淺析信息技術(shù)在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用與實施

張俊，劉慧明，陳淑紅

（浙江慧控科技有限公司）

1 系統(tǒng)背景

當(dāng)今，能源在人類社會中扮演的角色日益重要，各類水、電、氣設(shè)備與分類能耗是工業(yè)設(shè)施、社會基礎(chǔ)設(shè)施、各類建筑建設(shè)投資和日常運營成本的主要構(gòu)成部分，設(shè)計一套能源管理系統(tǒng)，合理布局能源設(shè)施配置和管控功能可以顯著提高設(shè)施與能源利用效率并降低成本[1]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

1）能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)計一套能源管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

2）能源管理系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對建筑的電力、燃?xì)饧八雀鞣诸惸芎臄?shù)據(jù)進行采集、處理，并分析建筑能耗狀況。

3）系統(tǒng)依靠建筑能源模型作為運行核心。

4）數(shù)據(jù)采集層采用符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的建筑能源采集終端，統(tǒng)一采集電能量表、水表等能量計量表計，并通過通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定地傳輸?shù)侥茉幢O(jiān)管中心。

5）通過能源采集數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，與系統(tǒng)內(nèi)各能源采集終端進行實時數(shù)據(jù)通信，完成對系統(tǒng)內(nèi)能源采集終端的管理，同時，采集數(shù)據(jù)服務(wù)平臺為實時信息組件提供數(shù)據(jù)支撐。

6）通過核心的實時信息組件，及時完成數(shù)據(jù)存儲和統(tǒng)計分析計算，并將計算結(jié)果存儲至關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。

7）將數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息映射成上層業(yè)務(wù)易理解、易操作的對象。

8）以能源模型為核心，實現(xiàn)可擴展、可配置的應(yīng)用界面和用戶交互，實現(xiàn)靈活多變的應(yīng)用環(huán)境。

9） 基于建筑能源計量管理系統(tǒng)平臺、圖形化組件和實時信息組件，實現(xiàn)能源監(jiān)控、能源監(jiān)管與結(jié)算以及能源評價等應(yīng)用子系統(tǒng)。

10）能源計量管理系統(tǒng)應(yīng)提供通用標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議(Web Services、Modbus、OPC等)供3D能效管理平臺集成[2]。

3 系統(tǒng)作用

1）能源信息的采集、存儲、管理

能源管理系統(tǒng)對能源數(shù)據(jù)進行分析、處理和加工，能源調(diào)度人員和專業(yè)能源管理人員就能實時掌握系統(tǒng)狀態(tài)，經(jīng)過系統(tǒng)的合理調(diào)整，確保系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。

2）對能源系統(tǒng)采用分散控制和集中管理

能源管理系統(tǒng)將在公司全局角度審視能源的基本管理需求，滿足能源工藝系統(tǒng)分散特性和能源管理需要集中的客觀要求，以適應(yīng)建筑群的戰(zhàn)略發(fā)展需要。

3）建立客觀能源消耗評價體系

實現(xiàn)在信息分析基礎(chǔ)上的能源監(jiān)控和能源管理的流程優(yōu)化再造，滿足能源設(shè)備管理、運行管理等的自動化，建立客觀的以數(shù)據(jù)為依據(jù)的能源消耗評價體系，向管理要效益。

4）能源系統(tǒng)運行成本控制

能源管理系統(tǒng)的建設(shè)，對能源管理體制的改革將發(fā)揮重要作用。其基本目標(biāo)之一是可以實現(xiàn)簡化能源運行管理，減少日常管理的人力投入，節(jié)約人力資源成本，提高勞動生產(chǎn)率。

5）系統(tǒng)的故障處理

能源管理系統(tǒng)能迅速從全局的角度了解系統(tǒng)的運行狀況，故障的影響程度等，及時采取系統(tǒng)的措施，限制故障范圍的進一步擴大，并有效恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。

6）能源調(diào)度和平衡指揮系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)將通過優(yōu)化能源管理的方式和方法，改進能源平衡的技術(shù)手段，實時了解建筑群的能源需求和消耗的狀況，能有效地減少水、電、氣資源浪費，提高資源回收率，采用綜合平衡轉(zhuǎn)換使用的系統(tǒng)方法，使能源的合理利用達到一個新的水平。

7）對能源數(shù)據(jù)的挖掘、分析、加工和處理

能源管理系統(tǒng)的建設(shè)，不僅可有效解決能源實時平衡管理和監(jiān)控管理，還可以通過對大量歷史數(shù)據(jù)的歸檔和管理，為進一步對數(shù)據(jù)進行挖掘、分析、加工和處理創(chuàng)造條件。

能源計量管理系統(tǒng)，采用區(qū)域權(quán)限管理方案。在系統(tǒng)中可構(gòu)建不同的權(quán)限區(qū)域，并可將用戶的權(quán)限限制到每個能源表內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。主要功能有：①可以根據(jù)建筑、單位、用能類別以及用能項等，建立多級管理權(quán)限區(qū)域；②在每個權(quán)限區(qū)域下，可以添加各種受限對象，包括數(shù)據(jù)信息、報表等；③可以在區(qū)域上建立用戶組，并為用戶組分配權(quán)限；④用戶可以在多個區(qū)域上隸屬于多個用戶組，從而在不同的區(qū)域上擁有不同的權(quán)限。

