能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)在浙江省黃龍體育中心游泳跳水館的應用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定

摘要：針對大型公共建筑能耗高且能源管理不合理的問題，利用計算機網(wǎng)絡技術、通訊技術、計量控制技術等信息化技術，實現(xiàn)能源資源分類分項計量和能源資源運行監(jiān)管功能，清晰描述建筑內總的用能現(xiàn)狀；實時監(jiān)測各供電回路的電壓、電流和功率等電力參數(shù)，識別負荷與無效能耗，從而可通過技術或行為節(jié)能方式，實現(xiàn)建筑的節(jié)能。

【關鍵詞】：體育中心；大型公共建筑；節(jié)能；能耗；跳水館

0、引言

  隨著社會的發(fā)展，能源的消耗量也在迅速增長，特別是建筑能耗的增長特別迅速，已經(jīng)成為除工業(yè)、交通外的第三大能源消耗。按照當前建筑業(yè)的發(fā)展趨勢，在若干年后社會的能源產(chǎn)出將無法滿足能源的需求，所以減小能源的消耗量是一個十分重要的且需要盡早解決的問題。在建筑能耗中，大型公共建筑的能源消耗量占據(jù)了很大的份額，雖然其總能耗量遠不如住宅建筑消耗量大，但是單位面積的能耗消耗量十分巨大，所以大型公共建筑的節(jié)能工作具有很大的潛力。大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的建設使得人們可以充分了解大型公共建筑的能耗使用情況，為提出的節(jié)能減排政策與決策奠定基礎，隨著中國城市化進程的推進、經(jīng)濟的發(fā)展，我國建筑能耗總量呈持續(xù)增長的態(tài)勢，并且增長速度有越來越快的趨勢。如果任由建筑能耗照此速度增長，必然給中國能源供應安全帶來大的壓力，因此建筑節(jié)能勢在必行。

  本文以浙江省黃龍體育中心游泳跳水館為例，通過能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的搭建、數(shù)據(jù)采集與分析等，介紹了能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)在大型共建的應用。

1、項目概述及建設目標

  黃龍體育中心跳水館新建工程位杭州市西湖區(qū)黃龍路1號，地下層,主要功能為汽車庫、設備用房，地上部分,主要功能為跳水賽事。本建筑為二類高層建筑。

整個大樓采用兩路獨立的10KV高壓進線，經(jīng)地下室10/0.4KV變配電所后供電，供電工作電壓為三相五線 380/220V。本工程地下室設置10/0.4KV變配電所，在樓層配電箱設分項計量，共48路計量節(jié)點，包括照明、插座、空調等，具體建設目標如下：

  （1）實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)分項計量；

  （2）部分區(qū)域實現(xiàn)分戶監(jiān)測、計量與集中管理；

  （3）清晰描述總的用能現(xiàn)狀，找出能源管理存在的問題，提供能源管理工作改進的方向；

  （4）使能源管理部門對能源系統(tǒng)進行的監(jiān)測與管理；

  （5）為節(jié)能降耗研究、設計與建造提供參考數(shù)據(jù)。

  綜合能耗：實現(xiàn)跳水館電資源消耗的自動、實時、在線數(shù)據(jù)采集、傳輸及存儲。

  分類計量：根據(jù)用戶能源構成，統(tǒng)計各能源消耗進行統(tǒng)籌管理。

  分項計量：電能消耗要根據(jù)用電類型細分計量：照明與插座用電、空調用電、動力用電、其他特殊用電等。

2、能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

  整個能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計是以《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)傳輸技術導則》、《浙江省國家機關辦公建筑和大型公共建筑用電分項計量系統(tǒng)設計標準》等相關技術導則為基礎，建設符合用戶實際需求的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)完成了建筑內部能耗計量儀表和能耗數(shù)據(jù)采集裝置的安裝，實現(xiàn)從建筑采集能耗數(shù)據(jù)，遠程傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計與展示的功能。整個系統(tǒng)包括能耗數(shù)據(jù)的原始采集、能耗數(shù)據(jù)的在線傳輸、能耗數(shù)據(jù)的在線分析診斷等，通過能耗計量裝置的安裝，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的原始采集；通過通訊管理機的安裝，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的在線傳輸；通過能耗數(shù)據(jù)的采集存數(shù)，形成可視化趨勢，確定較高能耗范圍 診斷形成高耗原因；通過后期的配置節(jié)能節(jié)電產(chǎn)品 改進運營管理模式，進行節(jié)能降耗；通過節(jié)能降耗前后數(shù)據(jù)對比，查看節(jié)能降耗實施效果。

