公共建筑用電能耗的數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究[圖]

摘要: 在公共建筑用電能耗監(jiān)測系統(tǒng)的研究中，用電能耗數(shù)據(jù)的準確獲取是一個非常關(guān)鍵的問題。本文針對這一問題，在將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用于建筑用電能耗監(jiān)測領(lǐng)域的同時，對其進行了改進和研究，實現(xiàn)了分項計量。以ARM為核心搭建了一個用電數(shù)據(jù)采集平臺，與建筑物內(nèi)的上位機構(gòu)成一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。重點闡述了數(shù)據(jù)的采集和傳輸方法。該技術(shù)的應(yīng)用為用電能耗的統(tǒng)計分析以及節(jié)能控制提供了強大的數(shù)據(jù)支持。

引言

建筑能耗是我國能源消耗的主要組成部分，也是節(jié)約能源的重要領(lǐng)域。在建筑能耗中，國家機關(guān)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(guān)辦公建筑和大型公共建筑的節(jié)能工作具有重要意義[1]。“建筑節(jié)能、數(shù)據(jù)先行”，必須準確提供我國建筑物所消耗終端能源的具體數(shù)據(jù)，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[24]。而先進實用的公共建筑能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)是獲得準確數(shù)據(jù)的保證，在整個建筑能耗監(jiān)測平臺中起著至關(guān)重要的作用。

1　我國公共建筑用電能耗特點

據(jù)統(tǒng)計, 國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑總面積不足城鎮(zhèn)建筑總面積的4%，占全國城鎮(zhèn)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(fā)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%[67]，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(jié)能潛力大、社會影響力大等特點。

國家機關(guān)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(diào)與通風能耗、辦公設(shè)備能耗、建筑設(shè)施能耗（如電梯、給排水設(shè)備等）和其他輔助設(shè)備能耗，其中大約50%~60%能源消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)，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(jié)為電能的消耗[57]。

2　公共建筑用電能耗的分項

分項能耗是指根據(jù)國家機關(guān)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(shù)據(jù)。由參考文獻[8]可知，在分類能耗中，電量應(yīng)分為4項分項，包括照明插座用電、空調(diào)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(jù)建筑用能系統(tǒng)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(yīng)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(shù)據(jù)的采集

大型公建功能復雜，系統(tǒng)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(tǒng)的實際能耗情況，也沒有真正實現(xiàn)“以用能數(shù)據(jù)為導向的節(jié)能”，因此必須對建筑能耗進行分項計量[810]。本文采用的方法是，按照上述分項情況在適當?shù)姆猪椈芈飞涎b設(shè)電表，數(shù)據(jù)采集器直接采集各支路的電表數(shù)據(jù)來獲得分項電耗。

3.1　建筑能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架

建筑物內(nèi)能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測建筑中的各計量裝置（本文主要是電表）、數(shù)據(jù)采集器和建筑物上位機軟件組成，如圖2中虛線框內(nèi)所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遵循分散采集、集中管理的原則，在功能上由監(jiān)測層和管理層兩個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成。監(jiān)測層為工業(yè)總線結(jié)構(gòu)，負責能耗數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷；管理層為以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，負責數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸以及本建筑物監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運行管理。

圖2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集器（數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)）通過在用能末端安裝的具有數(shù)據(jù)通信功能的計量裝置來采集分項用能數(shù)據(jù)，再將分項能耗數(shù)據(jù)依靠通信媒介傳輸給建筑物內(nèi)上位機進行進一步的分析統(tǒng)計，或依靠互聯(lián)網(wǎng)等直接將原始數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)中心。

3.2　數(shù)據(jù)的采集

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

數(shù)據(jù)采集器在數(shù)據(jù)采集的過程中起著關(guān)鍵的作用，本質(zhì)上起著數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的作用。本研究采用ARM CortexM3及一些外圍電路搭建了一個建筑能耗數(shù)據(jù)采集平臺，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，包括數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的采集和傳輸。

圖3　數(shù)據(jù)采集平臺結(jié)構(gòu)框圖

按照參考文獻[8]的要求，一臺數(shù)據(jù)采集器支持32臺計量裝置，支持根據(jù)數(shù)據(jù)中心命令采集和主動定時采集兩種數(shù)據(jù)采集模式，采集周期為15 min。硬件電路上設(shè)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(shù)據(jù)采集器之間采用主—從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式。從機在主機的請求命令下應(yīng)答，數(shù)據(jù)采集器是通信主機，計量裝置是通信從機。采集到的原始數(shù)據(jù)及時存儲在采集器的SD卡內(nèi)，保證數(shù)據(jù)的完整性。

