物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

俞學(xué)豪

（國網(wǎng)中興有限公司，北京 100761）

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑能源管理系中的應(yīng)用

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)能將隨處可見的末端傳感設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，通過各種有線、無線的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)短距離以及遠(yuǎn)距離的互相連通。以互聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)，通過合理的信息安全保障管理機(jī)制，提供安全第一、控制性強(qiáng)、可自定義的實(shí)時線上監(jiān)測、定位查找、綜合報警、統(tǒng)一管理、遠(yuǎn)程控制、安全預(yù)防、遠(yuǎn)程維保、在線升級、統(tǒng)計報表、決策支持等管理和服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對各個單一物體的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的“管理、控制、運(yùn)營”一體化[1]。

如果要將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于建筑能源管理系統(tǒng)中，需要以下條件進(jìn)行支撐。對現(xiàn)場的各種采集裝置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，物體通過傳感器的控制，再經(jīng)過執(zhí)行設(shè)備共同組成一個感知、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；具備互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧，其中包括的關(guān)鍵技術(shù)主要有計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺，將感知、物聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)進(jìn)行連接的接入網(wǎng)等；可以在Web 瀏覽器上使用，支持SOAP、WSDL 和UDDI，以及諸如WS-Reliable 消息傳遞和WS-Security 的新標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)包括以下3 種，如圖1 所示。

1.2.1 感知層

感知層是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力，是信息采集的關(guān)鍵部分。

感知層包括二維碼標(biāo)簽和識讀器、RFID 技術(shù)、Zig-Bee技術(shù)、攝像頭、GPS、傳感器、M2M 終端和傳感器網(wǎng)關(guān)等，主要功能是識別物體、采集各種信息，與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用相似[2]。

人類依靠五官和皮膚感知世界，通過視覺、味覺、嗅覺、聽覺和感觸感知外部世界，感知層的功能與之類似。感知層采集外界世界中發(fā)生的各種事件和數(shù)據(jù)，包括各類物理量、標(biāo)識、音頻、視頻數(shù)據(jù)、溫濕度和壓強(qiáng)等信息。感知層解決的是人類世界與物理世界之間的數(shù)據(jù)獲取問題。它首先通過各類傳感器的感知設(shè)備、射頻識別設(shè)備、二維碼識別設(shè)備、智能儀表、RFID 和EPC 等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集外部數(shù)據(jù)，然后通過RFID、條碼、工業(yè)總線、藍(lán)牙和紅外等傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的短距離傳遞。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層作為物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的中間部位，是物聯(lián)網(wǎng)的中心環(huán)節(jié)，具有承上啟下的作用。

網(wǎng)絡(luò)層主要是將感知層所獲取的各種不同類型的數(shù)據(jù)信息，通過互聯(lián)網(wǎng)中心加工處理、轉(zhuǎn)化，進(jìn)行長距離的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)用各種接入技術(shù)：如以太網(wǎng)、GPRS、3G、Wi-Fi、甚至衛(wèi)星通信等，最終接入互聯(lián)網(wǎng)。云技術(shù)強(qiáng)大的存儲、查詢和計算能力也都?xì)w屬在這一層。

1.2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要包括中問件技術(shù)、對象名稱解析服務(wù)、云計算、面向服務(wù)的體系架構(gòu)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺及安全等技術(shù)。其中云計算是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的核心，其促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的智能融合[3]。應(yīng)用層作為物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最頂層，其功能可以概括為“處理”。應(yīng)用層可以對感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別、轉(zhuǎn)換、計算、處理和知識的挖掘，并為用戶應(yīng)用提供相應(yīng)的支撐平臺，從而實(shí)現(xiàn)對物理世界的實(shí)時控制、精準(zhǔn)管制和最終決策。物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)體系與智能建筑能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是相互印證的，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，使建筑能源管理系統(tǒng)更加完善，功能更強(qiáng)大。

圖 1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑能源管理中的應(yīng)用

建筑能源管理系統(tǒng)包括設(shè)置在建筑中不同位置的物聯(lián)網(wǎng)終端、物聯(lián)網(wǎng)能源管理平臺以及通信設(shè)施，而物聯(lián)網(wǎng)獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)剛好可以對應(yīng)滿足建筑能源管理系統(tǒng)的多層需求[4]。

建筑能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，可以劃分為：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、應(yīng)用層和展示層。

