秦娥，李衛(wèi)鋒

（1.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023；2.浙江華通云數(shù)據(jù)科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

我國(guó)在2016年已將節(jié)能減排作為科學(xué)發(fā)展觀的基本國(guó)策納入了“十一五”規(guī)劃[1]。隨著國(guó)家節(jié)能減排工作的大力開(kāi)展，國(guó)務(wù)院已將節(jié)能定位“十二五”重要工作，節(jié)能已作為我國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)?！笆濉逼陂g，我國(guó)火電在節(jié)能減排方面制定了嚴(yán)苛的目標(biāo)，將成為我國(guó)電力行業(yè)節(jié)能減排的重要戰(zhàn)場(chǎng)。節(jié)能分為設(shè)備節(jié)能和管理節(jié)能。設(shè)備節(jié)能需要企業(yè)更新技術(shù)，提高設(shè)備的用能效率。管理節(jié)能則簡(jiǎn)單易行。

高校校園照明時(shí)間長(zhǎng)，一致以來(lái)都是用電大戶。伴隨著遠(yuǎn)程抄表技術(shù)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程抄表能源管理系統(tǒng)將替代傳統(tǒng)的人工管理模式，研究開(kāi)發(fā)一套完善的節(jié)能管理信息系統(tǒng)，不經(jīng)可以提高學(xué)校的用電效率，實(shí)現(xiàn)管理節(jié)能，還可以產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)各公司和研發(fā)部門(mén)相繼提出了不少方法致力于開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程抄表節(jié)能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理。其中主要有以下4種方法：

（1）無(wú)線自組網(wǎng)：即利用無(wú)線通信的方式管理各能源設(shè)備，將能源設(shè)備作為系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，由這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)間采用相應(yīng)的無(wú)線通信協(xié)議進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)以節(jié)能為目的的能源管理系統(tǒng)。這種方式的缺點(diǎn)是，無(wú)線通信方式容易受到外界信號(hào)的干擾，傳播距離較短，無(wú)法對(duì)遠(yuǎn)距離的能源設(shè)備實(shí)現(xiàn)管理。

（2）專(zhuān)線：根據(jù)需求重新布線，用專(zhuān)有的線路和特定的協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，遠(yuǎn)程控制各能源設(shè)備，實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理。這種方式的最大缺點(diǎn)就是投資大、施工復(fù)雜，需要投入大量人力物力資源來(lái)鋪設(shè)線路，而且很難在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面的覆蓋。

（3）物聯(lián)網(wǎng)/傳感網(wǎng)：就是利用射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等各種信息傳感設(shè)備，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，讓所有的物品都能夠遠(yuǎn)程感知和控制，從而實(shí)現(xiàn)智能管理的節(jié)能系統(tǒng)[2]。該方法需要各種傳感設(shè)備的支撐才能達(dá)到預(yù)期效果，適合小范圍內(nèi)的智能管理。

（4）低壓電力載波：電力線載波通信（Power Line Carrier Communication，簡(jiǎn)稱(chēng)PLCC）以輸電線路為載波信號(hào)的傳輸媒介的電力系統(tǒng)通信。開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的載波芯片和通信協(xié)議，使用電力線作為載體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、管理、監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)智能化、節(jié)能性管理[3]。這種方法的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，具有節(jié)省大量人力、物力；工期短、施工快；擴(kuò)容、擴(kuò)展便捷；無(wú)運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用；改造不影響業(yè)主正常工作，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。

綜合分析以上節(jié)能方式，電力載波通信技術(shù)是一種較為合理、經(jīng)濟(jì)、有效、適用性強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方式[4]?？梢詮男@實(shí)際需求出發(fā)，改變落后的人工抄表方式，采用凱星公司的“多頻段自適應(yīng)直接序列展頻通信技術(shù)”，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)節(jié)能方案，搭建節(jié)能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)校園用電的信息化、智能化管理。

2 基于PLCC的校園節(jié)能系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文在研究載波通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上，搭建節(jié)能應(yīng)用系統(tǒng)，將載波通信技術(shù)全面應(yīng)用到校園的教室照明、行政辦公樓照明、體育場(chǎng)館照明等的節(jié)能管理與科學(xué)調(diào)配中，按需實(shí)現(xiàn)電遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、計(jì)量、通/斷控制[3]，從而解決高校校園普遍存在的用電浪費(fèi)現(xiàn)象，并改善傳統(tǒng)的人工抄表管理方式，實(shí)現(xiàn)校園照明的信息化、智能化管理[4]。

（1）結(jié)合高校校園實(shí)際用電情況，搭建校園照明節(jié)電系統(tǒng)總體框架圖。

整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成，如圖1所示：

圖1 基于電力載波通信的校園照明節(jié)能系統(tǒng)框架圖

管理控制中心由電腦、打印機(jī)、軟件系統(tǒng)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集終端即本地抄表設(shè)備（每臺(tái)可控制5000個(gè)終端用戶），終端設(shè)備即載波電表和載波控制器。數(shù)據(jù)采集終端與現(xiàn)場(chǎng)所有的載波電度表和載波控制器組成二級(jí)網(wǎng)絡(luò)，可直接利用220V的低壓電力線進(jìn)行載波通信[5]。每個(gè)變壓器臺(tái)區(qū)需配一臺(tái)載波控制器，它可控制該臺(tái)區(qū)下的載波電表以及載波采集終端，實(shí)現(xiàn)從變壓器低壓端到終端用戶之間的技術(shù)管理節(jié)能[6]。

