公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)故障分析與修復(fù)方法綜述

王立業(yè)

國檢測試控股集團(tuán)上海有限公司

0 引言

公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)于2007 年開始建設(shè)，前期主要以北京、天津、深圳、上海等地作為試點(diǎn)城市推行建筑能耗監(jiān)測體系的建設(shè)。截至2021 年底，上海市累計聯(lián)網(wǎng)的建筑數(shù)量已有2 143 棟，覆蓋建筑面積約10 101萬m2。

2018 年，上海市啟用了新的DGJ 08-2068—2017《公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，強(qiáng)化了分類分項計量的要求，增加了計量點(diǎn)位設(shè)置、系統(tǒng)構(gòu)成等內(nèi)容，并且對系統(tǒng)監(jiān)測和驗(yàn)收等進(jìn)行了細(xì)化。本文就近幾年的工作經(jīng)驗(yàn)，從故障分析與修復(fù)方法總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜述。

1 公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)主要以服務(wù)器、通信設(shè)備和計量設(shè)備為基本工具，一般分為三層：

1）數(shù)據(jù)應(yīng)用層

數(shù)據(jù)應(yīng)用層主要針對公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)的管理維護(hù)人員，是人機(jī)交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的最上層部分。數(shù)據(jù)應(yīng)用層主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備，如工業(yè)級計算機(jī)、打印機(jī)、UPS 電源等組成。

2）傳輸通信層

傳輸通信層應(yīng)由采集設(shè)備、以太網(wǎng)設(shè)備及計量設(shè)備通過通信總線連接的網(wǎng)絡(luò)組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負(fù)責(zé)對計量設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和上傳等工作。采集設(shè)備是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和智能通信管理中心，具備了數(shù)據(jù)采集與處理、通信控制器、前置機(jī)等功能。

3）計量設(shè)備層

計量設(shè)備層是能耗數(shù)據(jù)計量終端，主要由各類智能儀表組成。智能儀表負(fù)責(zé)最基層的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，其計量的用能數(shù)據(jù)必須完整、準(zhǔn)確并實(shí)時傳送至采集設(shè)備。

2 公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)故障分析

公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)的故障往往體現(xiàn)于上傳數(shù)據(jù)的異常現(xiàn)象。數(shù)據(jù)異常判定主要以《上海市國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)(用電量)采集判定要求》給予判定。常見的異常現(xiàn)象有無數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)缺項、數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)過大或過小、分項之和大于或小于總項等。

2.1 現(xiàn)場勘察與排摸

為了更加精確定位系統(tǒng)故障原因，需要根據(jù)公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)異常現(xiàn)象，結(jié)合業(yè)主及物業(yè)管理人員所提供的系統(tǒng)運(yùn)行情況，再對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地勘察與排摸。主要內(nèi)容如下：

1）核查建筑的基本情況包括建筑名稱、地址、面積及功能等有無更改。

2）建筑近期有無網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更改及配電系統(tǒng)更改等。

3）采集網(wǎng)關(guān)與計量設(shè)備之間通信是否正常，通信線纜是否損壞、接入點(diǎn)有無接觸不良等情況。

4）系統(tǒng)運(yùn)行情況分析包括設(shè)備有無損壞、數(shù)據(jù)采集上傳是否正常、計量點(diǎn)位是否齊全、系統(tǒng)運(yùn)行是否正常等。

5）對于采用原有電力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的建筑，需要核查包括數(shù)據(jù)采集模式、采集/計量設(shè)備型號、品牌、數(shù)量等，并列出清單、計量點(diǎn)位清單，還包括儀表CT 倍率與現(xiàn)場互感器實(shí)際的安裝情況核查。原有電力監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)故障必要時需要實(shí)施單位到達(dá)現(xiàn)場共同排查。

6）網(wǎng)絡(luò)是否正常、能否實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)上傳、功能是否還滿足要求。

