“互聯網+”建筑能源管控系統設計與實現

鄭貴林，張 麗，遲進武

（1.武漢大學 動力與機械學院，武漢 430072；2.武漢大學 基建管理部，武漢 430072）

國內智慧建筑大多采用控制節能技術，主要由樓宇自動化系統（BAS）來實現，根據工程經驗[1-2]，BAS系統可為建筑節能20%左右。然而據統計，國內80%以上的智慧建筑BAS系統僅作為設備狀態監視和自動控制使用[3]，節能效果難以發揮。因此，研究以智能負荷控制器為電氣控制與管理終端，應用無線網絡技術、智能用電管理技術、傳感器測量與保護技術、現代通信技術和DSM互動技術，實現對建筑的能源消耗過程精細化管理，達到節能和舒適生活并舉的目的，意義深遠而重大。為使建筑物內的每一個用電負荷都成為能源管控系統的測控元素，實現對建筑物內所有能源狀況的能耗監測、調度、分析和預測等，本文在“互聯網+”時代背景下，提出以智能負荷控制器為管控節點，構建智慧建筑能源管控系統的實現方案。實際應用表明，該系統不僅可以對大功率負載實現控制和管理，而且可以精細控制與管理每一個用電設備（如空調、照明、插座、各種電器等），同時，配合智能負荷控制器附屬的PLC功能，通過無線網絡，實現建筑內的水、氣、安防、消防、門禁等的同步監測與管理，在更高系統集成的層次之上，達到知能、用能、節能的目標。

1 能源管控系統的關鍵技術

1.1 技術體系架構

能源管控系統的關鍵是實現電力能耗的同步、在線、動態監測和精細化的負荷優化控制、調度與管理，稱為需求側管理技術[4]，即DSM（demand side management）。智慧建筑必須突破傳統建筑的電氣體系，使用戶和管理者能夠信息對稱、同步清晰了解居家、辦公或商廈的電氣耗能過程、耗能狀態和耗能費用，構建安全、友好、經濟的用電環境。本文構建的智慧建筑能源管控系統，主要實現以下關鍵技術，具體如圖1所示。

圖1 能源管控系統關鍵技術體系Fig.1 Key technology of energy management and control system

1.2 核心終端技術

能源管控系統的核心，是對用電負載的全面智能化控制和透明化管理。智能負荷控制器是構建能源管控系統的關鍵節點和核心技術產品，它可以電氣連接建筑內的每一個用電負荷并使之成為能源管控系統的測控元素，通過后臺監控與管理軟件和智能終端App，實現對各種用電設備的遠程控制和智能控制，從而完成對建筑物內所有能源狀況的能耗監測、調度、分析和預測。

ST系列智能負荷控制器，專門針對能源管控系統而開發，屬自主研發產品。該系列產品主要包括三相電動機控制器（ST-SMC）、三相智能負荷控制器（ST-SRC）、單相四通道智能負荷控制器（ST-SRLC-4）和單相十通道智能負荷控制器（ST-SRLC-10），下面將從電氣原理和控制功能上加以說明。

1.2.1 電路結構和功能

ST系列智能負荷控制器，基于交流過零點專利技術而設計[5]，內嵌微功耗CPU，集成TCP/IP協議，支持 RS485、CAN、ZigBee、WiFi通信方式，具有無電弧、長壽命、低功耗等特點，其內部電路原理和功能如圖2所示。智能負荷控制器完成一次負荷保護的動作時間僅為一個電力周波，即20 ms，所以可有效杜絕電氣事故及其帶來的消防隱患。

圖2 智能負荷控制器內部電路示意Fig.2 Internal circuit structure diagram of SRLC

1.2.2 電氣原理

ST系列智能負荷控制器，通過嵌入的微處理器系統，對輸入、輸出的電氣開關進行精確測控，實現用電負荷的分配和管理，并依據設定的程序完成對數字輸入量和輸出量的PLC管控。其中，ST-SMC可以實現對電動機的動態測控及正轉、反轉、保護、控制、測量；ST-SRC可以實現三相交流大單通道供電和大功率負載的用電控制，STSRLC-4和ST-SRLC-10可以實現單相四通道、十通道供電和用電控制，并且各級控制器之間可以進行級聯和擴展。下文以三相電動機智能控制器（STSMC）和單相十通道智能負荷控制器（ST-SRLC-10）為例，說明三相電和單相電接入時的接線原理，其它2種控制器原理相似，不再贅述。ST-SMC和STSRLC-10控制電機和用電負載的電氣接線原理如圖3、圖4所示。

圖3 ST-SMC控制電機正反轉原理Fig.3 Schematic of the motor and reversing control by ST-SMC

圖4 ST-SRLC-10電氣控制原理Fig.4 Electrical principle diagram of ST-SRLC-10

圖5 能源控制系統架構Fig.5 Frame of energy management and control system

2 能源管控系統的設計與實現

2.1 系統整體架構

本文以ST系列智能負荷控制器為設計的關鍵單元，配合智能電表、數據采集器、數據集中器、通信服務器、計算機主站服務器等，完成對現場用電負荷的數據采集、數據處理和信息通信，達到對建筑內用電負荷的精細化控制和管理的目的。系統的整體架構如圖5所示，根據所實現的功能不同，主要劃分為數據管理層、網絡通信層、現場設備層、控制對象層4部分，各層負責不同功能，每一層為其下一層提供服務[6-9]。

