高校能源監(jiān)管平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高志明

摘 要：高等學(xué)校作為大型公共機(jī)構(gòu)，能源消耗狀況越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注。傳統(tǒng)的能耗抄表計(jì)量方式因效率低、準(zhǔn)確性差，已很難滿足高校節(jié)約型校園建設(shè)的要求。以廣東省某高校能源監(jiān)管平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目為例，詳細(xì)討論了能源監(jiān)管平臺(tái)建設(shè)的系統(tǒng)架構(gòu)、方案設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以云平臺(tái)管理為核心，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校所有建筑能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、能耗預(yù)警、定額管理等功能，為校園建筑節(jié)能潛力的挖掘、節(jié)能改造項(xiàng)目的論證提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：節(jié)約型校園；能源；監(jiān)管平臺(tái)；云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.016

截至2014 年，我國(guó)普通高等學(xué)校已達(dá)2 246所，高校的能源消耗約占社會(huì)總能耗的1/10.高校校舍作為大型公共建筑，通常占地范圍廣，建筑面積大，傳統(tǒng)的抄表計(jì)量方式工作量大、計(jì)量準(zhǔn)確性較低，不利于建筑能耗數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，難以發(fā)現(xiàn)學(xué)校用能管理的漏洞。因此，采用信息化、自動(dòng)化技術(shù)，建設(shè)校園能源監(jiān)管平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)高校用能科學(xué)化管理、提高能源利用效率的迫切要求。

1 平臺(tái)簡(jiǎn)介

本文以廣東省某高校的能源監(jiān)管平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目為例，主要介紹平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)、方案設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)。

該項(xiàng)目通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)學(xué)校所有建筑用電、用水、用燃?xì)獾亩嗉?jí)能源實(shí)時(shí)計(jì)量監(jiān)測(cè)，并具有能源分類分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)、能耗對(duì)比分析、能效公示、用能超額預(yù)警、用電用能設(shè)備監(jiān)測(cè)、定額管理等功能。項(xiàng)目建成后，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校用能管理的信息化、自動(dòng)化，提高了學(xué)校用能管理水平和能源利用效率，為節(jié)約型校園建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)以能源云平臺(tái)為核心，通過(guò)校園專網(wǎng)，將四級(jí)用電計(jì)量及用電安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、二級(jí)用水計(jì)量及用水安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、二級(jí)燃?xì)庥?jì)量及安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及學(xué)校重要儀器設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連成一體，實(shí)現(xiàn)校園能源的充分利用和重要儀器設(shè)備的科學(xué)管理。

2.1 數(shù)據(jù)中心和監(jiān)控中心

為滿足能源云平臺(tái)的要求，數(shù)據(jù)中心采集并存儲(chǔ)全校所有建筑的能耗數(shù)據(jù)，并對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、展示和發(fā)布。數(shù)據(jù)中心配置包括刀片服務(wù)器、云平臺(tái)存儲(chǔ)平臺(tái)、云計(jì)算管理平臺(tái)、虛擬化軟件等，具備建筑能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和通訊、遠(yuǎn)程傳輸、自動(dòng)分類統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、圖表顯示、報(bào)表管理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)上傳等功能。數(shù)據(jù)中心的具體集成框架如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心集成框架圖

監(jiān)控中心建設(shè)主要包括大屏幕顯示墻系統(tǒng)、顯示墻應(yīng)用管理軟件、操作終端計(jì)算機(jī)以及必要的配電、照明、網(wǎng)絡(luò)等，管理人員通過(guò)平臺(tái)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)校用能情況。

2.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備

為了方便學(xué)校對(duì)各類建筑能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，保證平臺(tái)與各建筑能耗采集點(diǎn)之間的通訊質(zhì)量和可靠性，平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的搭建采用獨(dú)立專網(wǎng)的形式，每棟建筑都配有專用的光纖交換機(jī)，各建筑光纖交換機(jī)通過(guò)光纖與數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)監(jiān)測(cè)、采集學(xué)校內(nèi)建筑的能耗數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)完整轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)是上層數(shù)據(jù)采集及末端設(shè)備的中間層，與末端能源數(shù)據(jù)采集設(shè)備直接通信，對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理。通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，設(shè)備實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為上層需要的數(shù)據(jù)格式。同時(shí)，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)在對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，對(duì)多種設(shè)備進(jìn)行多協(xié)議轉(zhuǎn)換，使其統(tǒng)一化，以方便數(shù)據(jù)采集程序?qū)?shù)據(jù)的訪問(wèn)。

2.3 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端包括待監(jiān)測(cè)建筑中各類能耗數(shù)據(jù)計(jì)量?jī)x表、數(shù)據(jù)采集控制器和數(shù)據(jù)采集通訊總線。數(shù)據(jù)采集主要分為兩個(gè)層次：①底層。底層為物聯(lián)網(wǎng)感知層，即各類傳感器、控制器和功能終端的布置層。②中間層。中間層為前端數(shù)據(jù)采集層，選擇最合適、高可用性的數(shù)據(jù)采集框架（包括智能電表、智能水表、智能燃?xì)獗淼扔?jì)量裝置）實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層的數(shù)據(jù)采集，提供前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)，并利用插入式可擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集框架集成不同的數(shù)據(jù)采集框架，然后利用自動(dòng)化編碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的綜合管理。

