建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化的供配電節(jié)能控制分析

閻保華，呂新華

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院，青州 262500）

0 引言

電氣工程自動(dòng)化是一門(mén)綜合性極強(qiáng)的學(xué)科，同時(shí)涉及電力電子、電機(jī)電器、機(jī)電一體化、信息與網(wǎng)絡(luò)控制等多項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，其主要特點(diǎn)在于可將軟硬件與強(qiáng)弱電完全結(jié)合起來(lái)。近年來(lái)隨著全球化經(jīng)濟(jì)體制的快速發(fā)展，各大城市都在積極進(jìn)行著城區(qū)的建設(shè)與規(guī)劃，一大批新型建筑開(kāi)始投入施工，城鎮(zhèn)的平均建筑面積也隨之不斷增大，城市化建設(shè)能力呈現(xiàn)逐年攀升的變化狀態(tài)[1]。

建筑能耗主要是指建筑機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的能源消耗量，包括家用電器、照明、炊事、熱水供應(yīng)、暖通空調(diào)等多方面消耗要素。根據(jù)國(guó)家的相關(guān)規(guī)定，建筑機(jī)械設(shè)備的供配電節(jié)能改造由可再生能源利用、能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電氣工程自動(dòng)化、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)五部分組成。其中，電氣工程自動(dòng)化是建筑機(jī)械設(shè)備供配電節(jié)能控制的改造重點(diǎn)，是節(jié)能潛力相對(duì)較大的實(shí)用研究方向。

1 建筑機(jī)械設(shè)備的電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)

建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)可在中央控制設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的支持下，對(duì)建筑設(shè)備的功能及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，具體搭建方法如下。

1.1 中央控制設(shè)備

在建筑機(jī)械設(shè)備的電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中，中央控制設(shè)備選擇一級(jí)控制器運(yùn)行方式時(shí)，需要從以太網(wǎng)及ARCNET網(wǎng)兩方面同時(shí)考慮。中央控制設(shè)備的主要功能是接收電氣工程自動(dòng)化程序的協(xié)調(diào)與調(diào)度指令，從而使得網(wǎng)絡(luò)子程序的控制需求得到滿足。建筑機(jī)械設(shè)備中央控制器具備微型計(jì)算機(jī)的絕大多數(shù)執(zhí)行功能，可在CPU與處理器元件的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化接口的轉(zhuǎn)接處理。與此同時(shí)，該類(lèi)型控制設(shè)備還具備與下級(jí)供配電節(jié)能元件相連的能力[2]。另外，由于控制器與后備電源的存在，在特殊情況下，中央控制設(shè)備可利用后備電源中的剩余電量進(jìn)行建筑施工。表1為幾種電氣工程自動(dòng)化中央控制設(shè)備的性能特點(diǎn)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備可在建筑機(jī)械電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中對(duì)子系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行智能化調(diào)試，并能夠按照中央控制設(shè)備的連接需求，對(duì)相關(guān)供配電節(jié)能數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)化存儲(chǔ)。若一級(jí)控制器出現(xiàn)運(yùn)行故障，二級(jí)控制器可在常規(guī)控制范圍內(nèi)保持正常運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)供配電節(jié)能信息的網(wǎng)絡(luò)化共享?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有ROM、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、CPU等多種應(yīng)用型接口，在實(shí)施電氣工程自動(dòng)化方案時(shí)，處于該體系中的控制設(shè)備元件具有程序共享的能力。因此，所有現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備都必須配置有獨(dú)立的備用電源，在實(shí)施建筑機(jī)械設(shè)備施工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備可與中央控制設(shè)備一起，形成獨(dú)立的供配電節(jié)能調(diào)試體系[3]。設(shè)v0代表最小的電氣工程自動(dòng)化控制系數(shù)，vn代表最大的電氣工程自動(dòng)化控制系數(shù)，n代表建筑機(jī)械設(shè)備的電氣化權(quán)限量。聯(lián)立上述物理量，可將電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備連接指令定義為：

表1 電氣工程自動(dòng)化中央控制設(shè)備的性能特點(diǎn)