數(shù)據(jù)采集層包括各種現(xiàn)場設(shè)備，有射頻識別設(shè)備、溫濕度、壓力值傳感器以及各種工業(yè)儀表（水表、電表、氣表）等。對現(xiàn)場各種信息進(jìn)行搜集，傳輸至數(shù)據(jù)采集中心，顯示為設(shè)備信息、電表數(shù)據(jù)、水表數(shù)據(jù)、氣表數(shù)據(jù)、壓力值和溫濕度等。

數(shù)據(jù)存儲層是將現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，包括用戶數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)、電能數(shù)據(jù)、耗水?dāng)?shù)據(jù)、空調(diào)數(shù)據(jù)以及共享數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器中并妥善保管。

應(yīng)用層是對數(shù)據(jù)存儲層存儲的各類信息進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)察、分析、控制和管理。應(yīng)用層可進(jìn)行實(shí)時檢測。在接受到問題反饋后，短時間內(nèi)觸發(fā)報警機(jī)制，進(jìn)行綜合報警。對數(shù)據(jù)整合，進(jìn)行能耗分析、節(jié)能診斷并以報表的形式呈現(xiàn)出來。

展示層則作為一個數(shù)據(jù)展示，通過對各種數(shù)據(jù)的匯總和分析，可以將實(shí)時能耗、當(dāng)天能耗、當(dāng)月建筑用能、本年累計能耗、當(dāng)月設(shè)備報警以及節(jié)省電量等信息進(jìn)行展示。

智能建筑能源管理系統(tǒng)的4 種結(jié)構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)的3 種結(jié)構(gòu)相呼應(yīng)，并對此加以延伸拓展，使2 種技術(shù)相互融合。數(shù)據(jù)采集層通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對現(xiàn)場的各種終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)存儲層則通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的通信、整合；應(yīng)用層則通過物聯(lián)網(wǎng)的云計算技術(shù)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)對建筑能耗的遠(yuǎn)程監(jiān)控、能耗分析和節(jié)能管理；展示層作為一種交互平臺，以更加直觀、便捷、全面的方式對建筑能源管理系統(tǒng)進(jìn)行展示[5]。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將建筑能耗數(shù)據(jù)整合到建筑能源管理數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，轉(zhuǎn)換為其他形式的數(shù)據(jù)，服務(wù)于應(yīng)用程序，進(jìn)而對建筑耗能進(jìn)行整體的統(tǒng)籌管理。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能源管理系統(tǒng)

該文以國網(wǎng)中興有限公司智慧后勤系統(tǒng)的能源精益化技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目為例，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能源管理系統(tǒng)。通過該項(xiàng)目研究，建成智慧后勤能源精益化管理系統(tǒng)，與都城大廈現(xiàn)有智能樓宇一體化綜合管理系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)共享，為后勤服務(wù)單位及時消除安全隱患、開展后勤精益化管理、提升專業(yè)管理能力和服務(wù)品質(zhì)提供專業(yè)支撐。

2.1 建筑能源管理系統(tǒng)體系架構(gòu)

國網(wǎng)中興能耗監(jiān)測系統(tǒng)的體系架構(gòu)分為展示層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)存儲層和數(shù)據(jù)采集層，各層建設(shè)均遵循系統(tǒng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全保障體系。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層：現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)采集器，通過接口協(xié)義采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層：將數(shù)據(jù)采集層采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)化，存儲至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心作為一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將對所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和分析。

2.1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的應(yīng)用功能和人機(jī)交互功能，按照在線監(jiān)測、綜合報警、能耗分析、節(jié)能診斷、設(shè)備管理和運(yùn)營服務(wù)等業(yè)務(wù)功能進(jìn)行劃分。

2.1.4 展示層

展示層用于系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測和匯總統(tǒng)計的展示。

2.2 系統(tǒng)功能

能耗監(jiān)測系統(tǒng)由實(shí)時監(jiān)測、能耗監(jiān)測、統(tǒng)計報表、節(jié)能診斷、綜合報警、設(shè)備管理和數(shù)據(jù)接口等功能模塊組成，對于信息管理部門、能源管理部門、現(xiàn)場操作人員、系統(tǒng)維護(hù)人員以及決策領(lǐng)導(dǎo)等不同的需要提供完善的使用功能，通過用戶類型和權(quán)限控制，為每一類使用人員提供相應(yīng)的功能界面。

2.2.1 指標(biāo)體系

指標(biāo)體系在系統(tǒng)中通過指標(biāo)的流轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)對整個能源管控過程的管理。具體體現(xiàn)為：指標(biāo)設(shè)定、指標(biāo)下達(dá)、指標(biāo)執(zhí)行跟蹤和指標(biāo)執(zhí)行評價。

