邱 真 趙曉峰

北京航空航天大學 北京 100191

高校能耗監(jiān)管平臺系統(tǒng)建設(shè)研究

邱 真 趙曉峰

北京航空航天大學 北京 100191

能源管理已經(jīng)成為高校各項管理過程中最重要的話題之一。通過對北京航空航天大學能耗監(jiān)測平臺建設(shè)的相關(guān)研究，為高校能源管理提供一個突破口，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)”三網(wǎng)合一，以對能耗歷史數(shù)據(jù)的分析為手段，進而查找能源使用過程中存在的問題。

能耗監(jiān)管平臺；三網(wǎng)合一；管理

我校能耗監(jiān)測平臺系統(tǒng)利用現(xiàn)代化通訊技術(shù)、數(shù)字通訊及存儲技術(shù)、傳感器及控制技術(shù)以及最先進的計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并通過科學合理的整合和開發(fā)，對校園內(nèi)的水、電、氣、熱、空調(diào)等能耗數(shù)據(jù)進行詳細的分類、分項采集和統(tǒng)計分析，形成各個監(jiān)測單元的年度、月度、每日、每小時乃至每分鐘的能耗曲線，生成費用報表，并提供詳細的數(shù)據(jù)報表。同時提供有效的分析手段，指導能源的合理配置和利用，實現(xiàn)量化管理，建立起我校能源能量平衡管理和節(jié)能管理體系?？傇O(shè)計體現(xiàn)了“集中管理、分布監(jiān)測、靈活構(gòu)建”的思想。系統(tǒng)構(gòu)架以校園網(wǎng)為主要媒介，對校園用能建筑、用能系統(tǒng)、主要用能設(shè)備進行監(jiān)測，構(gòu)建可靠性強、效率高、共享度高的校園能耗數(shù)據(jù)庫，建立能耗監(jiān)測、統(tǒng)計、公示平臺。

能源管理已經(jīng)成為高校各項管理過程中最重要的話題之一，如何有效地對提供的能源進行監(jiān)控，進而對采集的能源數(shù)據(jù)進行分析，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計劃已成為現(xiàn)階段各高校能源管理所面臨的主要問題。部分高校能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計粗放、管理疏漏、沒有科學的用能預(yù)測與監(jiān)管，導致能耗數(shù)據(jù)要么不準確，要么人為捏造，增加學校進行節(jié)能監(jiān)管的難度，實際上高校能源浪費現(xiàn)象普遍存在，節(jié)能任務(wù)嚴峻。究其原因，正是由于對高校缺乏有效地能耗數(shù)據(jù)監(jiān)管，理論上缺少能耗數(shù)據(jù)模型的研究所造成。因此，建立以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的能耗監(jiān)管系統(tǒng)，動態(tài)掌握學校的用能狀況，建立科學的能耗模型，為推進節(jié)約型校園建設(shè)、實現(xiàn)高校節(jié)能減耗目標已勢在必行。

1 能耗監(jiān)測平臺設(shè)計思路

能耗監(jiān)測平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，涉及面廣，需要將儀表技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、計算機監(jiān)測技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、軟件技術(shù)等多學科技術(shù)融為一體、高度集成。能耗監(jiān)測平臺系統(tǒng)總體設(shè)計立足于技術(shù)先進性、穩(wěn)定性和可靠性；系統(tǒng)功能的科學性和實用性、軟硬件的成熟性，滿足“節(jié)能型”校園能源分析、管理的需要，并保證長遠發(fā)展的兼容性。

2 能耗監(jiān)測平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)及功能

能耗監(jiān)測平臺系統(tǒng)以學校校園網(wǎng)為主體，無線傳輸網(wǎng)為輔建立起了學校三級能耗監(jiān)測平臺系統(tǒng)。整個節(jié)能監(jiān)測平臺系統(tǒng)是以計算機和通訊網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的三級網(wǎng)絡(luò)模式，由節(jié)能監(jiān)管中心、分類監(jiān)控中心、現(xiàn)場采集監(jiān)控系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)四部分組成(如圖1和圖2所示)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 北航節(jié)能監(jiān)測平臺系統(tǒng)圖

能耗監(jiān)測平臺系統(tǒng)主要完成五大功能：能耗監(jiān)測、能耗分析、能耗報表、能耗管理、系統(tǒng)管理。系統(tǒng)大量采用圖形化分析工具，實時監(jiān)測的各種參數(shù)可通過圖形化顯示，簡單、直觀而且美觀，可視性強。軟件界面運用多種形式(包括文字、圖形、圖像、多媒體等手段)使運行管理人員清晰、直觀、實時地掌握用能單元的所有信息，使運行管理人員非常方便、精準地管理用能系統(tǒng)。同時，可以利用曲線、圖表、餅狀圖、柱狀圖以及折線圖表示用能信息(如圖3和圖4所示)。

圖3 系統(tǒng)流程圖

圖4 系統(tǒng)報表

3 節(jié)能監(jiān)管中心建設(shè)

