劉寶林　李光輝　王修業(yè)　張定恩　董志超

摘要：城市中高層樓宇增加是城市內(nèi)用電量上升的重要因素之一。使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)建筑執(zhí)行能耗量化管理從而控制降低建筑運(yùn)營(yíng)過(guò)程中所消耗的能量，降低建筑的運(yùn)營(yíng)成本，提高能源使用效率，已經(jīng)成為用戶最為關(guān)注的問(wèn)題。已有的樓宇節(jié)電管理系統(tǒng)收集建筑內(nèi)部的信息并通過(guò)啟發(fā)式規(guī)則對(duì)樓宇的照明、動(dòng)力、通風(fēng)、空調(diào)、安防等系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制及整合，以期達(dá)到節(jié)能的目的。這類型系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于（1） 大部分樓宇缺少專職的節(jié)電管理機(jī)構(gòu)，沒(méi)有相關(guān)的電能使用及管理的方法。在各個(gè)樓宇與電力公司之間還沒(méi)有形成一個(gè)有效的信息共享鏈，內(nèi)外信息共享能力差，存在信息孤島現(xiàn)象（2） 系統(tǒng)中的節(jié)電模型沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)程，不能根據(jù)建筑情況的變化，自動(dòng)調(diào)整節(jié)電模式。面對(duì)這樣的情況，該文提出一個(gè)基于數(shù)據(jù)分析的建筑樓宇智能節(jié)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)（1） 使用正態(tài)分布擬合用戶用能習(xí)慣，分析得到用戶能耗較高的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的耗能過(guò)高原因；（2） 建立雙向交換子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)樓宇與電力公司之間的信息交換，并根據(jù)電力公司生產(chǎn)計(jì)劃及時(shí)調(diào)整樓宇用能策略。在天津動(dòng)漫大廈實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，該文設(shè)計(jì)的智能節(jié)電系統(tǒng)可以有效的節(jié)省樓宇中的電力損耗。

關(guān)鍵詞：智能樓宇；智能節(jié)電；系統(tǒng)整合；節(jié)電分析；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）28-6723-04

1 導(dǎo)論

伴隨著世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展，未來(lái)世界的能源需求也見(jiàn)持續(xù)增加，科學(xué)家預(yù)計(jì)到2020年，世界能源需求量將達(dá)到200億噸原油當(dāng)量。美國(guó)能源署（EIA）的報(bào)告指出，歐洲和北美洲兩個(gè)發(fā)達(dá)地區(qū)能源消費(fèi)量占世界總量的比例將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。亞洲、中南美洲將保持上升趨勢(shì)。面對(duì)如此激烈的能源競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)不僅要打開(kāi)國(guó)門購(gòu)買能源，而且還要善用已有能源。

城市中高層樓宇增加是城市內(nèi)用電量上升的重要因素之一。隨著城市的能源供應(yīng)越來(lái)越緊張，能源價(jià)格不斷上漲，建筑樓宇用電節(jié)能問(wèn)題成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。在信息技術(shù)基礎(chǔ)上建立的樓宇節(jié)電管理系統(tǒng) ，以客觀綜合能源數(shù)據(jù)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)建筑樓宇電、氣等能源消耗的監(jiān)控、分析、控制，是節(jié)能降耗最根本的辦法。已有的樓宇節(jié)電管理系統(tǒng)收集建筑內(nèi)部的信息并通過(guò)啟發(fā)式規(guī)則對(duì)樓宇的照明、動(dòng)力、通風(fēng)、空調(diào)、安防等系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制及整合。這類型系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于（1） 大部分樓宇缺少專職的節(jié)電管理機(jī)構(gòu)，沒(méi)有相關(guān)的電能使用及管理的方法。在各個(gè)樓宇與電力公司之間還沒(méi)有形成一個(gè)有效的信息共享鏈，內(nèi)外信息共享能力差，存在信息孤島現(xiàn)象（2） 系統(tǒng)中的節(jié)電模型沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)程，不能根據(jù)建筑情況的變化，自動(dòng)調(diào)整節(jié)電模式。面對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于數(shù)據(jù)分析的建筑樓宇智能節(jié)電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)（1） 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)樓宇節(jié)電管理工具，整合管理建筑樓宇內(nèi)部所有用能設(shè)備的工作信息，為節(jié)電數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。（2） 使用雙向互動(dòng)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建筑樓宇與電力公司之間的信息交換，解決信息孤島問(wèn)題。（3） 使用回歸模型等數(shù)據(jù)挖掘方法分析用戶用電模式，找到用戶能源損耗的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為用戶提供最佳的節(jié)點(diǎn)策略。（4） 使用2.5D地圖子系統(tǒng)，使得用戶對(duì)樓宇和自身用能情況一目了然。

