基于A(yíng)crel-5000的大型公共建筑能耗監測系統設計與應用
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北京市建委和市發(fā)改委2008年01月公布了去年北京實(shí)施能源審計的部分北京市國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑平均電耗、水耗。其中進(jìn)行審計的20個(gè)單位的國家機關(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）。國家機關(guān)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(fā)達國家同類(lèi)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(guān)于印發(fā)國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統建設相關(guān)技術(shù)導則的通知》實(shí)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(diǎn)城市重點(diǎn)建筑能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并通過(guò)能耗統計、能源審計、能效公示、用能定額和超定額加價(jià)等制度，促使國家機關(guān)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(guò)對國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑安裝分類(lèi)和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸等手段及時(shí)采集能耗數據，實(shí)現重點(diǎn)建筑能耗的在線(xiàn)監測和動(dòng)態(tài)分析功能的硬件系統和軟件系統的統稱(chēng)[1]。其中，分類(lèi)能耗是指根據國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑消耗的主要能源種類(lèi)劃分進(jìn)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(lèi)能源的主要用途劃分進(jìn)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(dòng)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(dòng)采集方式。通過(guò)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(guò)自動(dòng)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(guò)自動(dòng)采集方式采集的數據包括建筑分項能耗數據和分類(lèi)能耗數據，由自動(dòng)計量裝置實(shí)時(shí)采集，通過(guò)自動(dòng)傳輸方式實(shí)時(shí)傳輸至數據中心。
1.2 數據傳輸技術(shù)
建筑物能耗監測系統的自動(dòng)計量裝置所采集的能耗數據，通過(guò)RS485接口，并采用TCP／IP通信協(xié)議自動(dòng)并實(shí)時(shí)上傳給數據中心，以保證數據得到有效的管理和支持高效率的查詢(xún)服務(wù)，同時(shí)數據傳輸采取一定的編碼規則，實(shí)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(jìn)行處理、分析、展示和發(fā)布。數據中心具備設置數據更新的時(shí)間間隔，訪(fǎng)問(wèn)歷史數據，報警，打印報表，實(shí)時(shí)與歷史曲線(xiàn)，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(shí)時(shí)數據采集、開(kāi)關(guān)狀態(tài)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(wǎng)絡(luò )結構，如圖1所示：站控管理層、網(wǎng)絡(luò )通訊層和現場(chǎng)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(yè)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(chǎng)各類(lèi)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(chǎng)的運行狀況。
監控主機：用于數據采集、處理和數據轉發(fā)。為系統內或外部提供數據接口，進(jìn)行系統管理、維護和分析工作。
打印機：系統召喚打印或自動(dòng)打印圖形、報表等。
模擬屏：系統通過(guò)通訊方式與智能模擬屏進(jìn)行數據交換，形象顯示整個(gè)系統運行狀況。
UPS：保證計算機監測系統的正常供電，在整個(gè)系統發(fā)生供電問(wèn)題時(shí)，保證站控管理層設備的正常運行。
2）網(wǎng)絡(luò )通訊層
通訊層主要是由通訊管理機、以太網(wǎng)設備及總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )組成。該層是數據信息交換的橋梁，負責對現場(chǎng)設備回送的數據信息進(jìn)行采集、分類(lèi)和傳送等工作的同時(shí)，轉達上位機對現場(chǎng)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(wǎng)設備：包括工業(yè)級以太網(wǎng)交換機。
通訊介質(zhì)：系統主要采用屏蔽雙絞線(xiàn)、光纖以及無(wú)線(xiàn)通訊等。
3）現場(chǎng)設備層
現場(chǎng)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(chǎng)總線(xiàn)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?jì)x表?yè)撝?zhù)最基層的數據采集任務(wù)，其監測的能耗數據必須完整、準確并實(shí)時(shí)傳送至數據中心。
2 軟件實(shí)現與系統功能
上位機軟件為Acrel-5000能耗監測系統組態(tài)軟件，該軟件是對現場(chǎng)能耗數據進(jìn)行采集與監測的專(zhuān)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(lái)進(jìn)行系統集成，它提供了良好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現和完成對現場(chǎng)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(shí)時(shí)和定時(shí)采集現場(chǎng)設備各參量及開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，并將采集到的數據上傳給數據中心存儲。系統還提供了實(shí)時(shí)曲線(xiàn)和歷史趨勢曲線(xiàn)分析，符合用戶(hù)設計需要的報表、事件記錄和故障報警等功能。整個(gè)系統可以實(shí)現所有回路能耗的采集和統計，實(shí)現了遠程自動(dòng)抄表、能耗監測功能。
?。?）運行狀態(tài)監測：通訊異常報警提示。
?。?）用戶(hù)管理：不同用戶(hù)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。
?。?）能耗報表、棒圖：實(shí)現了所有能耗報表的按時(shí)間查詢(xún)，分為日、月、年報表等，任意分類(lèi)、分項實(shí)時(shí)能耗棒圖顯示。
?。?）打印及導出：所有報表及界面可打印，或以EXCEL、WORD格式進(jìn)行導出。
3 應用案例
上海浦東某圖書(shū)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，還有少量的燃氣、柴油等，柴油發(fā)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(wǎng)絡(luò )結構，各樓層對用電進(jìn)行分類(lèi)、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?jì)x表，以實(shí)現對能耗的實(shí)時(shí)采集與監控。所有的智能測量?jì)x表均通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行組網(wǎng)，在監控室對現場(chǎng)各回路能耗狀況實(shí)現集中監控與管理。
該項目中采用研祥工業(yè)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(gè)系統發(fā)生供電問(wèn)題時(shí)，可在一定時(shí)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(chǎng)總線(xiàn)連接的智能測量?jì)x表。對于圖書(shū)館供配電系統，低壓進(jìn)線(xiàn)回路和重要回路安裝ACR系列多功能電力儀表，普通饋線(xiàn)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(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、復費率電能計量、四象限電能計量、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，主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監控及電能管理，廣泛應用于低壓聯(lián)絡(luò )柜、出線(xiàn)柜、動(dòng)力柜等場(chǎng)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(yōu)點(diǎn)，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(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。
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