�等。分�?xiàng)能耗是指根據(jù)各類能源的主要用途劃分進(jìn)行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)，例如，電量分項(xiàng)能耗應(yīng)當(dāng)包括：照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電、特殊用電。

    1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

    能耗數(shù)據(jù)采集方式包括人工采集方式和自動(dòng)采集方式。通過人工采集方式采集的數(shù)據(jù)包括建筑基本情況數(shù)據(jù)采集指標(biāo)和其它不能通過自動(dòng)方式采集的能耗數(shù)據(jù)，如建筑消耗的煤、液化石油、人工煤氣等能耗量。通過自動(dòng)采集方式采集的數(shù)據(jù)包括建筑分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)和分類能耗數(shù)據(jù)，由自動(dòng)計(jì)量裝置實(shí)時(shí)采集，通過自動(dòng)傳輸方式實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

    1.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

    建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)的自動(dòng)計(jì)量裝置所采集的能耗數(shù)據(jù)，通過RS485接口，并采用TCP／IP通信協(xié)議自動(dòng)并實(shí)時(shí)上傳給數(shù)據(jù)中心，以保證數(shù)據(jù)得到有效的管理和支持高效率的查詢服務(wù)，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸采取一定的編碼規(guī)則，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)及交換的一致性。

    1.3 數(shù)據(jù)中心

    數(shù)據(jù)中心也就是數(shù)據(jù)庫，接收并存儲(chǔ)其管理區(qū)域內(nèi)監(jiān)測建筑的能耗數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理、分析、展示和發(fā)布。數(shù)據(jù)中心具備設(shè)置數(shù)據(jù)更新的時(shí)間間隔，訪問歷史數(shù)據(jù)，報(bào)警，打印報(bào)表，實(shí)時(shí)與歷史曲線，圖表的繪制，并預(yù)留相應(yīng)擴(kuò)展功能。

    1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    Acrel-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、測控單元為基本工具，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，它可以和檢測、控制設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用分層分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場設(shè)備層。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    1）站控管理層

    站控管理層針對(duì)能耗監(jiān)測系統(tǒng)的管理人員，是人機(jī)交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的最上層部分。主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備，如工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS電源等組成。監(jiān)測系統(tǒng)軟件具有良好的人機(jī)交互界面，對(duì)采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息計(jì)算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運(yùn)行狀況。

    監(jiān)控主機(jī)：用于數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為系統(tǒng)內(nèi)或外部提供數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行系統(tǒng)管理、維護(hù)和分析工作。

    打印機(jī)：系統(tǒng)召喚打印或自動(dòng)打印圖形、報(bào)表等。

    模擬屏：系統(tǒng)通過通訊方式與智能模擬屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，形象顯示整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

    UPS：保證計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的正常供電，在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生供電問題時(shí)，保證站控管理層設(shè)備的正常運(yùn)行。

    2）網(wǎng)絡(luò)通訊層

    通訊層主要是由通訊管理機(jī)、以太網(wǎng)設(shè)備及總線網(wǎng)絡(luò)組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和傳送等工作的同時(shí)，轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的各種控制命令。

    通訊管理機(jī)：是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和智能通訊管理中心。它具備了數(shù)據(jù)采集與處理、通訊控制器、前置機(jī)等功能。

    以太網(wǎng)設(shè)備：包括工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)。

    通訊介質(zhì)：系統(tǒng)主要采用屏蔽雙絞線、光纖以及無線通訊等。

    3）現(xiàn)場設(shè)備層

    現(xiàn)場設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場總線連接的分布式I/O控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端，向數(shù)據(jù)中心上傳存儲(chǔ)的建筑能耗數(shù)據(jù)。測量儀表擔(dān)負(fù)著最基層的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，其監(jiān)測的能耗數(shù)據(jù)必須完整、準(zhǔn)確并實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)中心。

    2　 軟件實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)功能

    上位機(jī)軟件為Acrel-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)組態(tài)軟件，該軟件是對(duì)現(xiàn)場能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)測的專用軟件，最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)形式”而不是編程方式來進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測功能。Acrel-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，可實(shí)時(shí)和定時(shí)采集現(xiàn)場設(shè)備各參量及開關(guān)量狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)。系統(tǒng)還提供了實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢曲線分析，符合用戶設(shè)計(jì)需要的報(bào)表、事件記錄和故障報(bào)警等功能。整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所有回路能耗的采集和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、能耗監(jiān)測功能。

    （1） 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測：通訊異常報(bào)警提示。

    （2） 用戶管理：不同用戶權(quán)限具備不同操作功能，各級(jí)權(quán)限的口令修改操作功能，具有權(quán)限防誤功能。

    （3） 能耗報(bào)表、棒圖：實(shí)現(xiàn)了所有能耗報(bào)表的按時(shí)間查詢，分為日、月、年報(bào)表等，任意分類、分項(xiàng)實(shí)時(shí)能耗棒圖顯示。