推廣先進(jìn)的樓宇智能節(jié)電系統(tǒng)用理念，改變傳統(tǒng)的能源無(wú)科學(xué)依據(jù)的生產(chǎn)管理方式，是現(xiàn)代物業(yè)行之有效的重大管理措施。建設(shè)樓宇智能節(jié)電管理系統(tǒng)的基本目的就是要在提高樓宇節(jié)能管理信息系統(tǒng)的運(yùn)行、管理效率的同時(shí)，找到用戶用能環(huán)節(jié)中能源消耗最佳流程數(shù)據(jù)，為樓宇用戶提供一個(gè)成熟的、有效的、使用方便的節(jié)電管控解決方案。

2 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計(jì)并完成的樓宇智能節(jié)電系統(tǒng)主要分為4個(gè)子系統(tǒng)，包括：用能監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、用能分析子系統(tǒng)、用節(jié)能服務(wù)子系統(tǒng)、雙向互動(dòng)子系統(tǒng)。圖1顯示了我們樓宇智能節(jié)電系統(tǒng)的總體框架圖。其中的用能監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇內(nèi)的各類節(jié)電設(shè)備、分布式能源、樓宇自動(dòng)化等的在線監(jiān)測(cè)，是其他子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來(lái)源。用能分析子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類用電服務(wù)中能源使用情況的直接數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和可視化分析，使得客戶可以直截了當(dāng)?shù)牡玫疆?dāng)前樓宇能源運(yùn)行情況。系統(tǒng)中節(jié)能服務(wù)子系統(tǒng)可以根據(jù)專家知識(shí)庫(kù)自動(dòng)地制動(dòng)樓宇內(nèi)節(jié)能方案。雙向互動(dòng)子系統(tǒng)為電力企業(yè)和電力用戶之間加起了一座溝通的橋梁，方便樓宇用戶根據(jù)電力企業(yè)的發(fā)電計(jì)劃安排樓宇內(nèi)的用電服務(wù)。

在圖1中，由黃色矩形標(biāo)記的系統(tǒng)模塊是大部分智能節(jié)電系統(tǒng)所共有的功能模塊，由于文章的篇幅關(guān)系，在本文中不詳細(xì)介紹。圖1中深藍(lán)色標(biāo)記的子系統(tǒng)是我們基于雙向互動(dòng)的建筑樓宇智能節(jié)電系統(tǒng)獨(dú)有的核心功能模塊。我們將在下文中詳細(xì)描述。

2.1 專家?guī)熳酉到y(tǒng)

專家?guī)熳酉到y(tǒng)是我們智能用電系統(tǒng)的核心模塊，它制定了整個(gè)建筑樓宇中的各種節(jié)能計(jì)劃在。在專家?guī)熳酉到y(tǒng)中我們定義了（1） 能耗診斷模型：能耗診斷模型通過(guò)統(tǒng)計(jì)各個(gè)用戶的用能情況，通過(guò)回歸算法分析各個(gè)用能環(huán)節(jié)與最終用能總量的關(guān)系，從而找到能耗較高的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的耗能過(guò)高原因，然后采取相應(yīng)的節(jié)能增效措施，降低設(shè)備的耗能量。（2） 用能策略模型：系統(tǒng)利用能耗診斷模型的結(jié)果，建立用能策略模型，對(duì)建筑樓宇的長(zhǎng)期、短期用能策略及用能方式、節(jié)能手段統(tǒng)一管理。

