探討關(guān)于能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計與解決方案

李明君

（安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）

摘要：闡述能耗管理平臺系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)中心、通信層、設(shè)備配置、系統(tǒng)軟件設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、基于GIS的能耗總攬、能耗分類統(tǒng)計分析、事件與告警信息管理、實時數(shù)據(jù)的存儲、歷史數(shù)據(jù)記錄、監(jiān)管平臺安全的功能。

關(guān)鍵詞：能耗管理，數(shù)據(jù)中心，能耗分類統(tǒng)計，事件與告警

0引言

能耗管理已經(jīng)成為商業(yè)綜合體各項管理過程中重要的措施之一，如何有效地對提供的能源進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而對采集的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后制定出管理部門所需的各級報表，從而在能源消耗以及管理上提出改進(jìn)計劃已成為現(xiàn)階段各商業(yè)綜合體管理企業(yè)能源管理所面臨的主要問題。建立以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的能耗監(jiān)管平臺，動態(tài)掌握企業(yè)的用能狀況，建立科學(xué)的能耗模型，為推進(jìn)節(jié)約型企業(yè)建設(shè)、實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減耗目標(biāo)已大勢所趨。本文以2020年底參建山東濟(jì)南齊魯之門A2A3商業(yè)綜合體項目為例，項目是由綠地集團(tuán)投資，總建筑面積22.88萬m2，含商業(yè)、辦公寫字樓、酒店、公寓等形成的多業(yè)態(tài)的綜合體，項目通過采用能耗管理系統(tǒng)，在節(jié)能減排方面取得了較好的成效。

1能耗管理系統(tǒng)的特點

作為商業(yè)綜合體而言，能耗管理平臺建設(shè)的目標(biāo)是實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)化、管理動態(tài)化、數(shù)據(jù)可視化、節(jié)能指標(biāo)化。為建筑節(jié)能節(jié)水政策和適應(yīng)的建筑節(jié)能、節(jié)水技術(shù)方案，提高建筑物的資源能源利用效率。根據(jù)平臺設(shè)計原則和目標(biāo)，基于“集中管理，分布采集"的思想，系統(tǒng)構(gòu)架基于企業(yè)智能化設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)，減少系統(tǒng)建設(shè)成本。以企業(yè)以太網(wǎng)為主要媒介，分部門、對企業(yè)主要用能建筑、用能設(shè)施實施動態(tài)監(jiān)測，構(gòu)建可靠性強、效率高、共享度高的企業(yè)能耗數(shù)據(jù)庫，建立能耗監(jiān)測、統(tǒng)計平臺，為企業(yè)設(shè)施節(jié)能對策提供決策支撐。

2 能耗管理平臺的系統(tǒng)設(shè)計

能耗管理平臺設(shè)有數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、整理、加工供節(jié)能監(jiān)管軟件使用；設(shè)有現(xiàn)場數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集并提供給數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)中心的聯(lián)系依靠域網(wǎng)完成。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1能耗管理平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1 能耗管理平臺的數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)。商業(yè)綜合體的數(shù)據(jù)中心設(shè)在A座一樓，其主要設(shè)備包括：一臺工作站主機、預(yù)留有接口并可擴展維護(hù)工作站，一臺UPS備用電源、一臺智能化核心交換機和一臺打印機。工作站主機將商業(yè)綜合體內(nèi)所有的水、電的數(shù)據(jù)采集、進(jìn)行數(shù)據(jù)加工，存入歷史數(shù)據(jù)庫建庫；工作站可作為管理人員的人機接口，供管理人員實時掌握能耗的動態(tài)信息，并且通過能耗管理平臺的各種能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能，使得管理人員能及時發(fā)現(xiàn)各種能耗的異常狀況，及時處理，減少能源消耗，達(dá)到節(jié)能監(jiān)管的目的。

