公共建筑用電能耗的數據采集技術研究＊

劉暢，張永堅，李然然

（山東建筑大學 信息與電氣工程學院 山東省智能建筑技術重點實驗室，濟南 250101）

劉暢（碩士生），主要從事信息處理與智能系統的研究。

引 言

建筑能耗是我國能源消耗的主要組成部分，也是節約能源的重要領域。在建筑能耗中，國家機關辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問題日益突出。做好國家機關辦公建筑和大型公共建筑的節能工作具有重要意義［1］。“建筑節能、數據先行”，必須準確提供我國建筑物所消耗終端能源的具體數據，才能準確地描述我國建筑能耗的特點，有效地控制建筑能耗［2－4］。而先進實用的公共建筑能耗數據采集技術是獲得準確數據的保證，在整個建筑能耗監測平臺中起著至關重要的作用。

1 我國公共建筑用電能耗特點

據統計，國家機關辦公建筑和大型公共建筑總面積不足城鎮建筑總面積的4%，占全國城鎮總耗電量的22%，每平方米年耗電量是普通居民住宅耗電量的10～20倍，是世界上發達國家同類建筑的1.5～2倍，不合理用能占建筑用能總量的20%～30%［6－7］，能耗巨大，能源利用效率低，與一般住宅民用建筑相比，具有能耗高、節能潛力大、社會影響力大等特點。

國家機關辦公建筑和大型公共建筑的建筑運行能耗主要為除采暖能耗外的照明能耗、空調與通風能耗、辦公設備能耗、建筑設施能耗（如電梯、給排水設備等）和其他輔助設備能耗，其中大約50%～60%能源消耗于空調制冷與采暖系統，20%～30%用于照明［8］。從能源分類的角度分析，用電能耗占的比重較大，冷熱量的消耗最終也可以歸結為電能的消耗［5－7］。

2 公共建筑用電能耗的分項

分項能耗是指根據國家機關辦公建筑和大型公共建筑消耗的各類能源的主要用途劃分，進行采集和整理的能耗數據。由參考文獻［8］可知，在分類能耗中，電量應分為4項分項，包括照明插座用電、空調用電、動力用電和特殊用電。電量的4項分項是必分項，各分項可根據建筑用能系統的實際情況靈活細分為一級子項和二級子項，是選分項。其他分類能耗不應分項。建筑物用電能耗具體分項情況如圖1所示。

圖1 建筑物用電能耗分項圖

3 公共建筑用電能耗數據的采集

大型公建功能復雜，系統繁多，只對一座建筑的總用電能耗進行計量，很難分清各個用能系統的實際能耗情況，也沒有真正實現“以用能數據為導向的節能”，因此必須對建筑能耗進行分項計量［8－10］。本文采用的方法是，按照上述分項情況在適當的分項回路上裝設電表，數據采集器直接采集各支路的電表數據來獲得分項電耗。

3.1 建筑能耗數據采集系統框架

建筑物內能耗數據采集系統由監測建筑中的各計量裝置（本文主要是電表）、數據采集器和建筑物上位機軟件組成，如圖2中虛線框內所示。系統結構遵循分散采集、集中管理的原則，在功能上由監測層和管理層兩個網絡結構組成。監測層為工業總線結構，負責能耗數據采集和現場設備的運行狀態監控及故障診斷；管理層為以太網結構，負責數據存儲、數據處理、數據傳輸以及本建筑物監測網絡運行管理。

圖2 數據采集系統結構框圖

數據采集器（數據采集網關）通過在用能末端安裝的具有數據通信功能的計量裝置來采集分項用能數據，再將分項能耗數據依靠通信媒介傳輸給建筑物內上位機進行進一步的分析統計，或依靠互聯網等直接將原始數據傳遞到數據中心。

3.2 數據的采集

為了達到標準計量的技術要求，各計量裝置均采用支持標準Modbus協議和DL／T645協議（多功能電表通信規約）的標準計量裝置。

數據采集器在數據采集的過程中起著關鍵的作用，本質上起著數據采集網關的作用。本研究采用ARM Cortex－M3及一些外圍電路搭建了一個建筑能耗數據采集平臺，其基本結構框圖如圖3所示，包括數據采集模塊、存儲模塊、傳輸模塊、顯示模塊和處理模塊。本文主要介紹數據的采集和傳輸。

圖3 數據采集平臺結構框圖

按照參考文獻［8］的要求，一臺數據采集器支持32臺計量裝置，支持根據數據中心命令采集和主動定時采集兩種數據采集模式，采集周期為15min。硬件電路上設計了RS485／RS232／CAN等多種通信接口，采集器與計量裝置之間可采用RS485／RS232／CAN總線等多種通信模式。計量裝置和數據采集器之間采用主—從結構的半雙工通信方式。從機在主機的請求命令下應答，數據采集器是通信主機，計量裝置是通信從機。采集到的原始數據及時存儲在采集器的SD卡內，保證數據的完整性。

