公共建筑用電能耗的數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究＊

劉暢，張永堅(jiān)，李然然

（山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院 山東省智能建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101）

劉暢（碩士生），主要從事信息處理與智能系統(tǒng)的研究。

引 言

建筑能耗是我國(guó)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(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問(wèn)題日益突出。做好國(guó)家機(jī)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］?！敖ㄖ?jié)能、數(shù)據(jù)先行”，必須準(zhǔn)確提供我國(guó)建筑物所消耗終端能源的具體數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確地描述我國(guó)建筑能耗的特點(diǎn)，有效地控制建筑能耗［2－4］。而先進(jìn)實(shí)用的公共建筑能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)是獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的保證，在整個(gè)建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)中起著至關(guān)重要的作用。

1 我國(guó)公共建筑用電能耗特點(diǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)家機(jī)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(guó)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(dá)國(guó)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(jié)能潛力大、社會(huì)影響力大等特點(diǎn)。

國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑的建筑運(yùn)行能耗主要為除采暖能耗外的照明能耗、空調(diào)與通風(fēng)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［5－7］。

2 公共建筑用電能耗的分項(xiàng)

分項(xiàng)能耗是指根據(jù)國(guó)家機(jī)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(jìn)行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)。由參考文獻(xiàn)［8］可知，在分類能耗中，電量應(yīng)分為4項(xiàng)分項(xiàng)，包括照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電和特殊用電。電量的4項(xiàng)分項(xiàng)是必分項(xiàng)，各分項(xiàng)可根據(jù)建筑用能系統(tǒng)的實(shí)際情況靈活細(xì)分為一級(jí)子項(xiàng)和二級(jí)子項(xiàng)，是選分項(xiàng)。其他分類能耗不應(yīng)分項(xiàng)。建筑物用電能耗具體分項(xiàng)情況如圖1所示。

圖1 建筑物用電能耗分項(xiàng)圖

3 公共建筑用電能耗數(shù)據(jù)的采集

大型公建功能復(fù)雜，系統(tǒng)繁多，只對(duì)一座建筑的總用電能耗進(jìn)行計(jì)量，很難分清各個(gè)用能系統(tǒng)的實(shí)際能耗情況，也沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)“以用能數(shù)據(jù)為導(dǎo)向的節(jié)能”，因此必須對(duì)建筑能耗進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量［8－10］。本文采用的方法是，按照上述分項(xiàng)情況在適當(dāng)?shù)姆猪?xiàng)回路上裝設(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(lái)獲得分項(xiàng)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(cè)建筑中的各計(jì)量裝置（本文主要是電表）、數(shù)據(jù)采集器和建筑物上位機(jī)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(cè)層和管理層兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成。監(jiān)測(cè)層為工業(yè)總線結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)能耗數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸以及本建筑物監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(guò)在用能末端安裝的具有數(shù)據(jù)通信功能的計(jì)量裝置來(lái)采集分項(xiàng)用能數(shù)據(jù)，再將分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)依靠通信媒介傳輸給建筑物內(nèi)上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析統(tǒng)計(jì)，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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量的技術(shù)要求，各計(jì)量裝置均采用支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議和DL／T645協(xié)議（多功能電表通信規(guī)約）的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量裝置。

數(shù)據(jù)采集器在數(shù)據(jù)采集的過(guò)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 Cortex－M3及一些外圍電路搭建了一個(gè)建筑能耗數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，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(chǔ)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(tái)結(jié)構(gòu)框圖