2.1 能耗數(shù)據(jù)的原始采集

  能耗數(shù)據(jù)的原始采集是整個能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，是整個能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本構成元素，指依據(jù)國家機關辦公建筑和大型公共建筑消耗的主要能源種類的劃分，建筑能耗應包括耗電量，耗水量，耗氣量，集中供熱耗熱量，集中供冷耗冷量和其他能源消耗量，分項能耗數(shù)據(jù)是指分類能耗數(shù)據(jù)中的一類或多類再細分為若干項。如電能又可以分為4類分項，插座照明用電，空調用電，特殊用電和動力用電，且每一個分項又可再分為若干子項。插座照明用電包括了建筑內部主要工作區(qū)域照明，普通設備用電等?？杉毞譃椴遄彰饔秒?，應急照明及走廊用電，室外照明用電三個子項。空調用電主要是指為建筑內部提供制冷和制熱所消耗的電能，其也包括兩個子項，冷熱站電能使用和空調末端電能使用。動力用電是為建筑內提供動力服務使用的電能，包括電梯用電、水泵用電、通風機用電三個子項。這些分類分項數(shù)據(jù)要在采集器內部進行計算和存儲，并定時與數(shù)據(jù)中心建立連接發(fā)送原始數(shù)據(jù)。本建筑中，涉及到的能耗信息主要包括耗電量，按照分類、分項計量系統(tǒng)的設計要求，本建筑中用電計量采用多功能電度表，在各樓層照明配電箱、空調配電箱、動力配電箱以及其他特殊用電配電箱安裝多功能電表，實現(xiàn)電能的分項采集。

  多功能電表采用交流采樣技術，能分別測量電網(wǎng)中的電流、電壓、功率、功率因數(shù)和電能等參數(shù)，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus-RTU通信協(xié)議，所有多功能電表有功電度計量精度達到0.5級，

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

  數(shù)據(jù)傳輸是指原始分類分項數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)采集器通過Internet或GPRS等遠程通訊方式將能耗原始數(shù)據(jù)從有離散分布的建筑群上傳到數(shù)據(jù)中心，并將數(shù)據(jù)進行處理，完成原始數(shù)據(jù)存儲的過程。在該過程中，數(shù)據(jù)采集器將定時采集到的數(shù)據(jù)進行累加，形成可擴展標示語言（XML）格式的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中不僅包含需要上傳的數(shù)據(jù)還包括對應的建筑信息和采集器信息等。采集器還要對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行加密處理，一般采用128位aes加密處理以保證數(shù)據(jù)的安全并進行上傳工作。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡包括現(xiàn)場計量采集裝置與采集器之間的485網(wǎng)絡以及采集器與數(shù)據(jù)中心之間以太網(wǎng)，現(xiàn)場計量采集裝置與采集器之間通過RS-485的總線方式，實現(xiàn)計量采集裝的手拉手式的連接，zui終接入采集器，每路485總線連接計量采集裝置的數(shù)量在20只左右；采集器與數(shù)據(jù)中心之間通過建筑內部智能化網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠傳傳輸，整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構如下圖所示：

2.3 能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能設計

1）能耗在線監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)性驗證

  計量裝置采集數(shù)據(jù)一般性驗證方法：根據(jù)計量裝置量程的zui大值和zui小值進行驗證，凡小于zui小值或者大于zui大值的采集讀數(shù)屬于無效數(shù)據(jù)。

  電表有功電能驗證方法：除了需要進行一般性驗證外還要進行二次驗證，其方法是：兩次連續(xù)數(shù)據(jù)采讀數(shù)據(jù)增量和時間差計算出功率，判斷功率不能大于本支路耗能設備的zui大功率的2倍。

分項能耗數(shù)據(jù)計算

  各分項能耗增量應根據(jù)各計量裝置的原始數(shù)據(jù)增量進行數(shù)學計算，同時計算得出分項能耗日結數(shù)據(jù)，分項能耗日結數(shù)據(jù)是某一分項能耗在一天內的增量和當天采集間隔時間內的zui大值、zui小值、平均值；根據(jù)分項能耗的日結數(shù)據(jù)，進而計算出逐月、逐年分項能耗數(shù)據(jù)及其zui大值、zui小值與平均值。

  當電表有功電能的出現(xiàn)滿刻度跳轉時，在采集數(shù)上增加電表的zui大輸出數(shù)，保證計算處理結果的正確性。

2）能耗在線監(jiān)測管理軟件架構

  能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)采用C/S（客戶機/服務器）架構的分布式網(wǎng)絡結構，系統(tǒng)采用標準化、網(wǎng)絡化、功能分布的體系結構，且有高度的可靠性和維護方便性 。系統(tǒng)具備軟、硬件的擴充能力，支持系統(tǒng)結構的擴展和功能的升級。可以根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和特殊需求，充分優(yōu)化網(wǎng)絡各節(jié)點資源和均衡網(wǎng)絡負擔，并便于系統(tǒng)的分階段實施。

3）能耗在線監(jiān)測管理軟件系統(tǒng)組成

  整個管理系統(tǒng)由4部分組成：OPC數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)拆分存儲終端、數(shù)據(jù)監(jiān)控終端、數(shù)據(jù)分析與展示終端，各部分的功能如下：