式(1)中，X代表一級(jí)控制器的供配電調(diào)節(jié)系數(shù)，x代表二級(jí)控制器的供配電調(diào)節(jié)系數(shù)，H代表一級(jí)控制器的節(jié)能控制需求指標(biāo)，h代表二級(jí)控制器的節(jié)能控制需求指標(biāo)，c代表建筑機(jī)械設(shè)備的電氣化執(zhí)行權(quán)限，?M代表單位時(shí)間內(nèi)建筑機(jī)械設(shè)備的電氣工程調(diào)試量。

1.3 建筑功能與特點(diǎn)說(shuō)明

建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用工程由地面、地下兩部分共同組成。其中，地面部分主要涉及辦公樓、機(jī)床主機(jī)、柜式處理器等多個(gè)功能結(jié)構(gòu)。由于建筑空間關(guān)聯(lián)性的影響，辦公樓之間始終保持一定的物理間距，且隨著建筑工程占地面積的增大，樓宇之間的實(shí)際距離會(huì)呈現(xiàn)不斷縮短的變化趨勢(shì)。機(jī)床主機(jī)主要位于辦公樓之中，可對(duì)相關(guān)建筑機(jī)械的運(yùn)行能力進(jìn)行記錄，并可在傳輸導(dǎo)線的作用下，將這些信息反饋至相關(guān)應(yīng)用設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中[4]。柜式處理器具備較強(qiáng)的物理適應(yīng)性，可根據(jù)機(jī)床主機(jī)的連接形式，改變其自身的應(yīng)用規(guī)劃能力。地下部分則包含各類(lèi)連接傳輸線，一般情況下，主要存在于個(gè)別建筑設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間，可將相關(guān)電氣工程自動(dòng)化信息從一個(gè)設(shè)備位置傳輸至另一個(gè)設(shè)備位置。詳細(xì)的建筑功能及其特點(diǎn)說(shuō)明情況如表2所示。

表2 建筑功能及其特點(diǎn)說(shuō)明情況

2 供配電節(jié)能控制方法

在建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的支持下，按照供配電平臺(tái)搭建、控制執(zhí)行功能軟件連接、節(jié)能管理上機(jī)位調(diào)試的處理流程，完成建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化的供配電節(jié)能控制分析。

2.1 供配電平臺(tái)的選擇與搭建

建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的供配電平臺(tái)由高壓配電柜、低壓配電柜、直流屏、EPS等多個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)體共同組成。其中，自動(dòng)化主機(jī)可在建筑信息通訊線的作用下聯(lián)合UPS設(shè)備與機(jī)械變壓器，對(duì)下級(jí)供配電元件進(jìn)行節(jié)能調(diào)試，并將建筑信息數(shù)據(jù)反饋至直流屏中[5]。低壓配電柜位于供配電平臺(tái)頂層，可對(duì)高壓配電柜發(fā)出電量調(diào)試指令，并可借助EPS元件實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑機(jī)械設(shè)備能耗量的節(jié)能化控制。一般情況下，自動(dòng)化主機(jī)多選擇型號(hào)為STM32F103VBT6的供配電調(diào)試芯片，能夠根據(jù)低壓配電柜、高壓配電柜的連接表現(xiàn)形式，更改主機(jī)接線柱的實(shí)際控制位置。

圖1 供配電平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制執(zhí)行功能軟件

建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化可對(duì)供配電節(jié)能設(shè)備的末端節(jié)電進(jìn)行直接控制，且能夠通過(guò)微處理器芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O輸出信號(hào)的調(diào)試。一般情況下，在整個(gè)節(jié)能調(diào)控過(guò)程中，供配電繼電器與接觸器始終保持兼性相連的應(yīng)用狀態(tài)。出于實(shí)效性考慮，控制執(zhí)行功能軟件必須同時(shí)具備建筑內(nèi)照明設(shè)備、特殊用電設(shè)備、分散式空調(diào)、辦公設(shè)備等多項(xiàng)自動(dòng)化調(diào)試能力，且相應(yīng)功能軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)需要遵照建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化的具體需求測(cè)量進(jìn)行調(diào)試與編譯[6]。圖2反應(yīng)了完整的控制執(zhí)行功能軟件連接流程。

