智能建筑能耗監(jiān)測平臺設計與應用*

孫恒1,2韓成浩1,3

(1:吉林建筑大學城建學院,長春130111;2:吉林建筑大學電氣與電子信息學院,長春130118;

3:吉林省智能建筑系統(tǒng)集成與節(jié)能控制重點實驗室,長春130118)

摘要：本系統(tǒng)采用RS-485總線式數(shù)據(jù)采集方式,利用Oracle數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)絡通訊技術(shù)、智能化通訊技術(shù)結(jié)合,實現(xiàn)對大型公共建筑的用電、用水、用氣及用熱等能耗數(shù)據(jù)進行實時的采集傳輸和分析.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、準確,快速采集各項能耗數(shù)據(jù),為有效管理和控制能耗提供重要的技術(shù)支撐.

關(guān)鍵詞：公共建筑；能耗監(jiān)測；數(shù)據(jù)傳輸；Oracle數(shù)據(jù)庫

收稿日期：2014-11-12.

作者簡介：孫恒(1984~),女,吉林省長春市人，實驗師，碩士.

基金項目：*吉林省科技廳重點科技攻關(guān)項目(20130206090SF);長春市科技局物聯(lián)網(wǎng)重大科技專項(11KZ26);長春市科技局科技基礎條件與平臺建設專項(12ZX56).

中圖分類號：TU 110文獻標志碼：A

The Design and Application of the Monitoring Platform for Intelligent Building Energy Consumption

SUN Heng1,2，HAN Cheng-hao1,3

(1:CityCollegeofJilinJianzhuUniversity,Changchun,China130111;

2:SchoolofElectricalandElectronicInformation,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118;

3:JilinProvincialLaboratoryofIntelligentBuildingSystem-Energy’sIntegrationandConservation,Changchun,China130118)

Abstract：This system applies the RS-485 way of collecting data,combines Oracle database,network communication technology and intelligent communication technology and realizes the real time data collection and analysis towards the energy consumption of power,water as well as gas and heat in large public buildings.This system is of simple structure,quick and precise in collecting all the data,providing crucial technological support for efficient management and energy consumption control.

Keywords:public building；energy consumption monitoring；data transmission；oracle database

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展,公共建筑的能源消耗已經(jīng)占據(jù)了社會能源消耗中相當大的比重.如果大力開發(fā)和推廣應用先進的建筑節(jié)能技術(shù),可以使我國公共建筑和居住建筑節(jié)能50%以上.現(xiàn)代建筑與智能技術(shù)的結(jié)合是建筑科技水平創(chuàng)新發(fā)展和綜合效益優(yōu)化提高的最好表現(xiàn),現(xiàn)代建筑的發(fā)展,要從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度出發(fā),注重促進生態(tài)平衡,保護環(huán)境.在合理利用資源和節(jié)約能源背景下,國家積極構(gòu)建建筑能耗監(jiān)測平臺,陸續(xù)發(fā)布了《國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設技術(shù)導則》、《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》[1]等,以指導和規(guī)范我國的建筑能耗數(shù)據(jù)采集工作.因此,公共建筑能耗數(shù)據(jù)存儲與處理技術(shù)的深入研究，對構(gòu)建標準化、通用性平臺將具有深遠意義.

1系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)1由管理軟件、服務器、局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集器、計量表具等組成.系統(tǒng)具備能耗數(shù)據(jù)的實時采集、遠程傳輸、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)上傳、指標分析、分類展示等功能.圖1為系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡構(gòu)架.

圖1系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡構(gòu)架

數(shù)據(jù)采集器接收從底層設備遠傳計量表具(水、電、氣)上傳的能耗數(shù)據(jù)和環(huán)境指標,按照相關(guān)規(guī)定將需要的數(shù)據(jù)打包上傳給上位機,數(shù)據(jù)傳輸為基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信方式,利用Oracle數(shù)據(jù)庫搭建的建筑能耗監(jiān)測平臺可以對建筑能耗指標進行實時存儲和動態(tài)分析.此系統(tǒng)測控層核心元器件采用西門子可編程序控制器S7300和施奈德PM810參數(shù)測量儀,實現(xiàn)了能耗實時參數(shù)、累計能耗數(shù)據(jù)、現(xiàn)場設備運行工況等數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集、實時處理和批量上傳.

2數(shù)據(jù)采集

2.1　數(shù)據(jù)編碼規(guī)則

為保證能耗數(shù)據(jù)可進行計算機或人工識別和處理,保證數(shù)據(jù)的有效管理和高效率的查詢服務,實現(xiàn)數(shù)據(jù)整理、存儲及交換的一致性,采用了統(tǒng)一的編碼規(guī)則,包括行政區(qū)劃代碼編碼、建筑類別編碼、建筑類別子項編碼、建筑識別編碼、分類能耗指標編碼、分項能耗指標編碼、分項能耗指標一級子項編碼及分項能耗指標二級子項編碼.編碼后能耗數(shù)據(jù)由20位符號組成，若某一項目無須使用某編碼時,則用相應位數(shù)的“0”代替.其中:第1~2位編碼為前導碼;第3~8位數(shù)編碼為建筑所在地的行政區(qū)劃代碼,按照《中華人民共和國行政區(qū)劃代碼》(GB/T2260)執(zhí)行;第9位數(shù)編碼為建筑類別編碼,用1位大寫英文字母F表示;第10位數(shù)編碼為建筑類別一級子項識別編碼,采用1位小寫英文字母如a,b,c,…j表示;第11~13位數(shù)編碼為建筑識別編碼,用3位阿拉伯數(shù)字表示,如001,002,…,999;第14~15位數(shù)編碼為分類能耗指標編碼,用2位阿拉伯數(shù)字表示;第16位數(shù)編碼為分項能耗指標編碼,用1位大寫英文字母表示;第17位數(shù)編碼為分項能耗指標一級子項編碼,用1位阿拉伯數(shù)字表示;第18位數(shù)編碼為分項能耗指標二級子項編碼,用1位阿拉伯數(shù)字表示;第19~20為CRC校驗位.