    （4） 打印及導(dǎo)出：所有報(bào)表及界面可打印，或以EXCEL、WORD格式進(jìn)行導(dǎo)出。

    3　 應(yīng)用案例

    上海浦東圖書館是一個(gè)高能耗大型公共建筑，總建筑面積60885平方米,消耗的能源主要為電、水，還有少量的燃?xì)狻⒉裼偷龋�柴油發(fā)電機(jī)是作為應(yīng)急電源之用。該項(xiàng)目能耗監(jiān)測系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各樓層對(duì)用電進(jìn)行分類、分項(xiàng)計(jì)量，各樓層及總供水管道、燃?xì)狻⒉裼凸艿蓝及惭b有測量儀表，以實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控。所有的智能測量儀表均通過現(xiàn)場總線進(jìn)行組網(wǎng)，在監(jiān)控室對(duì)現(xiàn)場各回路能耗狀況實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控與管理。

    該項(xiàng)目中采用研祥工業(yè)計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)，并附帶液晶顯示器、打印機(jī)等設(shè)備，山特UPS電源在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生供電問題時(shí)，可在一定時(shí)間內(nèi)保證站控管理層設(shè)備的正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集終端采用高可靠性、帶有現(xiàn)場總線連接的智能測量儀表。對(duì)于圖書館供配電系統(tǒng)，低壓進(jìn)線回路和重要回路安裝ACR系列多功能電力儀表，普通饋線回路及照明配電箱中安裝ADL系列導(dǎo)軌式電能表，儀表外形如圖2所示[2][3]。

圖2　智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表

    ACR系列多功能電力儀表具有全面的三相交流電量測量、復(fù)費(fèi)率電能計(jì)量、四象限電能計(jì)量、2～31次諧波分析、電網(wǎng)質(zhì)量分析、遙信輸入、遙控輸出及網(wǎng)絡(luò)通訊功能，主要用于對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控及電能管理，廣泛應(yīng)用于低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜、動(dòng)力柜等場合。而ADL系列導(dǎo)軌式安裝電能表除能采集基本電能參量外還具有體積小巧、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，ADL100單相電能表結(jié)構(gòu)尺寸為4模數(shù)，與微型斷路器一起安裝于照明配電箱中，如圖3所示，ADL300三相電能表為7模數(shù)結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于動(dòng)力柜中，安裝方式如圖4所示，極大的方便了用電自動(dòng)化管理。

圖3　ADL100應(yīng)用安裝示例

圖4　ADL300應(yīng)用于動(dòng)力柜中

    該能耗監(jiān)測系統(tǒng)通過現(xiàn)場設(shè)備和通信系統(tǒng)提供的傳輸通道，完成對(duì)各用電回路、供水、燃?xì)饧安裼凸艿赖臄?shù)據(jù)采集，信息經(jīng)分析、處理，以報(bào)表、圖形等多種形式供值班員參考，使值班員能夠便捷的掌握系統(tǒng)的運(yùn)行及能耗狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、糾正能源浪費(fèi)現(xiàn)象，從而進(jìn)行節(jié)能管理。在需要時(shí)，還可提供快捷的遠(yuǎn)程控制手段，完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的改變以及事故情況的處理。

圖5　圖書館能耗監(jiān)測系統(tǒng)主界面

表1　圖書館能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)查詢表

    圖5為圖書館能耗監(jiān)測系統(tǒng)的主界面，可以查詢各類能耗的使用狀況，表1給出了圖書館能耗數(shù)據(jù)查詢表，很清楚的顯示出各類能源的使用情況。圖6為系統(tǒng)給出的圖書館照明、空調(diào)及插座等用電量的餅圖，很直觀地顯示出分項(xiàng)用電量的百分比。而圖7是根據(jù)系統(tǒng)采集的所有分類能耗數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)繪制出的分類能耗柱形圖，可以形象的看出分類能源的使用情況。

圖6　圖書館年分項(xiàng)用電量餅圖

圖7　圖書館分類能耗對(duì)比圖

    5　 結(jié)束語

    隨著能源的日益緊張，節(jié)能降耗成為大型公共建筑智能化建設(shè)的必然選擇，本文介紹的能耗監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能監(jiān)控供配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，還能監(jiān)測用水量、燃?xì)獾绕渌�能源的使用狀況，并能根據(jù)采集到的能耗數(shù)據(jù)繪制出各種報(bào)表、分析曲線、圖形等，便于分析研究，為智能建筑的節(jié)能技術(shù)提供參考。該系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠，并附有事件記錄及故障報(bào)警等功能，極大地方便了用戶的使用。隨著社會(huì)的發(fā)展，能源的日益緊張，實(shí)現(xiàn)對(duì)分類能耗、分項(xiàng)能耗的遠(yuǎn)程監(jiān)測與管理成為智能建筑發(fā)展的必然趨勢。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 關(guān)于印發(fā)國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則的通知. 2008. 6

    &#91;2&#93; 任致程 周中. 電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南. 北京. 中國電力出版社. 2007. 4<