2.2.2 設(shè)備管理

設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)設(shè)備類型管理、用能設(shè)備管理、采集器管理和表計管理等功能。

2.2.3 分戶計量

在系統(tǒng)中通過區(qū)域和機(jī)構(gòu)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)能耗的分區(qū)域、分戶計量。

2.2.4 實(shí)時參數(shù)（在線監(jiān)測）

2.2.4.1 電表實(shí)時監(jiān)測

完成對建筑能源管理系統(tǒng)中所有電表監(jiān)測，獲取電表的電量、電流、電壓、功率和電能質(zhì)量等實(shí)時數(shù)據(jù)。

2.2.4.2 電表歷史曲線

完成對建筑能源管理系統(tǒng)中所有電表監(jiān)測，獲取電表的電量、電流、電壓、功率和電能質(zhì)量等歷史數(shù)據(jù)。

2.2.4.3 主接線圖監(jiān)測

完成對建筑能源管理系統(tǒng)中電力主接線圖監(jiān)測，通過主接線圖監(jiān)測展示配電系統(tǒng)的線路連接狀態(tài)以及配電室主要設(shè)備的狀態(tài)運(yùn)行參數(shù)。

2.2.4.4 配電設(shè)備監(jiān)測

完成對建筑能源管理系統(tǒng)中配電設(shè)備檢測，主要是對配電室現(xiàn)場情況以及配電室中的變壓器、電容器、直流屏的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

2.2.4.5 報表打?。ńy(tǒng)計報表）

利用監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，以年、半年、季度、月等為時間維度，實(shí)現(xiàn)常用報表的標(biāo)準(zhǔn)化打印、輸出，包括Excel、Word、PDF 等格式；以及非標(biāo)準(zhǔn)化報表自定義格式的打印、輸出等功能。報表展示格式為表格形式、圖形形式及圖表混排模式等多種形式，用戶可以根據(jù)需要自定義打印和輸出對應(yīng)格式的報表。

2.2.4.6 節(jié)能診斷

診斷分項(xiàng)：非工作時間用能異常，非工作時間一般指一天中的下班時間，一周中的周六周日。診斷時間：當(dāng)選小時時診斷圖橫坐標(biāo)精確到小時，當(dāng)選日時診斷圖橫坐標(biāo)精確到日。能源用途：每個設(shè)備都有能源用途屬性，會根據(jù)此選項(xiàng)篩選出相應(yīng)的能源用途。設(shè)備：在此能源用途篩選出的設(shè)備中選擇，進(jìn)行節(jié)能診斷。生產(chǎn)節(jié)能方案：滿足條件的可以生成節(jié)能方案。問題描述：根據(jù)折線圖和觸發(fā)值的關(guān)系，描述問題。方案描述：對產(chǎn)生此問題的原因或節(jié)能方案進(jìn)行描述。預(yù)計年節(jié)能量：根據(jù)折線圖中統(tǒng)計的實(shí)際用量超過觸發(fā)值的數(shù)量，累計如此運(yùn)行一年的用能量。預(yù)計年節(jié)能成本：將預(yù)計年節(jié)能量轉(zhuǎn)換成錢數(shù)。

2.2.4.7 能耗分析

系統(tǒng)能夠從時間、位置、區(qū)域上進(jìn)行區(qū)分；能夠按照部門、設(shè)備和功能區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計分析。1）時間能耗分析。實(shí)現(xiàn)對能源在部門、設(shè)備、用能區(qū)域的同比和環(huán)比分析。2）平均能耗分析。對建筑總體能耗、分項(xiàng)能耗、平均面積或平均人數(shù)分析。3）電能分項(xiàng)分析。電能分項(xiàng)能耗按照部門、設(shè)備、功能區(qū)域分析。4）碳排放量分析。通過對建筑能耗統(tǒng)計，把電折算算成標(biāo)煤的形式，計算出綜合碳排放量和分類碳排放量。5）能耗排名分析。對建筑總體能耗、部門、設(shè)備和功能區(qū)域能耗進(jìn)行能耗排名分析。綜合能耗按照部門、設(shè)備和功能區(qū)域排名。6）負(fù)荷對比分析。以用電負(fù)荷監(jiān)測為主體，對建筑總體負(fù)荷、分項(xiàng)負(fù)荷、部門用電負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并以30 min 或1 h 為單位，存儲該時段有效值并進(jìn)行對比分析。

