電子及通信技術(shù)下的高校建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東省電子信息技工學(xué)?！±瞽偦?/p>

0　引言

我國(guó)能源消耗的三大耗能分別為工業(yè)耗能、建筑耗能及交通耗能，彰顯著建筑節(jié)能已經(jīng)成為節(jié)能的重點(diǎn)。21世紀(jì)的今天，建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)作為現(xiàn)代化社會(huì)節(jié)能減排的核心部分，更要結(jié)合實(shí)際，結(jié)合社會(huì)發(fā)展需求，對(duì)學(xué)生專業(yè)技術(shù)技能培養(yǎng)，使得學(xué)生養(yǎng)成節(jié)能的良好習(xí)慣[1]。文章主要是對(duì)高校專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況分析，對(duì)校園建筑進(jìn)行真實(shí)性的模擬，做好建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的有效檢測(cè)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)能耗降低，將計(jì)量精度提高，從根本上將校園電能的損耗降低。

1　模擬目標(biāo)項(xiàng)目和節(jié)能監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1　模擬目標(biāo)項(xiàng)目

本次模擬的高校隨著規(guī)模的的擴(kuò)大，消耗的能源巨大，能源消耗的方向主要是：學(xué)校的發(fā)展建設(shè)，提升了學(xué)校每年的用能量。如校園環(huán)境、辦公條件、科研進(jìn)度等，都提升了對(duì)能源的需求。同時(shí)，學(xué)校除了一般的教學(xué)工作外，在科技創(chuàng)新、服務(wù)社會(huì)方面也在不斷進(jìn)步，加大了能源的消耗。目前來看，高校的主要用電方面是生活用電和科研用電，且校內(nèi)部分校區(qū)內(nèi)的設(shè)備時(shí)間較長(zhǎng)，其功能老化，提升了節(jié)能管理的難度，也加重了能量消耗問題。基于此，實(shí)驗(yàn)室的模擬過程，分析大型公共建筑的基礎(chǔ)分類方法，在學(xué)校建筑的編碼過程，對(duì)子項(xiàng)編碼增加，并做好功能用途的及時(shí)應(yīng)對(duì)[2]。對(duì)于子項(xiàng)編碼的分類，如圖1所示。

圖1　子項(xiàng)編碼分類

1.2　節(jié)能監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

節(jié)能監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，往往是結(jié)合數(shù)字電表，對(duì)用電數(shù)據(jù)信息有效采集，在智能電網(wǎng)的應(yīng)用過程，結(jié)合能耗的管理，及時(shí)處理和分析用電信息[3]，并將獲得的成果提供有關(guān)用電部門。設(shè)計(jì)師就要盡可能的將投資成本減少，對(duì)已有資源充分利用。

2　高校建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

高校建筑設(shè)施能量的計(jì)量過程，需要結(jié)合數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的建筑智能控制過程。校園建筑的節(jié)能過程，結(jié)合轉(zhuǎn)換裝置，做好數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的有效性組成。關(guān)于系統(tǒng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合BS軟件架構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，做好遠(yuǎn)程的傳輸和應(yīng)用。在報(bào)表管理過程，做好數(shù)據(jù)的有效性儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的合理上傳，將校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容相關(guān)要求全面滿足[4]。校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的構(gòu)成，有計(jì)量表具、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及管理軟件構(gòu)成。系統(tǒng)要滿足能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與通訊、遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)分析和上傳等功能，同時(shí)還必須滿足校園節(jié)能監(jiān)管的相關(guān)需求。

計(jì)量類型的設(shè)計(jì)。結(jié)合節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本要求，對(duì)計(jì)量裝置分類和統(tǒng)計(jì)。因此需要將校園用電進(jìn)行劃分，通過將其分為不同的類型，依照類型的差異來配備針對(duì)性的電能計(jì)量設(shè)備。在本次模擬校園內(nèi)，將用電分為了4個(gè)類型，分別為動(dòng)力用電、空調(diào)用電、照明插座用電以及特殊用電。其中動(dòng)力用電，即為自來水和生活用水加壓、電梯等專門提供動(dòng)力服務(wù)的用電；空調(diào)則是用于空調(diào)、采暖服務(wù)等建筑物；照明即用于建筑物和照明區(qū)內(nèi)的用電；特殊用電表示的是除常規(guī)用電的類型，包括信息中心、實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者洗衣房的用電。