區(qū)域權(quán)限管理方案，不僅可有效解決數(shù)據(jù)的安全，還可以對新人的交接提供很好的便利。

4 系統(tǒng)功能

1）信息處理子系統(tǒng)

信息處理子系統(tǒng)的基本功能是數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。①計量數(shù)據(jù)日、月報表可根據(jù)選擇的介質(zhì)、日期查詢?nèi)?、月報表顯示月份結(jié)算數(shù)據(jù)；②各耗能單位能耗數(shù)據(jù)小時、日、月、年等時間段內(nèi)的統(tǒng)計、計算及能源結(jié)算，可以按照用戶單位、樓層、整棟建筑及組織架構(gòu)等方式查詢能耗使用情況及能源結(jié)算，支持用戶靈活配置能耗單位，對任意時間的數(shù)據(jù)，按測量點進行查詢；③提供多種專業(yè)的報表格式供用戶選擇，包括簡單列表、詳細(xì)列表、簡單組表以及詳細(xì)組表，用戶可根據(jù)需要方便的自定義報表的打印格式。

2）故障處理子系統(tǒng)

提供了包括通信中斷、傳感器短路、斷路以及用能異常等各種情況的報警功能，并記錄報警歷史數(shù)據(jù)，以備查閱。系統(tǒng)能快速查詢故障的性質(zhì)和故障定位，并通過彈出窗口、報警聲音、郵件通知和短信提醒等方式通知管理人員。

3）能源管理子系統(tǒng)

能源管理子系統(tǒng)的基本功能包括：①能源計劃管理（計劃編制、跟蹤等）；②能源實績管理（實績分析、歸檔、查詢、平衡分析、成本分析和對標(biāo)分析等）；③能源質(zhì)量管理（質(zhì)量分析、質(zhì)量跟蹤、趨勢評估和越限警告等）；④運行技術(shù)支持（運行方式管理、停復(fù)役管理和操作評估等）；⑤預(yù)測分析（在線預(yù)測決策、能耗預(yù)測分析、電力負(fù)荷預(yù)測等）。

5 案例解析

某辦公大樓及工業(yè)園區(qū)企業(yè)分散，綜合管理長期困擾物業(yè)。利用高科技信息技術(shù)作為平臺，綜合新技術(shù)、新工藝、配套技術(shù)和管理措施，形成安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟和高效的能源管理系統(tǒng)。

5.1 用電監(jiān)測

1）查詢權(quán)限范圍內(nèi)任一電量表的實時電量，顯示該電量表信息和24h的電能用量，包括電表地址、電表編號、用電類型、用電性質(zhì)、隸屬機構(gòu)、安裝地址、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)前電量。

2）顯示權(quán)限范圍耗能單位年累積量、當(dāng)月累積量、即時用電功率、總有功、無功電量，最大和最小功率。

5.2 用水監(jiān)測

1）查詢權(quán)限范圍內(nèi)各水表的實時水量，顯示設(shè)備信息和24h的水資源用量，包括水表地址、水表編號、用水類型（普通用水）、用水性質(zhì)（生活用水）、隸屬機構(gòu)、安裝地址、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和實抄水量。

2）顯示權(quán)限范圍內(nèi)耗水單位年累積流量、當(dāng)月累積流量、瞬時用量。

3）提供多種專業(yè)的報表格式供用戶選擇，包括簡單列表、詳細(xì)列表、簡單組表和詳細(xì)組表，用戶可根據(jù)需要方便的自定義報表的打印格式。

5.3 能耗對比分析

1）分類分項小時、日、月能耗對比；

2）分類分項能耗月同比：可消除季節(jié)變動的影響，用以說明本期能耗發(fā)展水平與去年同期發(fā)展水平對比而達到的相對發(fā)展速度，如本期2月比去年2月，本期6月比去年6月等；

3）能耗月環(huán)比：以選擇的時間月份為基準(zhǔn)，計算各月與前一個月對比，即2月比1月，3月比2月，4月比3月，…，12月比11月，說明逐月的能耗發(fā)展程度，比較周期采取最近12個月的分類分項能耗；