2.1.1 數據管理層

數據管理層主要由系統服務器、工作主站計算機和數據管理軟件等組成。該層是能源管控系統的監控中心，工作主站計算機通過通信模塊與智能負荷控制器、智能電表等設備進行數據通信，通過數據管理軟件完成海量數據的存儲、采集和處理，同時可對數據處理結果進行分析和統計，為工作人員提供決策參考。系統服務器帶有WEB功能，不論是管理人員還是用戶，都可以通過Internet遠程訪問系統網頁，實時監測和查看建筑內負荷的能耗情況。用戶也可以通過智能手機、iPad等，隨時隨地對各種電器、燈具、電機等相關負載進行遠程控制和智能控制，使整個耗能過程透明化。

2.1.2 網絡通信層

網絡通信層主要由通信服務器、通信設備模塊和數據集中器組成。該層主要實現各數據采集器與數據集中器、數據集中器與工作主站計算機之間的通信，主要由CAN總線或RS485總線來完成數據傳輸。數據集中器負責快速、準確、及時地收集各個采集器的數據，然后將采集的數據轉發給主站計算機和服務器，通過數據管理層對數據進行處理和分析，實現信息的實時雙向交互。

2.1.3 現場設備層

現場設備層主要由智能負荷控制器、智能電表、數據采集器等組成。智能電表完成對負荷控制器所管控的各種用電負荷進行實時計量，數據采集器采集智能電表、智能負荷控制器的相關數據，獲取被控設備的電度、功率、功率因數、供電電能質量等所有參數，實現對被控設備的在線、動態、同步監測及遠程控制。該層中，智能負荷控制器、智能電表和數據采集器之間采用CAN總線或RS485總線來完成數據通信。

2.1.4 控制對象層

控制對象層主要由被控對象構成，如各種電器、燈具、電機、各種傳感器等。被控對象通過智能負荷控制器實現用電負荷接入，由于ST系列負荷控制器內嵌入WiFi模塊，用戶可以利用智能手機、平板電腦和其他移動智能終端對建筑內電器進行無線控制，實現人與建筑的雙向互動。

2.2 通信與組網方式

根據圖5能源管控系統整體架構中各層所實現的功能，整個系統采用“有線+無線”的混合組網方式。即現場數據采集、服務器數據傳送，系統主站和采集終端之間用CAN總線或RS485通信，單相十通道智能負荷控制器（ST-SRLC-10）與電器、傳感器之間用WiFi進行通信，系統中的各種設備通過通信協議轉化實現對接，保證各種負荷的能耗情況能夠進行實時采集和處理，通過互聯網、局域網、3G/GPRS/CDMA、WiFi等網絡平臺，管理工作者和用戶可以對智能負荷控制器管控的各種用電設備和電器進行遠程監控和管理，實現人與建筑的網絡化互動[10-12]。

2.3 軟件架構

能源管控系統的軟件設計，主要完成智能負荷控制器控制系統、軟件監控與管理系統和通信及網絡服務系統3大部分的編程任務，具體實現的任務目標如圖6所示。其中，與服務器相關的數據庫管理軟件和WEB平臺采用MYSQL和ASP.NET來開發，具備跨平臺運行能力；客戶端管理軟件App采用Android2.3和IOS6.0以上版本開發，方便使用智能手機或iPad用戶（如安卓或蘋果等主流操作系統）使用。通信及網絡服務系統涉及與WEB服務器、數據服務器、智能負荷控制器和智能移動設備的接口協議程序，主要解決CAN/RS485總線、TCP/IP、ZigBee、WiFi等通信編程。整個軟件系統采用B/S和C/S結構，只要有Internet瀏覽器就能運行訪問監控系統，支持各種主流瀏覽器。

圖6 能源管控系統軟件設計任務示意Fig.6 Software design of energy management and control system

3 系統應用

圖7 系統手機客戶端顯示界面Fig.7 Mobile client display interface of load electricity process

本文構建的能源管控系統可應用于商業住宅樓、辦公樓、酒店、商場、大型場館等任何智慧建筑中，全程監測每條末端電氣線路的用電過程，覆蓋性監控整個用電狀況和分布，實現徹底解決不正常用電、不規范用電、不合理用電和不安全用電等問題。同時，智能負荷控制器附屬的PLC功能，可以在同一網絡中完成智慧建筑所需的安防監測、門禁管理和消防感知。該系統可以通過中央計算機選擇性切除建筑空間內特定負荷群，為城市級的電能需求和錯峰調度奠定基礎。通過主動管理建立起持久有效的能效管理機制，為用戶提供一個方便、透明、可控的用電環境，達到持續性的用電控制和節約用電成本等目的。智能客戶端App設計和應用，使用戶擺脫了傳統硬件開關的局限，無論是在家還是離家的任何地方，隨時隨地可用智能手機或者iPad管控和監視家中的用電系統、供水系統、煤氣系統、安防系統。用戶可進行實時查詢和歷史狀態查詢，實現直接開斷、定時開斷、空調預設、電能參數和電能消耗顯示等功能，隨時隨地了解家中的能耗和電能消費情況，增強人們的節能意識。