計(jì)量單位的劃分。模擬校園內(nèi)各建筑分布各有特點(diǎn)，計(jì)量單元的劃分要依據(jù)計(jì)量類型的不同進(jìn)行。其一，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)用電負(fù)荷，便于針對(duì)電能進(jìn)行計(jì)量和管理?；诖?，學(xué)校后勤應(yīng)該以教學(xué)區(qū)樓群的分布為基礎(chǔ)，結(jié)合樓層的特點(diǎn)，對(duì)計(jì)量單元進(jìn)行合理劃分；其二，針對(duì)院系樓、辦公區(qū)、學(xué)科的不同，進(jìn)行計(jì)量單元的劃分[5]，特別是一些細(xì)節(jié)方面，比如辦公室的差異，可考慮是否安裝剩余電流保護(hù)裝置，同時(shí)在各個(gè)樓層集中安裝數(shù)字電表，將三相數(shù)字電表安裝在群樓，可對(duì)各單元的耗能情況進(jìn)行有效掌握；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)原本就存在動(dòng)力配電箱，因此可為室內(nèi)的動(dòng)力裝置和空調(diào)提供電能，可通過將室內(nèi)的插座和照明負(fù)荷接入到動(dòng)力配電箱內(nèi)，同時(shí)在不同的樓層中安裝三相和單相數(shù)字電表，并在樓群中設(shè)置三相數(shù)字電表，從而改造該部分的電路。以實(shí)驗(yàn)室公共部分的用電情況為基礎(chǔ)，分開進(jìn)行計(jì)量；其三，對(duì)學(xué)生宿舍、教學(xué)生活以及服務(wù)實(shí)體進(jìn)行劃分，其中學(xué)生的各個(gè)宿舍內(nèi)安裝了計(jì)量裝置，在設(shè)計(jì)過程中，需要將三相數(shù)字電表安裝其中，可對(duì)原有設(shè)施的用電情況進(jìn)行計(jì)量，同時(shí)向用電管理中心傳輸用電數(shù)據(jù)；同時(shí)也應(yīng)將三相數(shù)字電表安裝在禮堂、餐廳等位置。

3　硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)

3.1　硬件設(shè)計(jì)

1)硬件結(jié)構(gòu)。要保證系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的合理性，及時(shí)的改進(jìn)整體結(jié)構(gòu)?；诖?，校園的節(jié)能檢測(cè)確定采用集散控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中有3個(gè)部分，即采集設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、管理中心。在管理中心部分，將其連接在校園網(wǎng)上采用的協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，其中的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)是重點(diǎn)，主要作用是結(jié)算用電費(fèi)用和統(tǒng)計(jì)用電信息，以及考核電量平衡、網(wǎng)損和線損；數(shù)字電表的接口方式采用的是異步半雙工RS485接口，便于自動(dòng)化通信，同時(shí)在該接口下各個(gè)職能電表網(wǎng)關(guān)都能夠接入到256x128臺(tái)數(shù)字電報(bào)中[6]，且通信方式依照的是Modus-RUT協(xié)議。架設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)使用的結(jié)構(gòu)為雙絞線結(jié)構(gòu)，該形式的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)適用；整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)便是采集現(xiàn)場(chǎng)電能信息，而該部分的構(gòu)成有數(shù)字電表與斷路器，其中在不同的房間、樓中以及樓層的配電柜內(nèi)都有數(shù)字電表，借助于電表網(wǎng)關(guān)與校園連接。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2)硬件評(píng)估。對(duì)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面評(píng)估，在設(shè)計(jì)過程中要明確節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)；智能電表網(wǎng)關(guān)的通信方式較多，且傳輸數(shù)據(jù)信息的過程中，主要結(jié)合了無(wú)線和有線兩種形式，對(duì)可靠性的用電信息傳輸進(jìn)行全面保障[7]。智能電表網(wǎng)的數(shù)據(jù)有效性采集，結(jié)合不同計(jì)量設(shè)備的形式，保證有著穩(wěn)定的工作狀態(tài)。數(shù)字電表以星形的形式與位于網(wǎng)關(guān)中的數(shù)字采集器進(jìn)行連接，使用這種結(jié)構(gòu)工作性能較為穩(wěn)定，同時(shí)若有大量數(shù)字電表接入，還可以將可變波特率、尋址以及沖突等問題合理地解決；一般來說，數(shù)字電表類型的差異，其使用的串口參數(shù)以及通信協(xié)議也會(huì)存在差異，無(wú)論是哪種類型的數(shù)字電表都可被智能電表網(wǎng)關(guān)接入，而且不影響各個(gè)端口的正常工作。

3.2　軟件設(shè)計(jì)

1)軟件體系。在節(jié)能檢測(cè)系統(tǒng)中，將服務(wù)對(duì)象采用應(yīng)用功能不同進(jìn)行分類。在設(shè)計(jì)過程中，要注重搭建服務(wù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)框架，之后便可在其中加載各種服務(wù)對(duì)象。管理平臺(tái)可利用多種技術(shù)不斷更新框架中的數(shù)據(jù)，達(dá)到節(jié)能的目的。

2)軟件構(gòu)成。軟件的功能需要滿足對(duì)數(shù)據(jù)的采集、解析、處理，且分項(xiàng)結(jié)算服務(wù)，同時(shí)要滿足數(shù)據(jù)采集通信。關(guān)于建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件組成，如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)接收軟件的流程圖

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，在分項(xiàng)能耗結(jié)算服務(wù)的過程，做好智能電表網(wǎng)數(shù)據(jù)包的有效存儲(chǔ)，并應(yīng)用Socket協(xié)議將其實(shí)現(xiàn)[8-10]。在智能電網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包的讀取過程，做好結(jié)構(gòu)化的記錄過程，將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)讀出，并保證有著準(zhǔn)確性的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)能耗日志的記錄。