按照參考文獻(xiàn)［8］的要求，一臺(tái)數(shù)據(jù)采集器支持32臺(tái)計(jì)量裝置，支持根據(jù)數(shù)據(jù)中心命令采集和主動(dòng)定時(shí)采集兩種數(shù)據(jù)采集模式，采集周期為15min。硬件電路上設(shè)計(jì)了RS485／RS232／CAN等多種通信接口，采集器與計(jì)量裝置之間可采用RS485／RS232／CAN總線等多種通信模式。計(jì)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(jī)在主機(jī)的請(qǐng)求命令下應(yīng)答，數(shù)據(jù)采集器是通信主機(jī)，計(jì)量裝置是通信從機(jī)。采集到的原始數(shù)據(jù)及時(shí)存儲(chǔ)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(jī)也可采用RS485／RS232／CAN總線等多種通信模式，上位機(jī)對(duì)采集器內(nèi)數(shù)據(jù)的讀取分為實(shí)時(shí)在線讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)和強(qiáng)制讀取歷史數(shù)據(jù)兩種方式。正常運(yùn)行情況下默認(rèn)為第一種方式，命令內(nèi)容包括設(shè)備號(hào)（采集器號(hào)）、功能號(hào)（實(shí)時(shí)讀?。?shù)據(jù)個(gè)數(shù)（電表個(gè)數(shù)）、時(shí)間（年／月／日／時(shí)／分／秒）具體數(shù)據(jù)（表1～32）、校驗(yàn)碼，采集器收到命令后返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)停電或關(guān)機(jī)一段時(shí)間再重新工作后，可采用第二種方式讀取存儲(chǔ)卡中的歷史數(shù)據(jù)，可按照要求分時(shí)段分表讀取，通信內(nèi)容除功能碼外與實(shí)時(shí)讀取時(shí)相同。當(dāng)數(shù)據(jù)采集器無(wú)數(shù)據(jù)可發(fā)時(shí)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(cè)的關(guān)鍵在于分項(xiàng)計(jì)量，為實(shí)現(xiàn)電量分項(xiàng)采集，區(qū)分各電表的分項(xiàng)和回路，要在上位機(jī)內(nèi)對(duì)各電表進(jìn)行信息配置。根據(jù)國(guó)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(xiàng)，在上位機(jī)內(nèi)規(guī)定各電表的終端信息，即電表所在的分項(xiàng)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(jìn)行顯示，方便上位機(jī)將數(shù)據(jù)按分項(xiàng)信息歸類存儲(chǔ)，具體格式如表1所列，編碼為十六進(jìn)制數(shù)。如，當(dāng)終端信息為｛20B1B2｝時(shí)即表示第32號(hào)表—空調(diào)用電—冷熱站—冷卻泵—2號(hào)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(guò)上位機(jī)發(fā)送更改命令，對(duì)該電表進(jìn)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(jī)軟件將原始數(shù)據(jù)分項(xiàng)顯示并進(jìn)行處理。上位機(jī)軟件使用VB編程設(shè)計(jì)，能夠?qū)υ歼M(jìn)行簡(jiǎn)單的分析處理，能夠?qū)崟r(shí)顯示照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電、特殊用電4個(gè)分項(xiàng)的數(shù)據(jù)，每個(gè)分項(xiàng)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(shí)間，并可查詢每個(gè)分項(xiàng)及總用電量的日（月／年）趨勢(shì)圖、柱狀圖、餅狀圖。

3.3 數(shù)據(jù)的集中遠(yuǎn)傳

數(shù)據(jù)采集器除了將所采集的分項(xiàng)數(shù)據(jù)定時(shí)傳輸給建筑物內(nèi)上位機(jī)之外，還應(yīng)將采集到的能耗數(shù)據(jù)通過(guò)TCP／IP協(xié)議進(jìn)行定時(shí)遠(yuǎn)傳，一般規(guī)定分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)每15min上傳1次，不分項(xiàng)的能耗數(shù)據(jù)每1h上傳1次。

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)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(yuǎn)傳時(shí)數(shù)據(jù)中心建立TCP監(jiān)聽(tīng)，數(shù)據(jù)采集器不啟動(dòng)TCP監(jiān)聽(tīng)，數(shù)據(jù)采集器發(fā)起對(duì)數(shù)據(jù)中心的連接，TCP建立后保持常連接狀態(tài)不主動(dòng)斷開(kāi)，數(shù)據(jù)采集器定時(shí)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包并監(jiān)測(cè)連接的狀態(tài)，一旦連接斷開(kāi)則重新建立連接。TCP連接建立后，數(shù)據(jù)中心應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行身份認(rèn)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(jìn)行加密，身份驗(yàn)證完成后，數(shù)據(jù)中心通過(guò)心跳包對(duì)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行授時(shí)，并校驗(yàn)數(shù)據(jù)采集模式。

結(jié) 語(yǔ)

本課題利用數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)燃夹g(shù)，通過(guò)對(duì)用電能耗的分項(xiàng)計(jì)量，獲取大量而細(xì)致的建筑能耗數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確獲得建筑物的時(shí)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(diǎn)，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(shí)，為加強(qiáng)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能控制和運(yùn)行管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

［1］建設(shè)部.關(guān)于加強(qiáng)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能管理工作的實(shí)施意見(jiàn)，2007.

［2］陳梅，張永堅(jiān)，牛祺飛.公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009（增刊）：167－170.

［3］杜冰，盧迎華.大型公共建筑節(jié)能存在的問(wèn)題與對(duì)策探析［J］.價(jià)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(cè)平臺(tái)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(qiáng)，刁乃仁.基于能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的能耗評(píng)測(cè)方法研究［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（2）：109－113.

［7］張永堅(jiān)，聶玉慶，賈魯峰.公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)化集成［J］.工程設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，2010（增刊）：273－277.

［8］建設(shè)部.國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導(dǎo)則，2008.

［9］清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2010［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［10］建設(shè)部.國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則，2008.