2.2 導(dǎo)致故障原因分析

通過現(xiàn)場的勘察與排摸導(dǎo)致公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)故障的原因如下：

1）現(xiàn)場配電回路發(fā)生變化，增加配電回路或變更了回路用途，但系統(tǒng)并未對其作出相應(yīng)變更與增加計量點(diǎn)。

2）各建筑計量點(diǎn)位配置不全面，例如建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備未計量。

3）現(xiàn)場的采集設(shè)備/儀表損壞，數(shù)據(jù)無法進(jìn)行正常的采集及上傳工作。

4）通過原有電力監(jiān)測系統(tǒng)或其它監(jiān)測系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，由于原有系統(tǒng)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)。

5）網(wǎng)絡(luò)故障問題最為常見，由于大部分都是利用建筑內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)，例如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改動及現(xiàn)場環(huán)境諸多因素等，都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法上傳。

6）利用原有電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，由于原系統(tǒng)發(fā)生故障無法正常運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

3 公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)故障修復(fù)

3.1 計量點(diǎn)位修復(fù)

前期建設(shè)的公共建筑能源監(jiān)測系統(tǒng)中，隨著用能需求量的增加，配電系統(tǒng)的調(diào)整，多數(shù)建筑的計量點(diǎn)位都不是很全面，導(dǎo)致總項與分項之間會有很大的誤差，因此除了消防設(shè)施其余均應(yīng)進(jìn)行計量，這樣可以避免計量不全面導(dǎo)致分項之和大于或小于總項的情況出現(xiàn)。對于建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的主站、冷卻泵和循環(huán)水泵等設(shè)備供電回路應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)計量，方便更準(zhǔn)確地逐項分析能耗數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)設(shè)備修復(fù)

3.2.1 智能儀表

智能儀表在公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)生故障或者損壞的幾率很小，主流品牌的儀表基本都可以穩(wěn)定運(yùn)行近10 年以上。出現(xiàn)故障后只需要對儀表的準(zhǔn)確度進(jìn)行核對，就可以繼續(xù)使用。電表的核對方法可利用鉗形表測量配電回路電纜上電流，與電表上顯示的瞬時電流進(jìn)行核對，或者通過電能表校驗(yàn)儀進(jìn)行監(jiān)測。更換電表時，要注意電流互感器的特性。更換前要將互感器進(jìn)行短接并且要有可靠的接地，以免開路引起高壓危險，對設(shè)備和人員的安全造成危害。

3.2.2 采集設(shè)備

采集設(shè)備故障都是因?yàn)榄h(huán)境影響，例如溫度過高會導(dǎo)致設(shè)備死機(jī)，建筑內(nèi)配電線路維修、調(diào)整等原因?qū)е碌牟杉O(shè)備斷電。對于以上問題可以通過加裝散熱器和UPS 電源的方式解決。如果設(shè)備損壞需要更換時應(yīng)盡量選用帶有遠(yuǎn)程維護(hù)功能的設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時可第一時間通過遠(yuǎn)程的方式進(jìn)行查看數(shù)據(jù)采集及上傳情況。

3.2.3 系統(tǒng)服務(wù)器

系統(tǒng)服務(wù)器只要正常使用，一般不會出現(xiàn)故障。出現(xiàn)故障只有兩種情況：

1）系統(tǒng)運(yùn)行卡頓，功能不能正常使用。應(yīng)對上傳數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行核查，對相應(yīng)的組件及運(yùn)行程序進(jìn)行測試，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2）硬件損壞，例如電源損壞供電不足導(dǎo)致主機(jī)不能開啟、開機(jī)無顯、開機(jī)報警、反復(fù)重啟等情況。出現(xiàn)此類情況應(yīng)及時對相應(yīng)的硬件進(jìn)行維修或者更換。

3.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)修復(fù)

