基于Acrel-5000的大型公共建筑能耗監測系統設計與應用

0　 引言
　　北京市建委和市發改委2008年01月公布了去年北京實施能源審計的部分北京市國家機關辦公建筑和大型公共建筑平均電耗、水耗。其中進行審計的20個單位的國家機關辦公建筑，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）。國家機關辦公建筑和大型公共建筑年耗電量約占全國城鎮總耗電量的22%，每平方米年耗電量是普通居民住宅的10～20倍，是歐洲、日本等發達國家同類建筑的1.5～2倍。
　　一方面，我國大型公共建筑能耗巨大，另一方面，我們也缺乏直接數據為決策的指定提供基礎和參考。住房和城鄉建設部建科[2008]114號文（2008-06-24）《關于印發國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統建設相關技術導則的通知》實施，對于能耗監測系統作了具體規范。因此，必須建立大型公共建筑能耗監測平臺，對全國重點城市重點建筑能耗進行實時監測，并通過能耗統計、能源審計、能效公示、用能定額和超定額加價等制度，促使國家機關辦公建筑和大型公共建筑提高節能運行管理水平，為政府政策的制定和決策提供參考。

1　 能耗監測系統構成
　　能耗監測系統是指通過對國家機關辦公建筑和大型公共建筑安裝分類和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸等手段及時采集能耗數據，實現重點建筑能耗的在線監測和動態分析功能的硬件系統和軟件系統的統稱[1]。其中，分類能耗是指根據國家機關辦公建筑和大型公共建筑消耗的主要能源種類劃分進行采集和整理的能耗數據，如：電、燃氣、水等。分項能耗是指根據各類能源的主要用途劃分進行采集和整理的能耗數據，例如，電量分項能耗應當包括：照明插座用電、空調用電、動力用電、特殊用電。
1.1 數據采集系統
　　能耗數據采集方式包括人工采集方式和自動采集方式。通過人工采集方式采集的數據包括建筑基本情況數據采集指標和其它不能通過自動方式采集的能耗數據，如建筑消耗的煤、液化石油、人工煤氣等能耗量。通過自動采集方式采集的數據包括建筑分項能耗數據和分類能耗數據，由自動計量裝置實時采集，通過自動傳輸方式實時傳輸至數據中心。
1.2 數據傳輸技術
　　建筑物能耗監測系統的自動計量裝置所采集的能耗數據，通過RS485接口，并采用TCP／IP通信協議自動并實時上傳給數據中心，以保證數據得到有效的管理和支持高效率的查詢服務，同時數據傳輸采取一定的編碼規則，實現數據組織、存儲及交換的一致性。
1.3 數據中心
　　數據中心也就是數據庫，接收并存儲其管理區域內監測建筑的能耗數據，并對其進行處理、分析、展示和發布。數據中心具備設置數據更新的時間間隔，訪問歷史數據，報警，打印報表，實時與歷史曲線，圖表的繪制，并預留相應擴展功能。
1.4 系統結構
　　Acrel-5000能耗監測系統以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，為大型公共建筑的實時數據采集、開關狀態監測及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測、控制設備構成任意復雜的監控系統。該系統主要采用分層分布式計算機網絡結構，如圖1所示：站控管理層、網絡通訊層和現場設備層。

圖1　系統結構圖

　　1）站控管理層
　　站控管理層針對能耗監測系統的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統的最上層部分。主要由系統軟件和必要的硬件設備，如工業級計算機、打印機、UPS電源等組成。監測系統軟件具有良好的人機交互界面，對采集的現場各類數據信息計算、分析與處理，并以圖形、數顯、聲音等方式反映現場的運行狀況。
　　監控主機：用于數據采集、處理和數據轉發。為系統內或外部提供數據接口，進行系統管理、維護和分析工作。
　　打印機：系統召喚打印或自動打印圖形、報表等。
　　模擬屏：系統通過通訊方式與智能模擬屏進行數據交換，形象顯示整個系統運行狀況。
　　UPS：保證計算機監測系統的正常供電，在整個系統發生供電問題時，保證站控管理層設備的正常運行。
　　2）網絡通訊層
　　通訊層主要是由通訊管理機、以太網設備及總線網絡組成。該層是數據信息交換的橋梁，負責對現場設備回送的數據信息進行采集、分類和傳送等工作的同時，轉達上位機對現場設備的各種控制命令。
　　 通訊管理機：是系統數據處理和智能通訊管理中心。它具備了數據采集與處理、通訊控制器、前置機等功能。
　　以太網設備：包括工業級以太網交換機。
　　通訊介質：系統主要采用屏蔽雙絞線、光纖以及無線通訊等。
　　3）現場設備層
　　現場設備層是數據采集終端，主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現場總線連接的分布式I/O控制器構成數據采集終端，向數據中心上傳存儲的建筑能耗數據。測量儀表擔負著最基層的數據采集任務，其監測的能耗數據必須完整、準確并實時傳送至數據中心。