能耗管理平臺通過一段時間對各類數(shù)據(jù)的采集，可以對本商業(yè)綜合體內(nèi)的水、電情況做出統(tǒng)計報表，通過對區(qū)域內(nèi)設(shè)備的橫向和縱向比對，可對建立本監(jiān)管區(qū)域內(nèi)各類型的單位能耗參考值，通過參考值可對本區(qū)域內(nèi)的能耗大戶進(jìn)行有針對性的分析，從而為節(jié)能提供參考依據(jù)。同時將此參考值與其他建筑的能耗值做比對，也可實現(xiàn)同行業(yè)的比對，為今后的節(jié)能監(jiān)管提供依據(jù)。能耗管理平臺軟件具備系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)通信處理、人機界面監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、各類事件報警、實時及歷史數(shù)據(jù)庫建庫及存儲功能。

2.1.1通信層結(jié)構(gòu)

通信層由數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)交換機組成；支持TCP/IP、現(xiàn)場總線、Profibus-DP、MODBUS、DNP、IEC870-5、IEC61850、DLT645-1997等國際國內(nèi)常見的設(shè)備規(guī)約，使商業(yè)綜合體內(nèi)的各種能源計量設(shè)備可以方便地直接接入系統(tǒng)。

監(jiān)管平臺使用商業(yè)綜合體內(nèi)智能化設(shè)備專網(wǎng)，供工作站主機、通信管理機（數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）等設(shè)備使用，確保能耗管理平臺的數(shù)據(jù)安全性。

2.1.2現(xiàn)場儀表層構(gòu)成

商業(yè)綜合體的現(xiàn)場儀表層設(shè)備包括電能數(shù)據(jù)的計量儀表，建筑內(nèi)分項電能的計量儀表，各級水表等能耗計量設(shè)備。

2.2能耗管理平臺的通信層

商業(yè)綜合體現(xiàn)場各種計量裝置采用RS485總線通信，RS485總線采用屏蔽雙絞線，現(xiàn)場計量儀表與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間采用屏蔽雙絞線。屏蔽雙絞線內(nèi)部兩芯采用雙絞的方式，降低了RS485的傳輸損耗，再加上雙絞線外一層銅絲屏蔽網(wǎng)，減少了外界干擾方面，通信效果較好。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)至數(shù)據(jù)服務(wù)器通過TCP/IP的智能化專網(wǎng)連接，所有的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)以就近的原則接入智能化設(shè)備專網(wǎng)，采用網(wǎng)線直連的方式，所有數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器；工作站主機也通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連。整個管理平臺由數(shù)據(jù)中心、通信管理層和現(xiàn)場儀表層構(gòu)成。

2.3系統(tǒng)設(shè)備配置

數(shù)據(jù)中心主要硬件配置：監(jiān)控主站、UPS電源、打印機；系統(tǒng)軟件配置：系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、能耗管理平臺、其他工具軟件；通信及現(xiàn)場智能儀表設(shè)備配置：包括智能化專網(wǎng)交換機及數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，智能化專網(wǎng)交換機配置KIEN3016非網(wǎng)管形以太網(wǎng)交換機，能適應(yīng)較復(fù)雜的工作環(huán)境，具有16個電口，可保證通信的穩(wěn)定可靠；數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，具有以下特點：采用ARM9平臺，嵌入式LINUX操作系統(tǒng)，性能穩(wěn)定可靠；支持RealCom/TTY驅(qū)動，**兼容原有軟件系統(tǒng)；具有TCPServer、TCPClient和UDP等通用透明傳輸模式；支持串口服務(wù)器直接對聯(lián)模式和反向終端模式；可通過網(wǎng)頁瀏覽器或TELNET終端進(jìn)行配置管理；提供1個10/100M自適應(yīng)網(wǎng)口，并且支持MDI,MDI-X自適應(yīng)功能每個串口帶有15KVESD浪涌保護(hù)，多種通信接口功能：2/4/8個可自由配置的串行接口。