在能耗診斷模型中，我們定義M座樓宇中樓宇m擁有N個(gè)用能環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)的在時(shí)刻t的用能損耗可以用emnt來(lái)表示，其中[n∈[1，N]]。本系統(tǒng)以年為周期，小時(shí)為單位來(lái)評(píng)估樓宇的能耗，即[t∈[1，8760]]，其中24*356=8760。我們假設(shè)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上每個(gè)環(huán)節(jié)的用能損耗近L年服從正態(tài)分布，那么我們有8760個(gè)相互獨(dú)立的服從正態(tài)分布的隨機(jī)事件，[emnt～N（μmnt，σmnt）]。當(dāng)系統(tǒng)收集近L年的數(shù)據(jù)并計(jì)算得到[μmnt]和[σmnt]后，我們可以根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)來(lái)分析時(shí)刻t樓宇m在用能環(huán)節(jié)n上的用能情況，當(dāng)某個(gè)[emnt]不在[[μmnt-2σmnt，μmnt+2σmnt]]范圍中時(shí)，我們認(rèn)為這個(gè)[emnt]是一個(gè)異常能耗設(shè)備，應(yīng)該檢修或者采用新的用能策略。

在用能策略模型中，我們采用了專家知識(shí)庫(kù)的形式，定義了若干用能策略模板。系統(tǒng)能夠在能耗診斷模型結(jié)果的基礎(chǔ)上，自動(dòng)選擇合適的用能策略模型。我們定義的策略模板有（1） 空調(diào)用能策略；（2） 風(fēng)機(jī)用能策略；（3） 水泵用能策略；（4） 照明用能策略；（5） 電梯用能策略；（6） 清潔能源用能策略（7） 其它用能策略。

2.2 雙向互動(dòng)子系統(tǒng)

雙向互動(dòng)子系統(tǒng)主要的主要功能是（1） 實(shí)現(xiàn)建筑樓宇與電力公司之間的信息交換。本系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)API接口與電力公司鏈接，獲取電力公司的相關(guān)生產(chǎn)信息。同時(shí)系統(tǒng)也提供了API接口給電力公司的內(nèi)部系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)。（2） 依據(jù)電力公司的發(fā)電計(jì)劃和檢修計(jì)劃指定樓宇內(nèi)的臨時(shí)用電策略。電力公司有時(shí)會(huì)發(fā)布局部限電和檢修計(jì)劃，這時(shí)我們的系統(tǒng)會(huì)制定相應(yīng)的計(jì)劃，并通知各個(gè)用戶。（3） 當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電力供應(yīng)缺口時(shí)，由電網(wǎng)觸發(fā)需求響應(yīng)信號(hào)，本系統(tǒng)發(fā)出對(duì)大功率用能設(shè)備的調(diào)節(jié)控制指令，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有序避峰或錯(cuò)峰，從而保證電網(wǎng)安全性。

2.3 地圖可視化子系統(tǒng)

地圖可視化子系統(tǒng)可從空間上顯示智能樓宇及其重點(diǎn)監(jiān)測(cè)用能設(shè)備的具體情況，給用戶提供了解整個(gè)樓宇用電情況的最直觀接口，使我們系統(tǒng)的特色功能之一。地圖監(jiān)控子系統(tǒng)還可以通過(guò)導(dǎo)航或者搜索選擇顯示所有類型或某種特定類型的用戶及用能設(shè)備，選擇某個(gè)接入用戶或某個(gè)用能設(shè)備，進(jìn)入具體展示相應(yīng)的用能監(jiān)測(cè)、用能分析、用能報(bào)表、節(jié)能服務(wù)、雙向互動(dòng)等界面。