OPC數(shù)據(jù)采集終端

  通過通用的OPC接口，采集終端每隔15分鐘將所有智能儀表中參數(shù)的當前值存儲到數(shù)據(jù)庫中，用于之后的能耗分析。

數(shù)據(jù)拆分存儲終端

  采集終端采集到的數(shù)據(jù)首先存儲在數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)值表中，為了方便之后的數(shù)據(jù)分析以及加快分析的速度，需將該表的數(shù)據(jù)進行拆分，表數(shù)據(jù)拆分的結果分別存儲到能耗逐時匯總表（按小時匯總）、能耗逐日匯總表（按天匯總）中。系統(tǒng)通過在數(shù)據(jù)庫中建立邏輯嚴密的數(shù)據(jù)拆分存儲過程，保證了拆分結果的準確。

數(shù)據(jù)監(jiān)控終端

  通過從數(shù)據(jù)采集終端讀取數(shù)據(jù)，集中顯示所有智能表具的當前即時狀態(tài)信息，顯示整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并根據(jù)客戶配置，主動顯示報警信息，并將異常數(shù)據(jù)存儲以便今后分析。

數(shù)據(jù)分析與展示

  將數(shù)據(jù)庫中的能耗數(shù)據(jù)進行多維分析和鉆取，利用目前主流的數(shù)據(jù)圖形化展示組件，以圖表形式直觀反映和對比各項能耗數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計能耗數(shù)據(jù)的數(shù)值、趨勢和分布情況。圖表展示方式包括：餅圖、柱狀圖、堆積圖、線圖、面積圖、儀表盤等。

4）軟件功能模塊

能耗綜合主界面

  通過綜合能耗主界面可以反映建筑物當年用能各分類能耗和折算為標準煤的綜合能耗，并計算得到單位面積能耗；界面下方顯示這能耗的當日逐時用能曲線；單擊每個分類能耗的上部區(qū)域，可跳轉到該分類能耗的用能分析主界面；可通過下拉框切換建筑物。

分項用電數(shù)據(jù)統(tǒng)計

  將電耗進行逐時、逐日、逐月、逐年統(tǒng)計。統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用餅圖、柱狀圖、線圖、區(qū)域圖等各種圖形展示方式，直觀反映各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)的數(shù)值、趨勢和分布情況。用電支路趨勢分析

   統(tǒng)計各區(qū)域、各設備電能消耗，準確定位用電消耗大戶，制定節(jié)能績效考核制度，推動節(jié)能降耗的真正執(zhí)行。為用能設備建立運行記錄檔案，長期跟蹤記錄設備運行過程中的能效分析評估結果，結合設備維護保養(yǎng)記錄，為設備的運行維護提供依據(jù)。

能耗數(shù)據(jù)同環(huán)比分析

   將各種類型和各主要耗能設備的能耗與去年同期值和上月值進行同比環(huán)比分析，檢驗節(jié)能效果，根據(jù)分析結果執(zhí)行節(jié)能績效考核，以及節(jié)能目標的修正。

能耗數(shù)據(jù)分時統(tǒng)計

  將能源類型、負載類型、區(qū)域能耗按照時間區(qū)分，按時、天、月、年、工作日、非工作日等對用能數(shù)據(jù)進行對比分析，掌握能源具體消耗情況?？蓪⒚刻煊媚馨磿r段設置峰、平、谷，統(tǒng)計各時段能耗，降低閑時能耗。

電能數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和預警

  通過智能儀表以技術手段實現(xiàn)自動化全實時、高密度的實時用能監(jiān)測，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計量誤差。實時監(jiān)視現(xiàn)場儀表的回傳數(shù)據(jù)，對電能進行合理的管控和預警，及時發(fā)現(xiàn)并改正運行中存在的用電異常，隨時處理。按需設置重要設備的超標預警值，超標時醒目提醒并主動記錄。

3、能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設的意義

  大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)是按照國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設的相關技術導則進行設計的一個多層次，多功能，跨區(qū)域，可雙向交換信息的復雜系統(tǒng)。通過搭建這樣的能耗監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測建筑的能耗使用情況，通過能耗數(shù)據(jù)的分類分項計算，數(shù)據(jù)的分時統(tǒng)計，公共展示平臺等，能促使國家機關辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)能運行管理水平，為制定切實的政策和決策提供參考和有力的支持，并過能源綜合管理系統(tǒng)軟件對各電能計量點的用電量實施在線計量、動態(tài)監(jiān)測、集中管理、科學考核，通過的末端監(jiān)控管理，綜合性地實現(xiàn)整體節(jié)能，為高能耗建筑的進一步節(jié)能改造提供依據(jù)。

參考文獻：

  [1]《能效管理系統(tǒng)設計安裝圖冊》