2.4能耗管理平臺的系統(tǒng)軟件

能耗管理平臺系統(tǒng)軟件實現(xiàn)多任務(wù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫跨平臺連接，支持多種開放的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。能耗管理平臺包括以下軟件：操作系統(tǒng)：采用服務(wù)器專用操作系統(tǒng)軟件，包括操作系統(tǒng)生成包、編譯系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)和各種軟件維護(hù)、開發(fā)工具，操作系統(tǒng)具有良好的實時性能；防止數(shù)據(jù)文件丟失或破壞的功能；操作系統(tǒng)能有效地管理各種外部設(shè)備；數(shù)據(jù)庫軟件：數(shù)據(jù)庫的規(guī)模能容納全部系統(tǒng)并能夠處理以后擴建接入的自動化系統(tǒng)所需的全部數(shù)據(jù)，并適合所需的各種數(shù)據(jù)類型。其各種性能指標(biāo)能滿足系統(tǒng)功能和性能的要求；其數(shù)據(jù)模型符合能耗監(jiān)控及負(fù)荷管理的要求，便于數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷擴充和數(shù)據(jù)間形成的結(jié)構(gòu)不斷更新。

3能耗管理平臺的實現(xiàn)

3.1能耗管理平臺的功能

3.1.1分層分布式系統(tǒng)

整個系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)中心、通信層和現(xiàn)場儀表層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了，設(shè)備功能清晰明確。

強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析功能：能耗管理平臺對各級建筑的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理和加工，按照單位面積、環(huán)境因素及人流密度等參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，進(jìn)行多種樣式的比對，如能耗前*排行榜，同期能耗柱狀圖比對。

3.1.2豐富的報表功能

能耗管理平臺對統(tǒng)計分析出的各種能耗比對數(shù)據(jù)可以以報表的形式提供給客戶，方便客戶對各種能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工。

3.1.3便利的短信告警功能

當(dāng)能耗管理平臺出現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)異常時，可通過移動或聯(lián)通的短信平臺對負(fù)責(zé)平臺運行的管理人員進(jìn)行短信通知，使得異常情況能在較短時間得到處理。

3.2能耗管理平臺的應(yīng)用

能耗管理平臺軟件主要運行在數(shù)據(jù)服務(wù)器和工作站主機上，其主要功能是對商業(yè)綜合體的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，整理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析，實現(xiàn)對各個樓宇能耗的實時監(jiān)控，對單位時間內(nèi)的能耗做出統(tǒng)計，對出現(xiàn)的異常情況實時告警，完成商業(yè)綜合體的節(jié)能監(jiān)管。

3.2.1數(shù)據(jù)采集功能

能耗管理平臺對配電室的運行狀態(tài)和參數(shù)自動實時或定時進(jìn)行采集，配電室配電過程輸入、輸出信號經(jīng)濾波，檢出事故、故障、狀態(tài)信號和模擬信號參數(shù)變化，實時地更新數(shù)據(jù)庫，為監(jiān)控系統(tǒng)提供運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并作必要的預(yù)處理。平臺對每個模擬量可設(shè)定上限、下限等閾值，對不同越限可選擇不同的報警方式（音響、畫面、打?。?。能耗管理平臺還可以以不同的形式（實時曲線、歷史曲線、高密度曲線、餅圖、棒型、報表）顯示模擬量，反映模擬量的變化趨勢，記錄出現(xiàn)大小值的時間。

3.2.2基于GIS的能耗總攬功能

能耗管理平臺采用流行的IE多文檔窗口界面，畫面可放大、縮小、打印。平臺屏幕顯示采用衛(wèi)星地圖，引入設(shè)備的GIS（地理位置）信息，在圖紙準(zhǔn)確標(biāo)注；平臺支持地圖的縮放、導(dǎo)航功能。通過鼠標(biāo)懸浮，可實時顯示對應(yīng)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)、上一個單位時間的能耗值。平臺已紅色標(biāo)記顯示當(dāng)前能耗排行前幾位的樓宇，可提醒管理員注意觀察。平臺對能耗的排行可選擇不同的統(tǒng)計時段，如日/月/年，進(jìn)行多種比對，便于發(fā)現(xiàn)其中異常。地圖信息可以在2D和3D之間隨意切換。

