邱 真 趙曉峰

北京航空航天大學(xué) 北京 100191

高校能耗監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)研究

邱 真 趙曉峰

北京航空航天大學(xué) 北京 100191

能源管理已經(jīng)成為高校各項(xiàng)管理過(guò)程中最重要的話題之一。通過(guò)對(duì)北京航空航天大學(xué)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)的相關(guān)研究，為高校能源管理提供一個(gè)突破口，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)”三網(wǎng)合一，以對(duì)能耗歷史數(shù)據(jù)的分析為手段，進(jìn)而查找能源使用過(guò)程中存在的問(wèn)題。

能耗監(jiān)管平臺(tái)；三網(wǎng)合一；管理

我校能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)利用現(xiàn)代化通訊技術(shù)、數(shù)字通訊及存儲(chǔ)技術(shù)、傳感器及控制技術(shù)以及最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并通過(guò)科學(xué)合理的整合和開(kāi)發(fā)，對(duì)校園內(nèi)的水、電、氣、熱、空調(diào)等能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分類(lèi)、分項(xiàng)采集和統(tǒng)計(jì)分析，形成各個(gè)監(jiān)測(cè)單元的年度、月度、每日、每小時(shí)乃至每分鐘的能耗曲線，生成費(fèi)用報(bào)表，并提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)報(bào)表。同時(shí)提供有效的分析手段，指導(dǎo)能源的合理配置和利用，實(shí)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。總設(shè)計(jì)體現(xiàn)了“集中管理、分布監(jiān)測(cè)、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(duì)校園用能建筑、用能系統(tǒng)、主要用能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，構(gòu)建可靠性強(qiáng)、效率高、共享度高的校園能耗數(shù)據(jù)庫(kù)，建立能耗監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、公示平臺(tái)。

能源管理已經(jīng)成為高校各項(xiàng)管理過(guò)程中最重要的話題之一，如何有效地對(duì)提供的能源進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而對(duì)采集的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后制定出管理部門(mén)所需的各級(jí)報(bào)表，從而在能源消耗以及管理上提出改進(jìn)計(jì)劃已成為現(xiàn)階段各高校能源管理所面臨的主要問(wèn)題。部分高校能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)粗放、管理疏漏、沒(méi)有科學(xué)的用能預(yù)測(cè)與監(jiān)管，導(dǎo)致能耗數(shù)據(jù)要么不準(zhǔn)確，要么人為捏造，增加學(xué)校進(jìn)行節(jié)能監(jiān)管的難度，實(shí)際上高校能源浪費(fèi)現(xiàn)象普遍存在，節(jié)能任務(wù)嚴(yán)峻。究其原因，正是由于對(duì)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(dòng)態(tài)掌握學(xué)校的用能狀況，建立科學(xué)的能耗模型，為推進(jìn)節(jié)約型校園建設(shè)、實(shí)現(xiàn)高校節(jié)能減耗目標(biāo)已勢(shì)在必行。

1 能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及面廣，需要將儀表技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、軟件技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)融為一體、高度集成。能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)立足于技術(shù)先進(jìn)性、穩(wěn)定性和可靠性；系統(tǒng)功能的科學(xué)性和實(shí)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(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的兼容性。

2 能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)總體架構(gòu)及功能

能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)以學(xué)校校園網(wǎng)為主體，無(wú)線傳輸網(wǎng)為輔建立起了學(xué)校三級(jí)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)。整個(gè)節(jié)能監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模式，由節(jié)能監(jiān)管中心、分類(lèi)監(jiān)控中心、現(xiàn)場(chǎng)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(cè)平臺(tái)系統(tǒng)圖

能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)主要完成五大功能：能耗監(jiān)測(cè)、能耗分析、能耗報(bào)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的各種參數(shù)可通過(guò)圖形化顯示，簡(jiǎn)單、直觀而且美觀，可視性強(qiáng)。軟件界面運(yùn)用多種形式(包括文字、圖形、圖像、多媒體等手段)使運(yùn)行管理人員清晰、直觀、實(shí)時(shí)地掌握用能單元的所有信息，使運(yùn)行管理人員非常方便、精準(zhǔn)地管理用能系統(tǒng)。同時(shí)，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(bào)表

3 節(jié)能監(jiān)管中心建設(shè)

為了實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測(cè)可視化管理，以100m2左右經(jīng)過(guò)裝修、裝飾的房間作為節(jié)能監(jiān)管中心機(jī)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(jī)房示意圖如圖5所示：

圖5 北航節(jié)能監(jiān)管中心機(jī)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(jī)、管理計(jì)算機(jī)、大屏幕顯示設(shè)備、打印機(jī)及UPS等設(shè)備組成。

為保證能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)的高可靠性要求，系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行中間件和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的主機(jī)采取主從模式。

主從模式是最標(biāo)準(zhǔn)、最簡(jiǎn)單的雙機(jī)熱備，即是通常所說(shuō)的Active/Standby方式。它使用兩臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)作為主服務(wù)器(Active)，運(yùn)行應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)提供服務(wù)。另一臺(tái)作為備機(jī)，安裝完全一樣的應(yīng)用系統(tǒng)，但處于待機(jī)狀態(tài)(Standby)。當(dāng)Active服務(wù)器出現(xiàn)故障的時(shí)候，通過(guò)軟件診測(cè)(一般是通過(guò)心跳診斷)將Standby機(jī)器激活，保證應(yīng)用在短時(shí)間內(nèi)完全恢復(fù)正常使用。

3.2 軟件系統(tǒng)