2.2　傳輸方式

圖2傳輸次序

底層計量表具(水、電、氣表)和網(wǎng)關(guān)之間采用主-從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式,網(wǎng)關(guān)作為主機發(fā)出請求命令后接收從機(水、電、氣表)的應答.每次通信都是由主站向按信息幀地址域選擇的從站發(fā)出請求命令幀開始,被請求的從站接收命令后,按先傳低位字節(jié),后傳高位字節(jié)的順序進行傳輸.數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娔芰恐禐?123456.78千瓦時,其傳輸次序如圖2所示.

2.3　TCP/IP協(xié)議

使用基于TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)絡,傳輸采用TCP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[2].根據(jù)對網(wǎng)關(guān)的命令設置,能源管理中心運行TCP并發(fā)起連接,TCP建立后一直保持連接狀態(tài),接收網(wǎng)關(guān)定時發(fā)送來的數(shù)據(jù)包,一旦連接斷開則重新建立連接.

3數(shù)據(jù)庫管理

系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫[3]管理軟件對底層傳來的能源數(shù)據(jù)具有進行數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)拆分、自動分類統(tǒng)計、節(jié)能分析、指標比對、異常用電預警、圖表顯示、報表管理、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)上傳等功能.

(1)數(shù)據(jù)保存.數(shù)據(jù)采集器接收從底層設備遠傳計量表具(水、電、氣)按照相關(guān)規(guī)定打包傳給上位機的能耗數(shù)據(jù)和傳輸設備的地址編碼、時間、電表地址編碼等標識信息.通過數(shù)據(jù)解析軟件解析數(shù)據(jù)包里的采集數(shù)據(jù),將解析后的實時能耗數(shù)據(jù)存儲到Oracle數(shù)據(jù)庫中的相應位置.

(2)數(shù)據(jù)拆分.能耗拆分的主要思路[4]:在運行的階段,對遠端計量表具上傳的實時能耗數(shù)據(jù)進行逐時拆分,然后將同類的能耗數(shù)據(jù)相加,得到各類負載逐時的分項能耗值.本系統(tǒng)采用遞歸算法,運用最優(yōu)化拆分算法進行拆分,再利用加法原則,將從Oracle數(shù)據(jù)庫中提取實時采集來的能耗數(shù)據(jù)進行拆分,將得到的實時分項能耗數(shù)值根據(jù)配電支路信息,存儲到分項能耗數(shù)據(jù)庫中.拆分計算的數(shù)據(jù)處理過程如圖3所示.

圖3拆分計算數(shù)據(jù)處理流程

(3)分析和顯示.運用數(shù)據(jù)挖掘算法將從分項能耗數(shù)據(jù)庫中調(diào)取的已經(jīng)處理好的分項能耗數(shù)據(jù)進行分析加工,根據(jù)管理員的權(quán)限和用戶級別控制和管理生成的數(shù)據(jù)報表和報告.設定每10分鐘進行一次能耗數(shù)據(jù)匯總,并且精確地展示出用能趨勢隨著用電器的變化而快速變化的狀態(tài),做到了節(jié)能數(shù)據(jù)看得見(如圖4所示).同時,制定用電策略,使指定區(qū)域在規(guī)定的時刻進入夜間低功耗運行模式,一方面滿足夜間特殊用電的需要(如手機充電),另一方面降低能源使用量,達到節(jié)能目的(如圖5所示).

圖4每10分鐘能耗數(shù)據(jù)柱狀圖

圖5用電計劃設置

4結(jié)語

本系統(tǒng)的設計與應用不僅提高了公共建筑節(jié)能的智能化水平,增強了大型公共建筑的網(wǎng)絡化節(jié)能控制方式,而且將公共建筑按樓宇、樓層、房間實現(xiàn)能耗在線的綜合管理及控制,對用戶能源利用效率、消耗水平、能源經(jīng)濟與環(huán)境效果進行監(jiān)測、診斷,是一套集建筑能耗監(jiān)測和能耗管理于一體的綜合能效管理系統(tǒng).實踐證明,本系統(tǒng)應用拓展能力強,可滿足公共建筑在不同發(fā)展時期的建筑能耗監(jiān)測需求,對推進我國經(jīng)濟建設可持續(xù)發(fā)展,建設節(jié)能型建筑具有很高的推廣和應用價值.

參考文獻

[1]中華人民共和國國務院.國務院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知[R].2011.

[2]黃昱澤.基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)控制網(wǎng)絡遠程數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)的研究與實現(xiàn)[D].昆明:昆明理工大學,2013.

[3]董琰.高校信息化管理系統(tǒng)中Oracle數(shù)據(jù)庫的備份策略——以北京理工大學珠海學院為例[J].襄樊學院學報,2009,30(2):37-40.

[4]牛祺飛.公共建筑能耗采集數(shù)據(jù)處理與儲存技術(shù)研究[D].濟南：山東建筑大學,2010.