公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)基本都利用建筑內(nèi)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳，難免會受網(wǎng)絡(luò)配置更改、故障維修的影響，造成斷網(wǎng)。遇到此類情況可以采用無線4G 路由器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳。無線4G 路由器應(yīng)選擇帶遠(yuǎn)程配置及流量監(jiān)測等功能，在發(fā)生系統(tǒng)故障時也可根據(jù)流量的使用情況判斷故障原因。

3.4 數(shù)據(jù)采集修復(fù)

1）首先要測試每個RS-485串口總線與儀表之間的通信是否正常，確認(rèn)儀表通信參數(shù)設(shè)置是否正確、傳輸信號是否穩(wěn)定，有無解析錯誤或者采集失敗等現(xiàn)象。

2）對于長距離傳輸或者附近有干擾源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正常通信，可以采用降低波特率和采集頻率的方式進(jìn)行采集，同時在RS-485 總線終端加裝信號增強(qiáng)器以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3）對于擁有多個配電站且傳輸距離超過1 200 m或者采用多個采集網(wǎng)關(guān)上傳的情況，應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)透傳的模式通過安裝DTU設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該設(shè)備用于將串口數(shù)據(jù)與TCP 數(shù)據(jù)之間進(jìn)行來回轉(zhuǎn)換，然后通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4）如果數(shù)據(jù)是從原有電力監(jiān)測系統(tǒng)中讀取而來，需要確認(rèn)原有系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、運(yùn)行是否正常和數(shù)據(jù)能否正常讀取。若原有系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障或者已經(jīng)癱瘓，應(yīng)優(yōu)先采用Modbus 多主站采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，避免由于原有系統(tǒng)故障導(dǎo)致異常數(shù)據(jù)。

4 DTU設(shè)備的應(yīng)用

以往對于設(shè)置有多個變電站的建筑，數(shù)據(jù)采集方式通常有兩種：一是采用在每個變電站都配置一臺采集設(shè)備同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集上傳，此種方式增加了公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)的投入成本；二是所有的RS-485 總線都匯總在一起，接入統(tǒng)一的采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。此種方法如果每個變電站都敷設(shè)RS-485 總線會增加施工的難度，而且對于采集設(shè)備嵌入式的RS-485 采集端口，只能連接32 個通信設(shè)備，需要敷設(shè)多條RS-485 總線。有長距離傳輸和中繼的情況，MODBUS協(xié)議的特性也無法滿足要求。

為了解決以上問題，只需在每個配電站或者采集的節(jié)點(diǎn)安裝DTU 設(shè)備即可。網(wǎng)絡(luò)透傳廣域網(wǎng)采集設(shè)備通過連接云端服務(wù)器給設(shè)備側(cè)的DTU 設(shè)備發(fā)送指令，采集所需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過設(shè)備側(cè)DTU 設(shè)備傳輸至云端服務(wù)器發(fā)送回采集設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。局域網(wǎng)內(nèi)采集網(wǎng)關(guān)可以直接向各DTU 設(shè)備發(fā)送指令，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。其采集模式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采用DTU設(shè)備模式結(jié)構(gòu)圖

采用DTU設(shè)備具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1）通過安裝DTU 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以不必在每個配電站都配置一臺采集網(wǎng)關(guān)，減少RS-485通信線纜的敷設(shè)，從而減少系統(tǒng)的投入成本。

2）MODBUS 數(shù)據(jù)與TCP 數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換，包括RS-232、RS-485 及RS-422 等常用的通信方式，可以在不改變用戶設(shè)備的情況下與各種使用MODBUS通信的用戶設(shè)備連接。

3）設(shè)備穩(wěn)定性高，DTU 設(shè)備內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議不僅可以通過建筑內(nèi)有線網(wǎng)絡(luò)使用，還可以通過安裝SIM 卡實(shí)現(xiàn)利用現(xiàn)有運(yùn)營商5G/4G 網(wǎng)絡(luò)使用，或兩者相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。兩種網(wǎng)絡(luò)模式其中一個中斷，不影響設(shè)備的正常運(yùn)行，最大限度地保障數(shù)據(jù)的傳輸。