2.2.4.8 綜合報警

用電預(yù)警報警。電能使用過程諧波越限告警、電壓/電流不平衡度越限記錄、電壓越限記錄、電流越限記錄、A（B、C）相電壓越上限累計時間以及A（B、C）相電壓越下限累計時間等超過規(guī)定值的情況。用能異常報警。針對不同設(shè)備、不同區(qū)域使用過程中發(fā)生的使用量突然大幅度超過正常值的情況，使用過程諧波越限告警、電壓/電流不平衡度越限記錄、電壓越限記錄、電流越限記錄、A（B、C）相電壓越上限累計時間以及A（B、C）相電壓越下限累計時間等超過規(guī)定值的情況。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能源管理系統(tǒng)在節(jié)能減排中的應(yīng)用

目前，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國對能源的需求呈指數(shù)形式上漲。我國消耗能源的主力可以分為建筑用能、工業(yè)用能和交通運(yùn)輸用能等方面，其中建筑能源消耗在總能耗中大約占據(jù)1/3[6]。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與建筑能源管理系統(tǒng)進(jìn)行融合，通過能源管理平臺對建筑能耗的各個用能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時、歷史數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測、分析、處理和管理，對建筑用能進(jìn)行精細(xì)化管理，為建筑節(jié)能管理提供技術(shù)支持。以下就建筑能耗進(jìn)行簡單分析。

3.1 建筑分項(xiàng)能耗計量

對建筑中的各種能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時檢測，包括設(shè)備信息、電表數(shù)據(jù)、水表數(shù)據(jù)、氣表數(shù)據(jù)、壓力值和溫濕度等，增強(qiáng)對建筑分項(xiàng)能耗計量的標(biāo)準(zhǔn)化和模式化。也根據(jù)客戶端不同需求，進(jìn)行自定義化管理，形成可擴(kuò)展性的計量模式。

3.2 能耗數(shù)據(jù)公示

以表格、圖形及圖表混排模式等多種形式為運(yùn)維人員及評估專家提供建筑分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括實(shí)時能耗、當(dāng)天能耗、當(dāng)月建筑用能、本年累計能耗、當(dāng)月設(shè)備報警以及節(jié)省電量等信息。利用監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，以年、半年、季度和月等為時間維度，實(shí)現(xiàn)常用報表的標(biāo)準(zhǔn)化打印和輸出。

3.3 能耗審計

根據(jù)國家和地區(qū)的節(jié)能法規(guī)、節(jié)能的原則和技術(shù)，完成能源的初步審計、綜合審計以及專項(xiàng)能源審計。

對現(xiàn)有設(shè)備的類型、結(jié)構(gòu)進(jìn)行審計，對標(biāo)國內(nèi)外同類型設(shè)備用能報告進(jìn)行節(jié)能分析；分析能源結(jié)構(gòu)變化對節(jié)能的影響；分析現(xiàn)有能源管理制度中的不足對節(jié)能的影響。

3.4 能耗的分析和診斷

以定期節(jié)能報告的形式，對時間、位置、區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，按照部門、設(shè)備、功能區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計、分析和處理。對建筑的各個能耗系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的診斷，確認(rèn)各個環(huán)節(jié)用能審計結(jié)果，合理分配用能結(jié)構(gòu)，對超出能耗范圍的功率設(shè)備和環(huán)節(jié)分析原因，進(jìn)行合理化整改。

3.5 節(jié)能效果評估分析

通過對建筑能源的能耗審計與分析診斷，優(yōu)化能源配置結(jié)構(gòu)，最終以能耗報告的對比分析評估節(jié)能成效，為后續(xù)的節(jié)能改造提供基礎(chǔ)和方向。

4 結(jié)語

研究物聯(lián)網(wǎng)在能源管理中的應(yīng)用，是順應(yīng)時代科技發(fā)展的必然結(jié)果。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到建筑能源管理系統(tǒng)中，整合原有基礎(chǔ)設(shè)施資源加以利用，對現(xiàn)有的管理系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級，在滿足國家對能源管理的需求下，以標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、構(gòu)件化、安全可靠性、先進(jìn)性、易用性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、高性能以及可擴(kuò)展性等原則為標(biāo)準(zhǔn)，充分滿足建筑能源的各種業(yè)務(wù)功能需求，實(shí)現(xiàn)對建筑能源的能耗管理。