地圖可視化子系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)的功能有：（1） 三維地圖展示：包括三維地圖的基本功能：地圖放大、地圖縮小、地圖移動(dòng)、三維模型展示等。（2） 用戶、設(shè)備搜索及定位：通過(guò)名稱搜索地圖上的樓宇、廠區(qū)、小區(qū)等用能對(duì)象，搜索完成后可以三維地圖上進(jìn)行定位。定位完成后可以進(jìn)一步對(duì)用戶、設(shè)備等用能情況進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)，通過(guò)地圖監(jiān)測(cè)展現(xiàn)用戶靜態(tài)信息及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。（3） 地圖空間查詢：將樓宇用能業(yè)務(wù)對(duì)象在地圖上疊加顯示為業(yè)務(wù)圖層，可以直接在地圖上進(jìn)行選擇，查看其用電、能耗等信息。（4） 圖層控制：對(duì)三維地圖上的樓宇業(yè)務(wù)對(duì)象圖層進(jìn)行控制其顯示和隱藏，方便用戶進(jìn)行操作。（5） 異常告警定位：在其他功能有告警信息時(shí)，將信息推送到地圖，直接在地圖上進(jìn)行定位，并且進(jìn)行閃爍展示。（6） 用能數(shù)據(jù)展示：在地圖可視化平臺(tái)中以不同的符號(hào)樣式、標(biāo)注樣式顯示用戶及用能設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)等。

地圖可視化子系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：（1） 2.5維軟件平臺(tái)：由于樓宇中三維地圖場(chǎng)景范圍不是很大，對(duì)三維平臺(tái)的性能要求一般，所以為了節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，我們使用了2.5維地圖，提高訪問(wèn)速度和體驗(yàn)，降低成本。（2） 圖表結(jié)合：系統(tǒng)將地圖上的業(yè)務(wù)對(duì)象和采集平臺(tái)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行掛接，使地圖和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接。

地圖可視化子系統(tǒng)界面如下圖所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的有效性，我們已經(jīng)將智能節(jié)電系統(tǒng)部署在了天津?yàn)I海動(dòng)漫園大廈。圖3顯示了我們系統(tǒng)在動(dòng)漫園大廈上節(jié)能實(shí)施運(yùn)行的結(jié)果。通過(guò)我們的系統(tǒng)，我們?cè)?013年5月就為動(dòng)漫大廈節(jié)能75KWH。圖4顯示了系統(tǒng)的能耗診斷子系統(tǒng)對(duì)動(dòng)漫大廈各個(gè)耗能環(huán)節(jié)的評(píng)估情況。通過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)，用戶可以直接的檢測(cè)建筑樓宇內(nèi)各個(gè)耗能設(shè)備，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提高能源使用效率。

4 總結(jié)

城市中高層樓宇增加是城市內(nèi)用電量上升的重要因素之一。已有的樓宇節(jié)電管理系統(tǒng)僅僅使用啟發(fā)式規(guī)則對(duì)樓宇的用能系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制及整合，實(shí)際運(yùn)行效果不佳。該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于數(shù)據(jù)分析的建筑樓宇智能節(jié)電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于（1） 監(jiān)控、管理建筑樓宇內(nèi)部所有用能設(shè)備的工作信息，為節(jié)電數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。（2） 使用雙向互動(dòng)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建筑樓宇與電力公司之間的信息交換，解決信息孤島問(wèn)題。（3） 使用回歸模型等數(shù)據(jù)挖掘方法分析用戶用電模式，找到用戶能源損耗的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為用戶提供最佳的節(jié)點(diǎn)策略。（4） 使用2.5D地圖子系統(tǒng)，使得用戶對(duì)樓宇和自身用能情況一目了然。

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