4　系統(tǒng)安全性及用戶權(quán)限設(shè)置

4.1　系統(tǒng)登陸權(quán)限設(shè)計(jì)

系統(tǒng)登陸權(quán)限的安全性主要是鑒別操作人員的身份，并采用角色訪問控制，確定使用者的權(quán)限。在鑒別身份時(shí)，操作人員輸入登陸的用戶名、密碼，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)；若在數(shù)據(jù)庫(kù)中有相關(guān)信息，則可通過身份，操作人員即可進(jìn)入系統(tǒng)主界面；在確定使用者權(quán)限時(shí)，根據(jù)用戶職位、責(zé)任的差異，被指定為不同的角色，以實(shí)現(xiàn)分離用戶和相對(duì)應(yīng)的權(quán)限。在該系統(tǒng)權(quán)限控制策略中，系統(tǒng)管理員會(huì)對(duì)管理權(quán)限進(jìn)行統(tǒng)一分配，用戶在通過角色后，才具備了相關(guān)權(quán)限，繼而進(jìn)行操作。

4.2　數(shù)據(jù)庫(kù)的安全設(shè)計(jì)

1)SQL Server的安全賬戶認(rèn)證模式。主要有兩種，分別是Windows認(rèn)證模式、混合SQL Server認(rèn)證模式。從本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性來看，選取的認(rèn)證模式為混合式。通過Windows操作系統(tǒng)，來判斷賬號(hào)的可信性，如果連接為可信，則會(huì)直接通過身份驗(yàn)證；若不可行，則會(huì)在SQL Server自動(dòng)通過賬戶與密碼進(jìn)行再次驗(yàn)證。

2)定期備份數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的安全需要備份機(jī)制與恢復(fù)機(jī)制。數(shù)據(jù)庫(kù)的備份方式較多，如事務(wù)日志備份、增量備份、數(shù)據(jù)庫(kù)文件備份、完全數(shù)據(jù)備份。在該系統(tǒng)中，采用的為自動(dòng)定期備份的方式。

4.3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸安全設(shè)計(jì)

采用的認(rèn)證技術(shù)為VPN技術(shù)與CA安全認(rèn)證技術(shù)。其中VPN技術(shù)即虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，是在公共網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建的專用網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，涉及到的技術(shù)主要有使用者和設(shè)備身份認(rèn)證技術(shù)、密鑰管理技術(shù)等。系統(tǒng)通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，便可保障用戶數(shù)據(jù)的安全。此外系統(tǒng)還通過CA安全認(rèn)證體系，以數(shù)字證書技術(shù)，對(duì)所有資源、數(shù)據(jù)以及業(yè)務(wù)的訪問權(quán)限進(jìn)行控制，使得數(shù)據(jù)傳輸更加安全。

5　節(jié)能目標(biāo)的預(yù)測(cè)

基于節(jié)能目標(biāo)的預(yù)測(cè)，對(duì)不同用電運(yùn)行模式采用，進(jìn)而對(duì)節(jié)能工作計(jì)劃制定，將供電設(shè)備維護(hù)全面加強(qiáng)，并將成本控制進(jìn)行優(yōu)化。在該系統(tǒng)節(jié)能的應(yīng)用過程，結(jié)合節(jié)能目標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，該體系的節(jié)能過程，能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20%，系統(tǒng)應(yīng)用之后，節(jié)約用電約為2200萬(wàn)kWh。這一節(jié)能過程，不僅僅將學(xué)校用電成本開支有效節(jié)省，同時(shí)也推動(dòng)了現(xiàn)代化高校節(jié)約型校園的建設(shè)和發(fā)展。

6　結(jié)束語(yǔ)

在高校建筑節(jié)能檢測(cè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用前提下，以及通過實(shí)訓(xùn)平臺(tái)對(duì)各項(xiàng)能耗進(jìn)行檢測(cè)，能夠發(fā)掘?qū)W校師生對(duì)校園節(jié)能的意識(shí)，并從理論層次上升到實(shí)踐層次上?？傊?，高校建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用電子通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式下能耗監(jiān)測(cè)結(jié)果，不僅將學(xué)生鉆研專業(yè)技術(shù)的潛能激發(fā)，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生節(jié)約用能的良好習(xí)慣?；陔娮油ㄐ偶夹g(shù)下的高校建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化用電管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了能源的節(jié)約。高校是當(dāng)前社會(huì)上用電大戶之一，在節(jié)能方面應(yīng)積極構(gòu)建節(jié)約型校園，加大對(duì)節(jié)能建設(shè)的投入，以更為科學(xué)的方式判斷節(jié)能效率。通過節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)當(dāng)前用電的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，及時(shí)看清用電過程中的不合理之處，并針對(duì)性地進(jìn)行解決，真正做到節(jié)約能源，促進(jìn)高校的可持續(xù)發(fā)展。

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