基于Acrel-5000的大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應用
王斌1，杜運東2，曹雪華2
（1. 華東建筑設(shè)計研究院有限公司，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，系統(tǒng)構(gòu)成以及系統(tǒng)的功能，Acrel-5000組態(tài)軟件可以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的系統(tǒng)集成，數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及存儲，從而實現(xiàn)對大型公共建筑的分類、分項能耗計量功能。并以實例驗證了該系統(tǒng)的功能與實用性。
關(guān)鍵詞 能耗監(jiān)測 Acrel-5000 系統(tǒng)集成
Design and Application of Energy-consuming Supervising System
in Large Public Buildings Based on Acrel-5000
Wang bin1, Du Yundong2,Cao Xuehua2
(1. East China Architectural Design & Research Institute Co.,Ltd.
2. Shanghai Acrel Co. Ltd., Shanghai 201801, China)
Abstract A new Energy-consuming Supervising System is introduced, its design, system structure and function. Acrel-5000 configuration software can realize system integration of field devices, data collection, transmission and save, sequentially realize sorted and subentry Energy-consuming measure function to large public buildings. And the system function and practicability are demonstrated by practical case.
Keyword Energy-consuming Supervising, Acrel-5000, system integration
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。其中進行審計的20個單位的國家機關(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(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)導則的通知》實施，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，對全國重點城市重點建筑能耗進行實時監(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，促使國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)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(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成
能耗監(jiān)測系統(tǒng)是指通過對國家機關(guān)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?shù)仁侄渭皶r采集能耗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)重點建筑能耗的在線監(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行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)，如：電、燃氣、水等。分項能耗是指根據(jù)各類能源的主要用途劃分進行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)，例如，電量分項能耗應當包括：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)包括建筑分項能耗數(shù)據(jù)和分類能耗數(shù)據(jù)，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(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，同時數(shù)據(jù)傳輸采取一定的編碼規(guī)則，實現(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，實時與歷史曲線，圖表的繪制，并預留相應擴展功能。
1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-5000能耗監(jiān)測系統(tǒng)以計算機、通訊設(shè)備、測控單元為基本工具，為大型公共建筑的實時數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及遠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)成任意復雜的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用分層分布式計算機網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，如圖1所示：站控管理層、網(wǎng)絡通訊層和現(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、打印機、UPS電源等組成。監(jiān)測系統(tǒng)軟件具有良好的人機交互界面，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)場的運行狀況。
監(jiān)控主機：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，進行系統(tǒng)管理、維護和分析工作。
打印機：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行數(shù)據(jù)交換，形象顯示整個系統(tǒng)運行狀況。
UPS：保證計算機監(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)備的正常運行。
2）網(wǎng)絡通訊層
通訊層主要是由通訊管理機、以太網(wǎng)設(shè)備及總線網(wǎng)絡組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負責對現(xiàn)場設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進行采集、分類和傳送等工作的同時，轉(zhuǎn)達上位機對現(xiàn)場設(shè)備的各種控制命令。
通訊管理機：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、前置機等功能。
以太網(wǎng)設(shè)備：包括工業(yè)級以太網(wǎng)交換機。
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)。測量儀表擔負著最基層的數(shù)據(jù)采集任務，其監(jiān)測的能耗數(shù)據(jù)必須完整、準確并實時傳送至數(shù)據(jù)中心。
2 軟件實現(xiàn)與系統(tǒng)功能
上位機軟件為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)進行采集與監(jiān)測的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態(tài)形式”而不是編程方式來進行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，只要將其預設(shè)置的各種軟件模塊進行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實現(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)具有友好的人機交互界面，可實時和定時采集現(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)可以實現(xiàn)所有回路能耗的采集和統(tǒng)計，實現(xiàn)了遠程自動抄表、能耗監(jiān)測功能。
（1） 運行狀態(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。
（3） 能耗報表、棒圖：實現(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(fā)電機是作為應急電源之用。該項目能耗監(jiān)測系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，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(xiàn)對能耗的實時采集與監(jiān)控。所有的智能測量儀表均通過現(xiàn)場總線進行組網(wǎng)，在監(jiān)控室對現(xiàn)場各回路能耗狀況實現(xiàn)集中監(jiān)控與管理。
該項目中采用研祥工業(yè)計算機作為監(jiān)控主機，并附帶液晶顯示器、打印機等設(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]。
ACR系列 ADL系列：單相、三相
圖 2 智能電力網(wǎng)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(wǎng)質(zhì)量分析、遙信輸入、遙控輸出及網(wǎng)絡通訊功能，主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控及電能管理，廣泛應用于低壓聯(lián)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(yōu)點，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(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，完成對各用電回路、供水、燃氣及柴油管道的數(shù)據(jù)采集，信息經(jīng)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(tǒng)的運行及能耗狀況，及時發(fā)現(xiàn)、糾正能源浪費現(xiàn)象，從而進行節(jié)能管理。在需要時，還可提供快捷的遠程控制手段，完成對設(shè)備運行狀態(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圖書館年分項用電量餅圖
圖7圖書館分類能耗對比圖
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)的運行狀況，還能監(jiān)測用水量、燃氣等其它能源的使用狀況，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(fā)展，能源的日益緊張，實現(xiàn)對分類能耗、分項能耗的遠程監(jiān)測與管理成為智能建筑發(fā)展的必然趨勢。
參考文獻
1. 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(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)相關(guān)技術(shù)導則的通知. 2008. 6
2. 任致程 周中. 電力電測數(shù)字儀表原理與應用指南. 北京. 中國電力出版社. 2007. 4
3. 蔣偉. 勝利油田物探院低壓配電系統(tǒng)改造[J]. 智能建筑電氣技術(shù), 2008, 2 (2)
作者簡介：
王斌（1979—），男，漢族，學士，注冊電氣工程師，主要研究方向為建筑供配電；
杜運東（1981－），男，漢族，碩士，工程師，主要研究方向為智能建筑供配電監(jiān)控系統(tǒng)；聯(lián)系電話：15001971961，yundongdu@163.com
曹雪華（1980-），女，工學碩士，工程師，研究方向為工業(yè)控制網(wǎng)絡技術(shù)、高低壓變配電智能監(jiān)控技術(shù)等。
聯(lián)系人：龐軻 18635185173