采集器與建筑物內上位機也可采用RS485／RS232／CAN總線等多種通信模式，上位機對采集器內數據的讀取分為實時在線讀取當前數據和強制讀取歷史數據兩種方式。正常運行情況下默認為第一種方式，命令內容包括設備號（采集器號）、功能號（實時讀取）、數據個數（電表個數）、時間（年／月／日／時／分／秒）具體數據（表1～32）、校驗碼，采集器收到命令后返回相應數據。當上位機停電或關機一段時間再重新工作后，可采用第二種方式讀取存儲卡中的歷史數據，可按照要求分時段分表讀取，通信內容除功能碼外與實時讀取時相同。當數據采集器無數據可發時就發出數據發送雙方規定好的結束命令，等待下一次的讀取命令。

公共建筑用電能耗監測的關鍵在于分項計量，為實現電量分項采集，區分各電表的分項和回路，要在上位機內對各電表進行信息配置。根據國家建設部規定的能耗編碼規則［10］和圖1的具體分項，在上位機內規定各電表的終端信息，即電表所在的分項和回路的編碼。各電表的原始數據按照規定發送到指定的位置并進行顯示，方便上位機將數據按分項信息歸類存儲，具體格式如表1所列，編碼為十六進制數。如，當終端信息為｛20B1B2｝時即表示第32號表—空調用電—冷熱站—冷卻泵—2號回路。

表1 終端信息格式

如果電表所在回路發生變化，通過上位機發送更改命令，對該電表進行終端信息配置更改。

數據采集器程序的主流程如圖4所示。

圖4 數據采集器程序主流程

上位機軟件將原始數據分項顯示并進行處理。上位機軟件使用VB編程設計，能夠對原始進行簡單的分析處理，能夠實時顯示照明插座用電、空調用電、動力用電、特殊用電4個分項的數據，每個分項有32塊表，共128塊表。此外還可以修改密碼、設置模塊采集時間，并可查詢每個分項及總用電量的日（月／年）趨勢圖、柱狀圖、餅狀圖。

3.3 數據的集中遠傳

數據采集器除了將所采集的分項數據定時傳輸給建筑物內上位機之外，還應將采集到的能耗數據通過TCP／IP協議進行定時遠傳，一般規定分項能耗數據每15min上傳1次，不分項的能耗數據每1h上傳1次。

數據遠傳使用基于IP協議的數據網絡，在傳輸層使用TCP協議。數據遠傳時數據中心建立TCP監聽，數據采集器不啟動TCP監聽，數據采集器發起對數據中心的連接，TCP建立后保持常連接狀態不主動斷開，數據采集器定時向數據中心發送心跳數據包并監測連接的狀態，一旦連接斷開則重新建立連接。TCP連接建立后，數據中心應對數據采集器進行身份認證。數據采集器和數據中心中間傳輸的數據和命令應進行加密，身份驗證完成后，數據中心通過心跳包對數據采集器進行授時，并校驗數據采集模式。

結 語

本課題利用數據采集、傳輸等技術，通過對用電能耗的分項計量，獲取大量而細致的建筑能耗數據，可以準確獲得建筑物的時耗電量、天耗電量等，有利于總結大型公共建筑的用電規律和特點，揭示大型公共建筑耗電量巨大的原因，明確節能潛力所在。同時，為加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能控制和運行管理提供可靠的數據支持。

［1］建設部.關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能管理工作的實施意見，2007.

［2］陳梅，張永堅，牛祺飛.公共建筑能耗監測系統研究［J］.電子測量與儀器學報，2009（增刊）：167－170.

［3］杜冰，盧迎華.大型公共建筑節能存在的問題與對策探析［J］.價值工程，2010，29（21）：94－95.

［4］Bumpei Magori，Tomonari Yashiro.Building energy monitoring system［D］.Tokyo：University of Tokyo，2008.

［5］鄭明明，陳碩.建筑能耗檢測平臺的研究［J］.智能建筑與城市信息，2009，155（10）：53－55.

［6］王立雷，梁俊強，刁乃仁.基于能耗統計數據庫的能耗評測方法研究［J］.山東建筑大學學報，2010（2）：109－113.

［7］張永堅，聶玉慶，賈魯峰.公共建筑能耗監測系統設計與標準化集成［J］.工程設計與計算機技術，2010（增刊）：273－277.

［8］建設部.國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據傳輸技術導則，2008.

［9］清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2010［M］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［10］建設部.國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據采集技術導則，2008.