2　 軟件實現與系統功能
　　上位機軟件為Acrel-5000能耗監測系統組態軟件，該軟件是對現場能耗數據進行采集與監測的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態形式”而不是編程方式來進行系統集成，它提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態”，便可以非常容易地實現和完成對現場數據的采集與監測功能。Acrel-5000能耗監測系統具有友好的人機交互界面，可實時和定時采集現場設備各參量及開關量狀態，并將采集到的數據上傳給數據中心存儲。系統還提供了實時曲線和歷史趨勢曲線分析，符合用戶設計需要的報表、事件記錄和故障報警等功能。整個系統可以實現所有回路能耗的采集和統計，實現了遠程自動抄表、能耗監測功能。
　　（1）運行狀態監測：通訊異常報警提示。
　　（2）用戶管理：不同用戶權限具備不同操作功能，各級權限的口令修改操作功能，具有權限防誤功能。
　　（3）能耗報表、棒圖：實現了所有能耗報表的按時間查詢，分為日、月、年報表等，任意分類、分項實時能耗棒圖顯示。
　　（4）打印及導出：所有報表及界面可打印，或以EXCEL、WORD格式進行導出。

3　 應用案例
　　上海浦東某圖書館是一個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，還有少量的燃氣、柴油等，柴油發電機是作為應急電源之用。該項目能耗監測系統采用三層網絡結構，各樓層對用電進行分類、分項計量，各樓層及總供水管道、燃氣、柴油管道都安裝有測量儀表，以實現對能耗的實時采集與監控。所有的智能測量儀表均通過現場總線進行組網，在監控室對現場各回路能耗狀況實現集中監控與管理。
　　該項目中采用研祥工業計算機作為監控主機，并附帶液晶顯示器、打印機等設備，山特UPS電源在整個系統發生供電問題時，可在一定時間內保證站控管理層設備的正常運行。數據采集終端采用高可靠性、帶有現場總線連接的智能測量儀表。對于圖書館供配電系統，低壓進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系列導軌式電能表，儀表外形如圖2所示[2][3]。

圖2　智能電力網絡儀表

　　ACR系列多功能電力儀表具有全面的三相交流電量測量、復費率電能計量、四象限電能計量、2～31次諧波分析、電網質量分析、遙信輸入、遙控輸出及網絡通訊功能，主要用于對電網供電質量的綜合監控及電能管理，廣泛應用于低壓聯絡柜、出線柜、動力柜等場合。而ADL系列導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、安裝方便等優點，ADL100單相電能表結構尺寸為4模數，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模數結構，主要應用于動力柜中，安裝方式如圖4所示，極大的方便了用電自動化管理。

圖3　ADL100應用安裝示例

圖4　ADL300應用于動力柜中

　　該能耗監測系統通過現場設備和通信系統提供的傳輸通道，完成對各用電回路、供水、燃氣及柴油管道的數據采集，信息經分析、處理，以報表、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的運行及能耗狀況，及時發現、糾正能源浪費現象，從而進行節能管理。在需要時，還可提供快捷的遠程控制手段，完成對設備運行狀態的改變以及事故情況的處理。

圖5　圖書館能耗監測系統主界面

表1　圖書館能耗統計數據查詢表

　　圖5為圖書館能耗監測系統的主界面，可以查詢各類能耗的使用狀況，表1給出了圖書館能耗數據查詢表，很清楚的顯示出各類能源的使用情況。圖6為系統給出的圖書館照明、空調及插座等用電量的餅圖，很直觀地顯示出分項用電量的百分比。而圖7是根據系統采集的所有分類能耗數據，由系統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　圖書館年分項用電量餅圖　

圖7　圖書館分類能耗對比圖

4　 結束語
　　隨著能源的日益緊張，節能降耗成為大型公共建筑智能化建設的必然選擇，本文介紹的能耗監測系統，不僅能監控供配電系統的運行狀況，還能監測用水量、燃氣等其它能源的使用狀況，并能根據采集到的能耗數據繪制出各種報表、分析曲線、圖形等，便于分析研究，為智能建筑的節能技術提供參考。該系統運行安全、可靠，并附有事件記錄及故障報警等功能，極大地方便了用戶的使用。隨著社會的發展，能源的日益緊張，實現對分類能耗、分項能耗的遠程監測與管理成為智能建筑發展的必然趨勢。

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