4）指定時間內(nèi)，不同耗能單位、表計之間的對比見圖2、圖3、圖4和圖5；

5.4 管理層能耗監(jiān)管

管理層是建筑能耗計量管理的決策機構(gòu)，其功能包括以下幾個方面：

1）可查看建筑總能耗值；

2）可選擇所有耗能單位，查看建筑各耗能單位能耗匯總；

3）可查看建筑各個分類能耗；

4）可查看建筑各耗能單位分類能耗；5）可查看匯總能耗報表數(shù)據(jù)；

6）各耗能單位中各類各項能耗占總能耗的比例和對比。

5.5 硬件設(shè)備技術(shù)要求

1）智能電表

圖2 相同起始時間的數(shù)據(jù)對比報表示意圖

圖3 不同起始時間的數(shù)據(jù)對比曲線示意圖

圖4 2009年與2010年用電量對比柱狀示意圖（按月）

圖5 相鄰年同月用電量對比分析圖

具有RS485接口，RS485通信要滿足DT/L 645—1997《多功能電表通信規(guī)約》（以下簡稱DT/L 645—1997）、DT/L 645—2007《多功能電表通信協(xié)議》（以下簡稱DT/L 645—2007）、Modbus要求，紅外接口的電氣和機械性能應(yīng)滿足DL/T 645—2007中的相關(guān)要求；相關(guān)技術(shù)參數(shù)包括：①額定頻率：50Hz；②功率消耗：電壓線路≤2W和10VA，電流線路≤0.6VA；③工作電壓范圍：（70%～120%)Un；④工作溫度：－30～＋50℃；⑤極限工作溫度：－40～＋60℃；⑥相對濕度：≤85%。

2）智能遠傳水表

通信接口形式為RS485接口，采用M-Bus協(xié)議或符合CJ/T 188—2018《戶用計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》（以下簡稱CJ/T 188—2018）的規(guī)定；具有斷電數(shù)據(jù)保護功能，當(dāng)電源停止供電時，冷熱量計表能保存所有數(shù)據(jù)，恢復(fù)供電后，能夠恢復(fù)正常計量功能；技術(shù)參數(shù)包括：①溫度測量范圍：0～90℃，分辨率0.01℃；②溫差范圍：4～95℃；③監(jiān)測參數(shù)：供回水溫度、累積流量、累積計冷（熱）量和瞬時流量等；④使用環(huán)境溫度：0～＋50℃；⑤相對濕度：≤90%（無結(jié)露）；⑥供電電源：AC220V（交流電），50Hz。

3）能源數(shù)據(jù)采集器

高速的ARM9處理器；10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，2kV電磁隔離；支持靜態(tài)或動態(tài)IP獲??；獨立的Console串口，RS232電平；4～8個RS485工作串口，15kV ESD（靜電釋放）保護；RS485工作串口的波特率：1200～115 200bps；RS485工作串口的校驗為：無、奇、偶可設(shè)定；RS485工作串口的數(shù)據(jù)位：7、8、9可設(shè)定；內(nèi)嵌大容量存儲介質(zhì)(2GB)，支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng)；內(nèi)置硬件看門狗；蜂鳴器報警提示；硬件恢復(fù)缺省網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；電壓范圍9～24V直流；系統(tǒng)功耗低，全速允許功耗小于8W；工作溫度：-20～+70℃；濕度：5%～95%，無凝露；堅固的金屬外殼；專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計，提供軌道附件（Din Rail）。

4）完善的功能

自動恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連接，建立可靠的TCP（傳輸控制協(xié)議）連接；支持同時與4個服務(wù)器連接和通信的功能；RS485串口波特率可設(shè)置為1200～115 200bps的常用值；支持對多種類型用能計量裝置的數(shù)據(jù)采集，包括電能表（含單相電能表、三相電能表、多功能電能表）、電力監(jiān)測儀、電量計測模塊，水表、燃?xì)獗怼⒗錈崃坑?、流量計等；支持多種儀表通信協(xié)議，包括Modbus-RTU協(xié)議、多功能電能表通信規(guī)約DL/T 645—1997、CJ/T 188—2018 協(xié)議等；至少支持128臺設(shè)備、600個采集點的數(shù)據(jù)采集；支持根據(jù)數(shù)據(jù)中心命令采集和主動定時采集2種數(shù)據(jù)采集模式，且采集周期可從1min至2h靈活配置。擁有2GB專用存儲空間支持至少3個月以上的用能數(shù)據(jù)備份；支持?jǐn)帱c續(xù)傳功能，由于傳輸網(wǎng)絡(luò)故障等因素未能及時將采集的能耗數(shù)據(jù)定時遠傳，待傳輸網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后數(shù)據(jù)采集器可將采集的歷史能耗數(shù)據(jù)實現(xiàn)斷點續(xù)傳。支持對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障的定位和診斷，并支持向數(shù)據(jù)中心上報故障信息的功能；配套可視化的數(shù)據(jù)服務(wù)與管理軟件。

除上述功能外，還符合《國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)》技術(shù)導(dǎo)則對數(shù)據(jù)采集器的其他功能要求。

5）靈活的配置方式

可通過WEB 瀏覽器配置系統(tǒng)和運行參數(shù)，可通過超級終端通過獨立的Console串口配置系統(tǒng)和運行參數(shù)；可通過數(shù)據(jù)采集管理軟件配置系統(tǒng)和運行參數(shù)。

6 結(jié)語

優(yōu)化能源介質(zhì)的傳輸、合理安排能源介質(zhì)的轉(zhuǎn)換、動態(tài)評估能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)，是解決能源系統(tǒng)安全運行和經(jīng)濟運行的必然要求。