4）適用范圍廣，DTU 設(shè)備不僅可以通過廣域網(wǎng)連接云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)一對多的網(wǎng)絡(luò)透傳通信，還可以通過DTU 設(shè)備自帶的網(wǎng)口連接工控環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信。

5）設(shè)備配置方便，支持網(wǎng)絡(luò)、串口AT 指令、電腦端設(shè)置軟件配置，還支持微信小程序配置。

6）設(shè)備成本小，目前主流的DTU 設(shè)備均在200元左右。流量消耗情況，通過觀察使用DTU 設(shè)備傳輸?shù)?棟建筑，每臺DTU設(shè)備月消耗流量均在100 M以內(nèi)，這相較于安裝多臺采集設(shè)備及敷設(shè)多條RS-485總線的方式大大節(jié)約了成本。

5 Modbus多主站采集器的應(yīng)用

以往RS-485網(wǎng)絡(luò)同一時間只能允許主站發(fā)送數(shù)據(jù)，其它均屬于從站，都處于接收狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多主站通信是不可能的。 如果多主站需要與從站通信，考慮到主站發(fā)送數(shù)據(jù)的主動性及隨機(jī)性，直接互連必然會導(dǎo)致主站同時發(fā)送數(shù)據(jù)到RS-485 總線上，從而出現(xiàn)競爭沖突，導(dǎo)致主站與從站之間無法正常通信。

為了實(shí)現(xiàn)在RS-485網(wǎng)絡(luò)中多臺主站可以與多臺從站通信，須在主站與從站之間加裝Modbus 多主站采集器來解決。Modbus多主站采集器是利用延時控制的原理，在一臺主站進(jìn)行通信時其它主站處于靜默狀態(tài)，避免了RS-485總線發(fā)生競爭關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多主站的通信。其采集模式結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采用Modbus多主站采集器模式結(jié)構(gòu)圖

采用Modbus多主站采集器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）通過設(shè)置Modbus 多主站采集器通信的先后順序，分別采集儀表數(shù)據(jù)，對原有系統(tǒng)基本無任何影響，同時也減少了與原有系統(tǒng)實(shí)施方的協(xié)調(diào)成本。

2）適用范圍非常廣泛，適用于大多數(shù)智能儀表，多個主站之間可以配置不同的采集頻率及采集模式，實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)測和公共建筑用能檢測等系統(tǒng)的多重采集，不用對原有接口和配置進(jìn)行更改。

3）數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，采用此方式可以不依賴于原有電力監(jiān)測系統(tǒng)，避免原有系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，達(dá)到保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4）設(shè)備性能穩(wěn)定，Modbus 多主站采集器的工作模式簡單，當(dāng)主站1 發(fā)送數(shù)據(jù)于從站時，主站2 保持沉默，以此類推。目前，在使用的10余臺設(shè)備，全部運(yùn)行正常，中途未發(fā)生因設(shè)備導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。

5）不用作過多的改造，只需在主站與從站之間加裝Modbus 多主站采集器，再將設(shè)備主站端口分別接入需要采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)即可。

6）投入成本小，主流的Modbus 多主站采集器售價均在200 元以內(nèi)，只需選擇相對可靠的品牌設(shè)備即可。

6 結(jié)語

公共建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)的故障分析，應(yīng)根據(jù)異常現(xiàn)象結(jié)合業(yè)主及物業(yè)管理人員所提供的系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行現(xiàn)場勘察與排摸，精確定位系統(tǒng)故障原因。在修復(fù)工作中，遇到本地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好的情況可以采用無線4G 路由器進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，減少因網(wǎng)絡(luò)問題導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)。對于擁有多個變電站的建筑應(yīng)采用DTU 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，減少設(shè)備投入成本。利用原有電力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的，可以采用加裝Modbus 多主站采集器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不受原有電力監(jiān)控系統(tǒng)的影響。