為了實現(xiàn)能耗監(jiān)測可視化管理，以100m2左右經(jīng)過裝修、裝飾的房間作為節(jié)能監(jiān)管中心機房，配備必要的硬件設(shè)備和系統(tǒng)軟件。

北航節(jié)能監(jiān)管中心機房示意圖如圖5所示：

圖5 北航節(jié)能監(jiān)管中心機房效果圖

3.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要包括：服務(wù)器、交換機、管理計算機、大屏幕顯示設(shè)備、打印機及UPS等設(shè)備組成。

為保證能耗監(jiān)測平臺系統(tǒng)的高可靠性要求，系統(tǒng)對運行中間件和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的主機采取主從模式。

主從模式是最標準、最簡單的雙機熱備，即是通常所說的Active/Standby方式。它使用兩臺服務(wù)器，一臺作為主服務(wù)器(Active)，運行應(yīng)用系統(tǒng)來提供服務(wù)。另一臺作為備機，安裝完全一樣的應(yīng)用系統(tǒng)，但處于待機狀態(tài)(Standby)。當Active服務(wù)器出現(xiàn)故障的時候，通過軟件診測(一般是通過心跳診斷)將Standby機器激活，保證應(yīng)用在短時間內(nèi)完全恢復正常使用。

3.2 軟件系統(tǒng)

能耗監(jiān)測平臺系統(tǒng)主要針對校園中電量消耗、燃氣消耗、熱量消耗、冷量消耗及水資源消耗數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析管理。系統(tǒng)的軟件主要由兩大部分組成。

第一部分是數(shù)據(jù)監(jiān)控，該部分的核心功能是通過一系列的可視化手段，保障相關(guān)管理人員能方便快捷地對北航的實時能耗情況進行掌控，同時對異常情況進行實時報警。

第二部分是數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，該部分的核心功能是通過一系列的業(yè)務(wù)計算(如對標體系，標準折算等)與數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及相關(guān)統(tǒng)計分析算法，進一步從原始數(shù)據(jù)中發(fā)掘出節(jié)能的“知識”與措施(如圖6所示)。

圖6 數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個軟件系統(tǒng)抽象為以下核心粗粒度組件來完成大部分實際功能：數(shù)據(jù)采集引擎；數(shù)據(jù)變換與管理引擎；實時數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)倉庫；知識管理；面向?qū)ο蟮目梢暬M件UI；數(shù)據(jù)挖掘與分析工具集(如圖7所示)。

圖7 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 分類監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集

4.1 電力監(jiān)測系統(tǒng)

電力監(jiān)測系統(tǒng)主要是對校園內(nèi)一級和二級變、配電室計量系統(tǒng)和部分典型建筑的三級計量進行采集監(jiān)測。包括：引入的2路市電110kV電源，1座110kV主變電站和17座10kV配電室及部分分項電量計量。

共采集電量監(jiān)測點923點，其中：一級參數(shù)44點、二級參數(shù)100點、三級參數(shù)779點。

電力檢測系統(tǒng)對主變電站和17個配電室的電參數(shù)進行集中監(jiān)測。配置監(jiān)測中心計算機，將主變電站和各配電室的用電情況進行集中監(jiān)測，實現(xiàn)一級、二級和部分三級電量的在線監(jiān)測(如圖8所示)。

圖8 北航電力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面圖

監(jiān)測中心主機采用高可靠性的工業(yè)計算機，電力監(jiān)測軟件采用專業(yè)的電力監(jiān)測軟件。監(jiān)測中心接收現(xiàn)場采集設(shè)備上傳的電參數(shù)數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行分析、轉(zhuǎn)換、存儲，并以數(shù)字、曲線、報表等形式顯示在屏幕上，并將電能耗數(shù)據(jù)上傳至節(jié)能監(jiān)管中心服務(wù)器進行綜合分析管理。便于電力監(jiān)管人員能夠在辦公室通過計算機遠方瀏覽監(jiān)測能耗系統(tǒng)運行狀態(tài)和調(diào)看各種運行報表。

4.2 供水系統(tǒng)采集監(jiān)測

供水系統(tǒng)的集中采集監(jiān)測是針對一級水量計量的采集監(jiān)測，包括：市政給水、自備井及中水利用。由于供水系統(tǒng)一級監(jiān)測點較少，而二級供水主要作為生產(chǎn)運行和建筑能耗系統(tǒng)管理，因此供水系統(tǒng)不單獨設(shè)子系統(tǒng)監(jiān)測，而由節(jié)能監(jiān)管中心集中監(jiān)測管理。

4.3 供熱監(jiān)控系統(tǒng)

集中供暖系統(tǒng)的熱源為燃氣鍋爐房內(nèi)的3臺燃氣熱水鍋爐房，下設(shè)有9個間接供熱換熱站。在鍋爐房安裝溫度、壓力、電量、水量、熱量采集設(shè)備，構(gòu)建學校集中供熱監(jiān)控系統(tǒng)，配置供熱監(jiān)控中心主機，集中采集鍋爐房及各換熱站的運行參數(shù)和能耗數(shù)據(jù)，再通過校園網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)傳送節(jié)能監(jiān)管中心服務(wù)器，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)能耗在線監(jiān)測。