“武漢大學學生公寓用電管理信息化系統”為該能源管控系統在實際中應用的第一個樣版工程，自2014年9月1日在武漢大學信息學部和醫學部新建的5棟學生公寓進行實施以來，運行情況良好。系統不僅可以全程監控和管理每個學生宿舍的用電情況，并對大功率電器和不安全的負載進行辨識和斷電，同時還可以進行網上自助充值購電，為學校的管理部門節省了人力，為用電綜合調度提供了科學的管理依據。系統在武漢大學的遠程應用界面，可以實時顯示所有學生宿舍空調和照明用電的實時參數，如電壓、電流、功率、功率因數、電度數、賬戶資費、充值記錄等情況，還可以為各管理部門提供各種報表統計、查詢與分析，配套的手機客戶端App程序也同步完成，圖7為學生用戶的手機應用界面，完全做到用電過程的遠程監控和透明化管理，為DSM側用電管理提供一個科學的“互聯網+”解決方案。

武漢大學新建的教工小區 “智能家居系統”是本系統應用的第二個樣板工程，智能負荷控制器作為智能家居的核心控制終端，成功實現對家居各種用電設備的“無明開關”控制。圖8是在Apple IOS系統下，采用Xcode軟件和Objective-C語言所開發設計的武漢大學教工小區智能家居的客戶端App界面，無論何時何地，用戶都可使用移動手機或iPad對家中的各種用電設備進行遠程控制，真正做到“隨心所欲”的人性化控制。同時，還可實時查看家中各個用電設備的能耗情況，使人們通過知能和用能的透明化，達到節能的目的。

圖8 居家各種設備的用電情況實時顯示結果Fig.8 Real-time monitoring results of various electrical equipment in home

4 結語

本文設計的基于智能負荷控制器的源管控系統，可實現能耗實時分類監測和管理。采用有線和無線網絡技術相結合的網絡通信方式，完成對建筑內樓層的每個插座、每個電能消耗點的電能量信息采集，同時也可采集智能插座、智能負荷控制器的狀態信息。用戶可以通過互聯網或局域網、使用智能手機、iPad等終端設備對建筑內的用電設備進行控制，透明地了解建筑和住所的用

電情況和信息資訊。在“互聯網+”時代下，該系統的應用和推廣，不僅可為用戶提供一個方便的、透明的、可控的用電環境，達到知能、節能的目的，而且為進行階梯電價、峰谷電價、分時電價機制奠定了科學準確的技術基礎。

[1]Yasuhiro H，Makoto N，Kiyoshi O，etal.Developmentofa database of low energy homes around the world and analyses of their trends[J].Renewable Energy，2006，28（2）：321-328.

[2]Chlela Fadi，Husaumndee Ahmad，Inard Christian，et al.A new methodology for the design of low energy buildings[J].Energy and Buildings，2009，4l（9）：982-990.

[3]張孝軍，李春燕.國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗數據監測系統研究與運用[J].中國計量，2013（6）：47-48.

[4]張欽，王錫凡，王建學，等.電力市場下需求響應研究綜述[J].電力系統自動化，2008，32（3）：97-106.

[5]鄭貴林.智能三相電動機控制器：中國，ZL2010 1 0184066.2[P].2011-11-30.

[6]王偉，何光宇，萬鈞力，等.用戶側能量管理系統初探[J].電力系統自動化，2012，36（3）：10-15.

[7]楊文軒，王偉，何光宇，等.用戶側能量管理原型系統的設計與實現[J].電力系統自動化，2012，36（20）：74-79．

[8]曹志剛.智能配用電園區用戶側雙向互動功能的設計與實現[J].電力系統自動化，2013，37（9）：79-83.

[9]高一川，鄭貴林.基于ZigBee網絡的能源管控系統設計與實現[J].自動化與儀表，2012，27（3）：20-24.

[10]Zheng G L，Gao Y C，Wan L J.Realization of automatic meter reading system based on ZigBee with improved routing protocol[C]//2010 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，March 28-31，Chengdu，China 2010.

[11]Zheng G L，Zhang Z F.A novel intelligent load control switch based on dynamic compensation method for current zero-crossing point[C]//2010 International Conference on Electrical Engineering and Automatic Control，November 26-28，Zibo，China，2010.

[12]Wang Z Y，Zheng G L.The application of NILM in energy evaluation of smart home：Contrast with IPv6[C]//2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering（ICEICE），April 15-17，Wuhan，China，2011.