3.2.3總能耗跟蹤分析

平臺可對商業(yè)綜合體總能耗時進(jìn)行跟蹤，可以清晰地看出企業(yè)能耗的趨勢圖，掌握企業(yè)能耗在時間上的分布特點，分析能耗跟環(huán)境參數(shù)的依賴關(guān)系。平臺支持對總能耗的柱狀圖顯示，便于觀察能耗的變化情況；支持已不同的時間跨度（日/月/年）對能耗統(tǒng)計顯示；支持?jǐn)?shù)據(jù)查詢，可到每一天的數(shù)據(jù)查詢；總能耗柱狀圖支持與上一個統(tǒng)計時間做能耗比對，方便數(shù)據(jù)的縱向比較；平臺同畫面中推出環(huán)境參數(shù)已折線圖形式顯示，便于對同期的能耗變化進(jìn)行分析比對。

3.2.4能耗分類統(tǒng)計分析

平臺對總能耗按照不同建筑物進(jìn)行分類統(tǒng)計，排出當(dāng)前統(tǒng)計時間內(nèi)的**耗能建筑，并用柱狀圖顯示能耗數(shù)據(jù)。統(tǒng)計總功率可以和上一個統(tǒng)計周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行同期比對；平臺可實現(xiàn)當(dāng)前、本月、本年的耗電和耗水部門排行榜，以柱狀圖顯示數(shù)據(jù)大小。

3.2.5事件、告警信息管理

平臺當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、計量儀表等設(shè)備故障時，產(chǎn)生故障告警系統(tǒng)；平臺檢測到能耗的數(shù)據(jù)的異常時、超標(biāo)時均可產(chǎn)生告警信息，需由操作人員進(jìn)行報警確認(rèn)。報警實時地顯示在屏幕上，存入歷史事項庫中，供管理人員查詢，并分類記錄。能耗管理平臺可通過一麥歐、短信等方式向管理人員發(fā)出告警信息。

3.2.6通信處理

平臺可接入支持SC-1801、CDT、DNP、MODBUS、IEC870-5-103、PROFIBUS、DH+、CC-Link等協(xié)議的RTU、PLC、智能儀表等子設(shè)備；也可以向支持SC-1801、CDT、DNP、MODBUS、IEC870-5-101、OPCSERVER等協(xié)議的區(qū)域數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。同時預(yù)留規(guī)約接口，使用戶方便擴充通信規(guī)約。能耗管理平臺可處理各種不同規(guī)約的信息，發(fā)送和接收遙測、遙信、系統(tǒng)對時，配置信息的請求、應(yīng)答、報文，將實時數(shù)據(jù)按相同的數(shù)據(jù)格式存入實時數(shù)據(jù)庫，從而為系統(tǒng)其他模塊提供數(shù)據(jù)來源。

3.2.7 實時數(shù)據(jù)的存儲

實時數(shù)據(jù)庫是存于計算機內(nèi)存中的反映系統(tǒng)各數(shù)據(jù)點當(dāng)前狀態(tài)或數(shù)值的數(shù)據(jù)庫。保存從各數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)采集上來的實時數(shù)據(jù)其數(shù)據(jù)在每次系統(tǒng)掃描周期后被刷新一次。在實時數(shù)據(jù)庫中可以保存模擬量、計量量、設(shè)定點控制輸出等多種類型的點。實時數(shù)據(jù)需有后備，一旦當(dāng)前實時數(shù)據(jù)庫被破壞，能及時恢復(fù)運行。