通過以后對供熱生產(chǎn)現(xiàn)場運行設(shè)備的改造，配合能耗檢測平臺，就可以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進行自動監(jiān)控，實現(xiàn)氣候補償、變頻節(jié)能和分區(qū)供熱的自動控制，實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號報警等多項功能，從而可使供熱生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備在“無人值守”的自動控制下安全平穩(wěn)運行。節(jié)能控制的運用、各種運行參數(shù)的實時監(jiān)測與調(diào)整能夠使能源利用和系統(tǒng)運行始終處于科學、合理、經(jīng)濟狀態(tài)，為現(xiàn)場安全管理和高效節(jié)能提供了保障。供熱監(jiān)控系統(tǒng)不僅以本鍋爐房(換熱站)為單位自成體系，也將相對分散的各供熱現(xiàn)場的能耗數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)和實時狀態(tài)集中傳輸?shù)焦?jié)能監(jiān)管中心，為相關(guān)部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。本地鍋爐房、換熱站現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備作為底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源通過網(wǎng)絡(luò)通訊方式，與供熱監(jiān)控中心主機實時進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了對整個供熱網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控(如圖9和圖10所示)。

圖9 熱網(wǎng)系統(tǒng)圖

圖10 換熱站系統(tǒng)圖

監(jiān)控中心接收現(xiàn)場采集設(shè)備上傳的供熱運行數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進行分析、轉(zhuǎn)換、存儲，以數(shù)字、曲線、報表等形式顯示在屏幕上，并將能耗數(shù)據(jù)上傳至節(jié)能監(jiān)管中心服務(wù)器進行綜合分析管理。

4.4 通訊網(wǎng)絡(luò)

能耗監(jiān)測平臺系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案利用了現(xiàn)有的校園網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)遠傳網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸速度快，維護及使用成本低。

現(xiàn)場能耗采集設(shè)備通訊主要為有線方式，采用校園網(wǎng)或485總線通訊。所有數(shù)據(jù)通過校園網(wǎng)或485通訊總線傳輸?shù)椒诸惐O(jiān)控中心或節(jié)能監(jiān)管中心主機。采用RS485現(xiàn)場總線將多臺水表、電能表、熱量表分別連接至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或現(xiàn)場采集監(jiān)控設(shè)備，再通過校園網(wǎng)將采集的能耗數(shù)據(jù)上傳至分類監(jiān)控中心和節(jié)能監(jiān)管中心。

對于特殊場合不具備有線傳輸條件的采集點，系統(tǒng)采用無線物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，使用了無線網(wǎng)絡(luò)與主干網(wǎng)結(jié)合的組網(wǎng)方式，很好地利用了已有的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

部分水表數(shù)據(jù)傳輸使用了無線網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場安裝方便，不需要破土布線，后期維護方便，成本低，電表數(shù)據(jù)傳輸中，使用了現(xiàn)有的RS485總線，在有數(shù)塊電表集中的場所可以只用一個信號采集裝置，節(jié)省成本；信號采集裝置與信號傳輸裝置以無線方式連接，現(xiàn)場施工及后期維護方便，成本低，整個系統(tǒng)無運行費用。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了高校校園網(wǎng)、無線物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的方法實現(xiàn)對高校的水、電、氣消耗的實時在線監(jiān)控，可以迅速、準確地了解高校各建筑物以及用能點的能耗狀況，以便采取相應(yīng)措施改善學校的用能環(huán)境，制定節(jié)能方案，提高能效。建設(shè)高校能耗監(jiān)測平臺，對于促進高校能源節(jié)約和合理應(yīng)用，緩解能源供應(yīng)與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾，加快發(fā)展低碳經(jīng)濟，推進節(jié)約型校園建設(shè)有著舉足輕重的作用，也是保障能源供給和節(jié)能育人的重要保障。

[1] 陳偉,屈利娟.全國首批節(jié)約型校園建設(shè)示范高?！憬髮W建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設(shè)思考[J].建設(shè)科技,2010,22.

[2] 王麗麗.后勤數(shù)字化在節(jié)約型校園建設(shè)中的作用—淺議天津科技大學能耗監(jiān)測管理平臺建設(shè)[J].中國輕工教育,2010,6.

Construction of energy consuming inspection platform system research

Qiu Zhen, Zhao Xiaofeng
Beihang university, Beijing, 100191, China

Energy management has become one the most important topics among a series of university management policies. Researchers of Beihang university have achieved a breakthrough in the development of effective university energy management. By utilizing the Internet, supply chain and sensor network along with the new method of data analysis, Beihang university can adopting the method of analyzing historical data, Beihang university can eff ciently isolate energy usage problems.

energy consuming inspection platform; integration of three networks; management

2011-08-31

邱真，碩士，研究實習員。趙曉峰，碩士，副研究員，副處長。