基于Acrel-5000的大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)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(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑平均電耗、水耗。其中進(jìn)行審計的20個單位的國家機(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，對全國重點(diǎn)城市重點(diǎn)建筑能耗進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并通過能耗統(tǒng)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(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)能耗計量裝置，采用遠(yuǎn)程傳輸?shù)仁侄渭皶r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?。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)，由自動計量裝置實(shí)時采集，通過自動傳輸方式實(shí)時傳輸至數(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)的自動計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)議自動并實(shí)時上傳給數(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，接收并存儲其管理區(qū)域內(nèi)監(jiān)測建筑的能耗數(shù)據(jù)，并對其進(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)更新的時間間隔，訪問歷史數(shù)據(jù)，報警，打印報表，實(shí)時與歷史曲線，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，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)級計算機(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，對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息計算、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)召喚打印或自動打印圖形、報表等。
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，形象顯示整個系統(tǒng)運(yùn)行狀況。
UPS：保證計算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的正常供電，在整個系統(tǒng)發(fā)生供電問題時，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，轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)對現(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)時和定時采集現(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。系統(tǒng)還提供了實(shí)時曲線和歷史趨勢曲線分析，符合用戶設(shè)計需要的報表、事件記錄和故障報警等功能。整個系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所有回路能耗的采集和統(tǒng)計，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動抄表、能耗監(jiān)測功能。
（1）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測：通訊異常報警提示。
（2）用戶管理：不同用戶權(quán)限具備不同操作功能，各級權(quán)限的口令修改操作功能，具有權(quán)限防誤功能。
?。?）能耗報表、棒圖：實(shí)現(xiàn)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(xiàng)實(shí)時能耗棒圖顯示。
?。?）打印及導(dǎo)出：所有報表及界面可打印，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?xì)?、柴油等，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)，各樓層對用電進(jìn)行分類、分項(xiàng)計量，各樓層及總供水管道、燃?xì)?、柴油管道都安裝有測量儀表，以實(shí)現(xiàn)對能耗的實(shí)時采集與監(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電源在整個系統(tǒng)發(fā)生供電問題時，可在一定時間內(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(jiān)控及電能管理，廣泛應(yīng)用于低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜、動力柜等場合。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。
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