能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)主要針對(duì)校園中電量消耗、燃?xì)庀?、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(guò)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(duì)北航的實(shí)時(shí)能耗情況進(jìn)行掌控，同時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)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(guò)一系列的業(yè)務(wù)計(jì)算(如對(duì)標(biāo)體系，標(biāo)準(zhǔn)折算等)與數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析算法，進(jìn)一步從原始數(shù)據(jù)中發(fā)掘出節(jié)能的“知識(shí)”與措施(如圖6所示)。

圖6 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)軟件系統(tǒng)抽象為以下核心粗粒度組件來(lái)完成大部分實(shí)際功能：數(shù)據(jù)采集引擎；數(shù)據(jù)變換與管理引擎；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)；知識(shí)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(lèi)監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集

4.1 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)校園內(nèi)一級(jí)和二級(jí)變、配電室計(jì)量系統(tǒng)和部分典型建筑的三級(jí)計(jì)量進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)。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(xiàng)電量計(jì)量。

共采集電量監(jiān)測(cè)點(diǎn)923點(diǎn)，其中：一級(jí)參數(shù)44點(diǎn)、二級(jí)參數(shù)100點(diǎn)、三級(jí)參數(shù)779點(diǎn)。

電力檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)主變電站和17個(gè)配電室的電參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)。配置監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)，將主變電站和各配電室的用電情況進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)一級(jí)、二級(jí)和部分三級(jí)電量的在線監(jiān)測(cè)(如圖8所示)。

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

監(jiān)測(cè)中心主機(jī)采用高可靠性的工業(yè)計(jì)算機(jī)，電力監(jiān)測(cè)軟件采用專(zhuān)業(yè)的電力監(jiān)測(cè)軟件。監(jiān)測(cè)中心接收現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備上傳的電參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，并以數(shù)字、曲線、報(bào)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(jìn)行綜合分析管理。便于電力監(jiān)管人員能夠在辦公室通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)方瀏覽監(jiān)測(cè)能耗系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和調(diào)看各種運(yùn)行報(bào)表。

4.2 供水系統(tǒng)采集監(jiān)測(cè)

供水系統(tǒng)的集中采集監(jiān)測(cè)是針對(duì)一級(jí)水量計(jì)量的采集監(jiān)測(cè)，包括：市政給水、自備井及中水利用。由于供水系統(tǒng)一級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少，而二級(jí)供水主要作為生產(chǎn)運(yùn)行和建筑能耗系統(tǒng)管理，因此供水系統(tǒng)不單獨(dú)設(shè)子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，而由節(jié)能監(jiān)管中心集中監(jiān)測(cè)管理。

4.3 供熱監(jiān)控系統(tǒng)

集中供暖系統(tǒng)的熱源為燃?xì)忮仩t房?jī)?nèi)的3臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t房，下設(shè)有9個(gè)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(xué)校集中供熱監(jiān)控系統(tǒng)，配置供熱監(jiān)控中心主機(jī)，集中采集鍋爐房及各換熱站的運(yùn)行參數(shù)和能耗數(shù)據(jù)，再通過(guò)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(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)能耗在線監(jiān)測(cè)。

通過(guò)以后對(duì)供熱生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備的改造，配合能耗檢測(cè)平臺(tái)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)氣候補(bǔ)償、變頻節(jié)能和分區(qū)供熱的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號(hào)報(bào)警等多項(xiàng)功能，從而可使供熱生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在“無(wú)人值守”的自動(dòng)控制下安全平穩(wěn)運(yùn)行。節(jié)能控制的運(yùn)用、各種運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)整能夠使能源利用和系統(tǒng)運(yùn)行始終處于科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，為現(xiàn)場(chǎng)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(duì)分散的各供熱現(xiàn)場(chǎng)的能耗數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)集中傳輸?shù)焦?jié)能監(jiān)管中心，為相關(guān)部門(mén)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。本地鍋爐房、換熱站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備作為底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊方式，與供熱監(jiān)控中心主機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)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(chǎng)采集設(shè)備上傳的供熱運(yùn)行數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，以數(shù)字、曲線、報(bào)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(jìn)行綜合分析管理。

4.4 通訊網(wǎng)絡(luò)

能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)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(yuǎn)傳網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸速度快，維護(hù)及使用成本低。

現(xiàn)場(chǎng)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(guò)校園網(wǎng)或485通訊總線傳輸?shù)椒诸?lèi)監(jiān)控中心或節(jié)能監(jiān)管中心主機(jī)。采用RS485現(xiàn)場(chǎng)總線將多臺(tái)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(chǎng)采集監(jiān)控設(shè)備，再通過(guò)校園網(wǎng)將采集的能耗數(shù)據(jù)上傳至分類(lèi)監(jiān)控中心和節(jié)能監(jiān)管中心。

對(duì)于特殊場(chǎng)合不具備有線傳輸條件的采集點(diǎn)，系統(tǒng)采用無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，使用了無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，不需要破土布線，后期維護(hù)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(chǎng)所可以只用一個(gè)信號(hào)采集裝置，節(jié)省成本；信號(hào)采集裝置與信號(hào)傳輸裝置以無(wú)線方式連接，現(xiàn)場(chǎng)施工及后期維護(hù)方便，成本低，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)運(yùn)行費(fèi)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用了高校校園網(wǎng)、無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)高校的水、電、氣消耗的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，可以迅速、準(zhǔn)確地了解高校各建筑物以及用能點(diǎn)的能耗狀況，以便采取相應(yīng)措施改善學(xué)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(cè)平臺(tái)，對(duì)于促進(jìn)高校能源節(jié)約和合理應(yīng)用，緩解能源供應(yīng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾，加快發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)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(guó)首批節(jié)約型校園建設(shè)示范高?！憬髮W(xué)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(xué)能耗監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)建設(shè)[J].中國(guó)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(shí)習(xí)員。趙曉峰，碩士，副研究員，副處長(zhǎng)。