采集器與建筑物內(nèi)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(nèi)數(shù)據(jù)的讀取分為實時在線讀取當前數(shù)據(jù)和強制讀取歷史數(shù)據(jù)兩種方式。正常運行情況下默認為第一種方式，命令內(nèi)容包括設(shè)備號（采集器號）、功能號（實時讀�。�、數(shù)據(jù)個數(shù)（電表個數(shù)）、時間（年/月/日/時/分/秒）具體數(shù)據(jù)（表1~32）、校驗碼，采集器收到命令后返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。當上位機停電或關(guān)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(shù)據(jù)，可按照要求分時段分表讀取，通信內(nèi)容除功能碼外與實時讀取時相同。當數(shù)據(jù)采集器無數(shù)據(jù)可發(fā)時就發(fā)出數(shù)據(jù)發(fā)送雙方規(guī)定好的結(jié)束命令，等待下一次的讀取命令。

公共建筑用電能耗監(jiān)測的關(guān)鍵在于分項計量，為實現(xiàn)電量分項采集，區(qū)分各電表的分項和回路，要在上位機內(nèi)對各電表進行信息配置。根據(jù)國家建設(shè)部規(guī)定的能耗編碼規(guī)則[10]和圖1的具體分項，在上位機內(nèi)規(guī)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(shù)據(jù)按照規(guī)定發(fā)送到指定的位置并進行顯示，方便上位機將數(shù)據(jù)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(shù)。如，當終端信息為{20 B1 B2}時即表示第32號表—空調(diào)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(fā)生變化，通過上位機發(fā)送更改命令，對該電表進行終端信息配置更改。

數(shù)據(jù)采集器程序的主流程如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)采集器程序主流程

上位機軟件將原始數(shù)據(jù)分項顯示并進行處理。上位機軟件使用VB編程設(shè)計，能夠?qū)υ�始進行簡單的分析處理，能夠?qū)崟r顯示照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電、特殊用電4個分項的數(shù)據(jù)，每個分項有32塊表，共128塊表。此外還可以修改密碼、設(shè)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(shù)據(jù)的集中遠傳

數(shù)據(jù)采集器除了將所采集的分項數(shù)據(jù)定時傳輸給建筑物內(nèi)上位機之外，還應(yīng)將采集到的能耗數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議進行定時遠傳，一般規(guī)定分項能耗數(shù)據(jù)每15 min上傳1次，不分項的能耗數(shù)據(jù)每1 h上傳1次。

數(shù)據(jù)遠傳使用基于IP協(xié)議的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在傳輸層使用TCP協(xié)議。數(shù)據(jù)遠傳時數(shù)據(jù)中心建立TCP監(jiān)聽，數(shù)據(jù)采集器不啟動TCP監(jiān)聽，數(shù)據(jù)采集器發(fā)起對數(shù)據(jù)中心的連接，TCP建立后保持常連接狀態(tài)不主動斷開，數(shù)據(jù)采集器定時向數(shù)據(jù)中心發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包并監(jiān)測連接的狀態(tài)，一旦連接斷開則重新建立連接。TCP連接建立后，數(shù)據(jù)中心應(yīng)對數(shù)據(jù)采集器進行身份認證。數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)中心中間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和命令應(yīng)進行加密，身份驗證完成后，數(shù)據(jù)中心通過心跳包對數(shù)據(jù)采集器進行授時，并校驗數(shù)據(jù)采集模式。

結(jié)語

本課題利用數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)燃夹g(shù)，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(shù)據(jù)，可以準確獲得建筑物的時耗電量、天耗電量等，有利于總結(jié)大型公共建筑的用電規(guī)律和特點，揭示大型公共建筑耗電量巨大的原因，明確節(jié)能潛力所在。同時，為加強國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能控制和運行管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

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[10] 建設(shè)部.國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導則，2008.

劉暢（碩士生），主要從事信息處理與智能系統(tǒng)的研究。

作者：劉暢 張永堅 李然然 來源：《單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》

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