根據(jù)實(shí)際需要（數(shù)據(jù)采集器數(shù)量、功能需求），每棟待監(jiān)測(cè)建筑配有一定數(shù)量的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集矩陣、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)等，具備各類能耗數(shù)據(jù)的采集、各供電回路的安全檢測(cè)及其他監(jiān)測(cè)控制功能。

3 方案設(shè)計(jì)

學(xué)校主要能源消耗為電、水、燃?xì)馊悾細(xì)庵饕糜谑程茫瑳](méi)有煤、蒸汽等能源消耗。依據(jù)學(xué)校能源消耗現(xiàn)狀設(shè)計(jì)平臺(tái)方案，分為用電計(jì)量子系統(tǒng)、用水計(jì)量子系統(tǒng)和燃?xì)庥?jì)量子系統(tǒng)，通過(guò)智能表具實(shí)時(shí)采集能耗數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和校內(nèi)專網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心存儲(chǔ)和計(jì)算。

3.1 用電計(jì)量子系統(tǒng)

通過(guò)智能電表實(shí)時(shí)采集用電數(shù)據(jù)，并通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸裝置將用電數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。智能電表均需要采用MODBUS通訊協(xié)議，具有RS485通訊接口。

根據(jù)使用場(chǎng)所和計(jì)量位置的不同，智能電表可分為多功能電能表、三相電能表和單相電能表。多功能電能表功能齊全，具有監(jiān)測(cè)和計(jì)量三相電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)、有功電能、最大需量以及總諧波含量等功能，為變壓器損耗、線路損耗、故障排查等應(yīng)用提供支撐，適用于高低壓配電、建筑配電計(jì)量；三相電能表、單相電能表具有監(jiān)測(cè)、計(jì)量和傳輸有功電能的功能，適用于分戶計(jì)量、分項(xiàng)計(jì)量。

不同功能的多路電表通過(guò)RS-485總線接入到數(shù)據(jù)采集矩陣，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)將采集回來(lái)的能耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)或以太網(wǎng)傳輸?shù)焦饫w交換機(jī)，最后接入平臺(tái)光纖專網(wǎng)。系統(tǒng)具備各設(shè)備的實(shí)時(shí)故障報(bào)警、能耗超閾值預(yù)警和報(bào)警功能。

3.2 供水計(jì)量子系統(tǒng)

供水計(jì)量監(jiān)測(cè)包括市政管網(wǎng)一級(jí)計(jì)量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和建筑的供水二級(jí)計(jì)量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)從市政管網(wǎng)到建筑的用水計(jì)量，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳輸裝置上傳到數(shù)據(jù)中心。其中，供水一級(jí)計(jì)量監(jiān)測(cè)采用電磁流量計(jì)，可監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)流量；二級(jí)計(jì)量監(jiān)測(cè)采用遠(yuǎn)傳水表。通過(guò)電磁流量計(jì)或遠(yuǎn)傳水表計(jì)量學(xué)校、市政供水水量及建筑用水量，并通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸裝置將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖脚_(tái)。電磁流量計(jì)或遠(yuǎn)傳水表通過(guò)RS-485通訊線接入到數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)將采集回來(lái)的能耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并通過(guò)以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備傳輸?shù)焦饫w交換機(jī)，最后接入平臺(tái)光纖專網(wǎng)。系統(tǒng)具備各設(shè)備的實(shí)時(shí)故障報(bào)警、能耗超閾值預(yù)警和報(bào)警功能。

3.3 燃?xì)庥?jì)量子系統(tǒng)

燃?xì)庥?jì)量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從液化石油氣站到建筑的液化石油氣消耗二級(jí)計(jì)量監(jiān)測(cè)。通過(guò)數(shù)字液化石油氣計(jì)量表實(shí)時(shí)采集燃?xì)庀臄?shù)據(jù)，并通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸裝置將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖脚_(tái)。數(shù)字液化石油氣計(jì)量表通過(guò)通訊線直接接入數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)將采集回來(lái)的能耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并通過(guò)以太網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備傳輸?shù)焦饫w交換機(jī)，最后接入平臺(tái)光纖專網(wǎng)。系統(tǒng)具備各設(shè)備的實(shí)時(shí)故障報(bào)警、能耗超閾值預(yù)警和報(bào)警功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)討論了廣東省某高校能源監(jiān)管平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計(jì)方案及功能實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。平臺(tái)采用先進(jìn)的云平臺(tái)技術(shù)，將云計(jì)算存儲(chǔ)與先進(jìn)的智能計(jì)量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備和精細(xì)化的管理軟件有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校所有建筑能源消耗的實(shí)時(shí)計(jì)量與數(shù)據(jù)傳輸、采集與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)運(yùn)算與統(tǒng)計(jì)分析，提高了學(xué)校能源管理水平，為節(jié)約型校園的建設(shè)提供了可靠的數(shù)據(jù)依托。

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〔編輯：劉曉芳〕