3.2.8 歷史數(shù)據(jù)記錄

周期性存貯到硬盤中的分時數(shù)據(jù)，對實時數(shù)據(jù)庫及其他應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中的每一個點可選定存儲周期實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)記錄，為報表、曲線的生成提供數(shù)據(jù)源。同時記錄事件順序記錄和異常事項記錄及設(shè)備運行檢修等，形成完整的歷史數(shù)據(jù)庫。歷史數(shù)據(jù)庫存儲具有定時存儲數(shù)據(jù)和在異常狀態(tài)下存儲歷史數(shù)據(jù)的功能，提供訪問歷史數(shù)據(jù)庫的接口并可隨時查詢和使用。

3.2.9 監(jiān)管平臺的安全

能耗監(jiān)管平臺各節(jié)點獨立,每節(jié)點的退出不影響系統(tǒng)的其他部分。數(shù)據(jù)庫的各節(jié)點均可獨立修改,系統(tǒng)其他部分可正常工作。前置機的數(shù)量和功能也可根據(jù)一次系統(tǒng)的擴充而隨之?dāng)U充。以上修改變動均不影響系統(tǒng)的正常工作和已保存的數(shù)據(jù)。

4 安科瑞建筑能耗分析系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照有關(guān)規(guī)定實施能源計算，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計算報告。

4.2應(yīng)用場所

適用于公共建筑、集團(tuán)公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測與管理的系統(tǒng)設(shè)計、施工和運行維護(hù)。

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1系統(tǒng)概況

平臺運行狀態(tài)，當(dāng)月能耗折算、地圖導(dǎo)航，各能耗逐時、逐月曲線，當(dāng)日，當(dāng)月能耗同比分析滾動顯示。

4.3.2用能概況

對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項等用能進(jìn)行對比，支持當(dāng)日逐時趨勢、當(dāng)月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計對比、總能耗同環(huán)比對比。

4.3.3用能統(tǒng)計

對建筑、區(qū)域、分項、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進(jìn)行統(tǒng)計，支持報表數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行生成

4.3.4復(fù)費率統(tǒng)計

復(fù)費率報表按日、月、年統(tǒng)計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進(jìn)行統(tǒng)計分析。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。

4.3.5同比分析

對建筑、分項、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結(jié)合的方式進(jìn)行用能數(shù)據(jù)同比分析。

4.3.6能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑**時段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標(biāo)值查看。

4.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在**時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，支持導(dǎo)出報表。

4.3.8設(shè)備管理

設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運行。

4.3.9用戶報告

用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結(jié)果，針對用電提供單獨的復(fù)費率用能分析，報告可編輯。

5系統(tǒng)硬件配置

6 結(jié)語

隨著現(xiàn)代社會的飛速發(fā)展，人們在物質(zhì)和文化需求方面日益增長，我們的衣、食、住、行也關(guān)系著社會能源的利用和消耗，大量能源的消耗使得環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，節(jié)能降耗面臨壓力比較大。我們各行各業(yè)都要不斷增強能源節(jié)約意識和環(huán)境保護(hù)意識，進(jìn)一步提高能源資源利用效率、節(jié)能降耗，相信在我們建筑行業(yè)，通過能耗管理系統(tǒng)可以為商業(yè)綜合體提供一定的節(jié)能降耗。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳鑫.基于智慧能源的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用[J].電信快報,2022(02):34-37.

[2] 黃小鳳.PMCS能耗綜合管理系統(tǒng)于智慧園區(qū)的應(yīng)用解決方案[J].智能建筑電氣技術(shù),2017, 11(04):68-73.

[3] 周斯蕓,于兵.節(jié)能智慧管理系統(tǒng)在區(qū)域建筑節(jié)能管理中的應(yīng)用[J].智能建筑,2016(08):66-68.

[4] 林偉偉,吳文泰.面向云計算環(huán)境的能耗測量和管理方法[J].軟件學(xué)報,2016,27(04):1026-1041.

[5] 潘建民.能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

[6] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版

作者簡介：

李明君，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為建筑能耗系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用