圖2 控制執(zhí)行功能軟件連接流程圖

2.3 節(jié)能管理上機(jī)位

建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能管理上機(jī)位開(kāi)發(fā)采用易控的軟件操作平臺(tái)，可在已知控制執(zhí)行功能軟件連接需求的基礎(chǔ)上，建立全新的組態(tài)軟件或人機(jī)界面。節(jié)能管理上機(jī)位能夠獨(dú)立完成供配電信息的監(jiān)控與調(diào)試，它能從建筑機(jī)械設(shè)備中采集各類(lèi)應(yīng)用信息，并將其以圖形、圖像等比較直觀的方式表現(xiàn)出來(lái)。通常情況下，在節(jié)能管理上機(jī)位節(jié)點(diǎn)的作用下，電氣工程自動(dòng)化 網(wǎng)絡(luò)可對(duì)建筑機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可將各類(lèi)信息分別存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)軟件之中。設(shè)s0代表最小的建筑機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化調(diào)試系數(shù)，sn代表最大的建筑機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化調(diào)試系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(1)，可將節(jié)能管理上機(jī)位連接條件定義為：

其中，φ代表建筑機(jī)械設(shè)備的供配電節(jié)能系數(shù)，β代表特定的建筑工程耗能控制條件，l1、l2分別代表兩個(gè)不同的建筑機(jī)械設(shè)備耗能量。至此，完成各項(xiàng)物理系數(shù)指標(biāo)的計(jì)算與處理，在不考慮其他干擾條件的情況下，實(shí)現(xiàn)建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化供配電節(jié)能控制方法的順利應(yīng)用。

3 實(shí)用能力分析

為驗(yàn)證建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化供配電節(jié)能控制方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以圖3所示的建筑機(jī)械設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別利用實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組方法對(duì)建筑機(jī)械設(shè)備的電氣工程能耗量進(jìn)行控制，其中實(shí)驗(yàn)組采用電氣工程自動(dòng)化供配電節(jié)能控制方法，對(duì)照組采用傳統(tǒng)節(jié)能控制方法。

圖3 建筑機(jī)械設(shè)備

IPU指標(biāo)能夠反應(yīng)建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程的運(yùn)行電耗成本，一般情況下，IPU指標(biāo)數(shù)值越大，建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程的運(yùn)行電耗成本也就越低，反之則越高。下表記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組IPU指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表3 IPU指標(biāo)數(shù)值對(duì)比表

分析表3可知，隨著建筑物間距間距的增大，實(shí)驗(yàn)組IPU指標(biāo)數(shù)值始終保持不斷上升的變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了65.8%。對(duì)照組IPU指標(biāo)則保持先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達(dá)到41.5%，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，下降了24.3%。綜上可知，應(yīng)用建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化供配電節(jié)能控制方法后，IPU指標(biāo)數(shù)值會(huì)隨建筑物間距的增大而不斷上升，能夠較好控制建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程的運(yùn)行電耗成本。

TSR指標(biāo)能夠描述建筑物的用電能耗比情況，一般情況下，TSR指標(biāo)數(shù)值越大，建筑物的用電能耗比水平也就越高，反之則越低。下表記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組TSR指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表4 TSR指標(biāo)數(shù)值對(duì)比表

分析表4可知，隨著建筑物間距值的增大，實(shí)驗(yàn)組TSR指標(biāo)出現(xiàn)先上升、再穩(wěn)定的數(shù)值變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了83.8%。對(duì)照組TSR指標(biāo)則始終保持上升、下降交替出現(xiàn)的數(shù)值變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了65.8%，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，下降了18.0%。綜上可知，應(yīng)用建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化供配電節(jié)能控制方法后，TSR指標(biāo)數(shù)值也會(huì)隨建筑物間距的增大而不斷上升，能夠促進(jìn)建筑物用電能耗比水平逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

在電氣工程自動(dòng)化原理的作用下，建筑機(jī)械設(shè)備的供配電節(jié)能控制方法可聯(lián)合中央控制元件與現(xiàn)場(chǎng)控制元件，搭建穩(wěn)定的供配電平臺(tái)，且由于控制執(zhí)行功能軟件的存在，節(jié)能管理上機(jī)位節(jié)點(diǎn)能夠得到較好調(diào)試。從實(shí)用性角度來(lái)看，IPU指標(biāo)數(shù)值與TSR指標(biāo)數(shù)值的增大，能夠在控制建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程運(yùn)行電耗成本的同時(shí)，提升建筑物的用電能耗比水平，符合供配電節(jié)能控制的實(shí)際應(yīng)用需求。