（2）進(jìn)行數(shù)據(jù)集中器和終端控制模塊的設(shè)計(jì)。

依據(jù)照明節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用需求，與企業(yè)合作，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出KS5001載波通信芯片，將KS5001載波通信芯片與外圍電路二次集成，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出電力載波專(zhuān)用通信模塊4。將載波模塊與電類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行一體化配套設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出一系列載波終端系統(tǒng)產(chǎn)品（三相載波電表、控制終端、數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)集中器等），數(shù)據(jù)集中器和控制終端的模塊結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)集中器的模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 控制終端的模塊結(jié)構(gòu)圖

（3）通信協(xié)議的選擇

由于系統(tǒng)需要和終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到終端管理控制、數(shù)據(jù)采集等目的，本系統(tǒng)采用上位機(jī)與抄錄器通訊協(xié)議（Kslink協(xié)議），方便系統(tǒng)能夠成功和硬件設(shè)備進(jìn)行交互操作。

該協(xié)議主要實(shí)現(xiàn)以下五方面的功能：

①集中器、終端能源表的添加、刪除、修改，以及參數(shù)的設(shè)定?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況構(gòu)建相應(yīng)的設(shè)備關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，便于服務(wù)器對(duì)設(shè)備的管理。

②終端設(shè)備控制參數(shù)設(shè)置，用于實(shí)現(xiàn)能源表的定時(shí)開(kāi)關(guān)、功率限制等控制。能夠?yàn)槟茉床块T(mén)提供節(jié)能方案實(shí)施的途徑。

③遠(yuǎn)程自動(dòng)/手動(dòng)相結(jié)合的讀取表數(shù)據(jù)操作，可以準(zhǔn)確地、快速地讀取遠(yuǎn)距離能源表的數(shù)據(jù)，節(jié)約時(shí)間、人力、物力。

④終端設(shè)備狀態(tài)反饋，能夠遠(yuǎn)程實(shí)施設(shè)備監(jiān)控，對(duì)存在問(wèn)題的設(shè)備進(jìn)行有目的性的管理維護(hù)。

⑤付費(fèi)方式，警告形式、時(shí)長(zhǎng)，充值等設(shè)置，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)收費(fèi)管理。

3 節(jié)能系統(tǒng)需求分析

（1）節(jié)能管理需求

根據(jù)浙工大屏峰校區(qū)的能耗管理現(xiàn)狀中存在的問(wèn)題，以及需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，通過(guò)進(jìn)一步分析，得出本系統(tǒng)的具體節(jié)能管理需求，如下：

①信息管理模塊：其子模塊有區(qū)域信息管理、硬件設(shè)備管理、配表；

②數(shù)據(jù)采集模塊：其子模塊有自動(dòng)采集、單表采集；

③查詢(xún)分析模塊：其子模塊有數(shù)據(jù)查詢(xún)分析、日志查詢(xún)；

④策略控制模塊：其子模塊有定時(shí)器管理、控制群管理、單表控制[7]。

（2）管理配置需求

除了節(jié)能管理需求外，為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，確保系統(tǒng)完善性，得出管理配置需求，如下：

①計(jì)費(fèi)管理模塊：費(fèi)率管理、結(jié)算管理、收費(fèi)查詢(xún)；

②用戶管理模塊：賬戶管理、權(quán)限管理、密碼修改；

③輔助功能模塊：數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)備份/還原。

4 搭建照明節(jié)能系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

本項(xiàng)目采用Delphi和SQL Server 2008 R2相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行照明節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，節(jié)能管理系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。

本系統(tǒng)平臺(tái)主要分為三層：數(shù)據(jù)層、接口層和平臺(tái)管理層。其中數(shù)據(jù)層包括兩個(gè)部分：應(yīng)用數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)。該層主要通過(guò)SQL Server 2008來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)將應(yīng)用數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫(kù)表的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便接口層對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。接口層主要由數(shù)據(jù)接口和設(shè)備接口組成。數(shù)據(jù)接口用于平臺(tái)管理對(duì)數(shù)據(jù)層的訪問(wèn)和操作；設(shè)備接口將平臺(tái)和硬件設(shè)備相連接，方便平臺(tái)使用者對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制操作。平臺(tái)管理層包括六個(gè)功能模塊：信息管理、數(shù)據(jù)采集、查詢(xún)分析、策略管理、計(jì)費(fèi)管理、用戶管理[8]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制和抄讀，策略引擎和抄表引擎起到了至關(guān)重要的作用，通過(guò)這兩個(gè)引擎的調(diào)用，平臺(tái)才能真正意義上實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理。本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)層放置在主站服務(wù)器，而接口層和平臺(tái)管理層則封裝成客戶端監(jiān)控終端應(yīng)用軟件，用于客戶端的安裝?？蛻舳送ㄟ^(guò)訪問(wèn)主站的數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有終端設(shè)備的管理和監(jiān)控。

圖4 照明節(jié)能系統(tǒng)平臺(tái)整體架構(gòu)

5 節(jié)能管理系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

5.1 查詢(xún)分析功能實(shí)現(xiàn)

為了使學(xué)校能夠最為直觀、準(zhǔn)確地了解各區(qū)域、各時(shí)間段和各表型的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)表數(shù)據(jù)的多條件查詢(xún)、多格式展示是數(shù)據(jù)查詢(xún)分析的主要功能。根據(jù)查詢(xún)所得的數(shù)據(jù)學(xué)?？梢越Y(jié)合以往能源管理經(jīng)驗(yàn)和能源使用的實(shí)際情況，制定相應(yīng)的、具有針對(duì)性的節(jié)能管理策略。在本系統(tǒng)中，用戶可以按時(shí)間（年、季、月）、區(qū)域（集中器、群組、組用戶）、表型（水、電表）組合條件查詢(xún)所需的能源表數(shù)據(jù)，最后還能夠根據(jù)需求展示表格、折線、柱狀圖、餅圖。以模擬數(shù)據(jù)中的家和東苑-東12#101用戶為例，其電表在2017年6月的數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。

5.2 計(jì)費(fèi)管理模塊實(shí)現(xiàn)

（1）費(fèi)率管理

費(fèi)率管理有三種方式：普通費(fèi)率、梯度費(fèi)率、分時(shí)段費(fèi)率。普通費(fèi)率和梯度費(fèi)率的管理與群組、組管理非常相似，故此處就不再介紹其實(shí)現(xiàn)方式。由于分時(shí)段費(fèi)率是基于分時(shí)段管理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故要設(shè)置分時(shí)段費(fèi)率，并需先添加分時(shí)段管理。

分時(shí)段的設(shè)置必須在歸屬于集中器下來(lái)實(shí)現(xiàn)，選擇集中器后，添加時(shí)段數(shù)，然后設(shè)置時(shí)段的時(shí)間界限，其中時(shí)間段必須為遞增的。如圖7所示。

完成分時(shí)段設(shè)置后，點(diǎn)擊分時(shí)段費(fèi)率設(shè)置，選擇集中器，界面就會(huì)顯示該集中器下的分時(shí)段設(shè)置情況，然后為每個(gè)時(shí)段設(shè)置費(fèi)率，即可完成分時(shí)段費(fèi)率設(shè)置。如圖8所示。

圖5 抄表數(shù)據(jù)折線圖

圖6 抄表數(shù)據(jù)餅圖

圖7 分時(shí)段窗口

圖8 分時(shí)段費(fèi)率窗口

（2）結(jié)算管理

點(diǎn)擊計(jì)費(fèi)管理中的結(jié)算管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)終端能源表的結(jié)算，通過(guò)查詢(xún)條件查詢(xún)出需要結(jié)算的設(shè)備，然后選擇結(jié)算方式，對(duì)這些終端能源表的用量進(jìn)行結(jié)算，以便收費(fèi)使用。

5.3 用戶管理模塊實(shí)現(xiàn)

用戶管理主要是有三個(gè)子模塊：賬戶管理、權(quán)限管理和密碼修改。

（1）賬戶管理

管理員可通過(guò)賬戶管理模塊實(shí)現(xiàn)新增、修改和刪除賬戶操作，對(duì)賬戶信息進(jìn)行統(tǒng)一管理。可以通過(guò)主菜單欄中的高級(jí)操作，點(diǎn)擊賬戶管理圖標(biāo)，即可進(jìn)入賬戶管理頁(yè)面。管理頁(yè)面如圖9所示。

圖9 分時(shí)段費(fèi)率窗口

（2）權(quán)限管理

此模塊主要是由管理員對(duì)每個(gè)系統(tǒng)用戶分配相應(yīng)的權(quán)限，控制他們對(duì)系統(tǒng)的操作范圍，防止用戶誤操作，保證信息安全性。單擊賬戶管理頁(yè)面上的“權(quán)限”按鈕，打開(kāi)權(quán)限設(shè)置，對(duì)權(quán)限進(jìn)行選擇設(shè)置。權(quán)限列表如圖10所示。

圖10 權(quán)限列表

（3）密碼修改

每個(gè)用戶在使用初始密碼登錄系統(tǒng)后，可以對(duì)用戶密碼進(jìn)行重新設(shè)置，保證用戶信息的安全性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究基于電力載波技術(shù)在校園用電節(jié)能管理上的應(yīng)用，對(duì)節(jié)能系統(tǒng)的整體軟硬件架構(gòu)、節(jié)能技術(shù)與方案以及功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。依據(jù)浙工大校園的自身用電情況，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于PLCC的節(jié)能管理信息系統(tǒng)，通過(guò)科學(xué)的策略調(diào)配、能耗監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了高校校園用電的節(jié)能管理和信息化管理。