智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)在高校能源管理中的應(yīng)用

文｜北京建工建筑設(shè)計(jì)研究院 羅 輝

北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 喬麗莉

北京廣發(fā)偉業(yè)電氣有限公司 仲冬華

智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)在高校能源管理中的應(yīng)用

文｜北京建工建筑設(shè)計(jì)研究院 羅 輝

北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 喬麗莉

北京廣發(fā)偉業(yè)電氣有限公司 仲冬華

建立資源節(jié)約型社會(huì)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)。本文從安全、智能、節(jié)能三方面對(duì)一套基于智能網(wǎng)絡(luò)電表的、適合高校學(xué)生公寓使用的智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 用電的安全管理

作為密度較高的居住環(huán)境，學(xué)生公寓的安全問(wèn)題非常重要，落實(shí)對(duì)學(xué)生公寓用電的安全管理勢(shì)在必行。

隨著公寓用電負(fù)載的多樣化，白熾燈、電熱毯、“熱得快”、電爐等通過(guò)電阻實(shí)現(xiàn)發(fā)光發(fā)熱、容易引起火災(zāi)的各類惡性負(fù)載電器大量進(jìn)入公寓，給用電安全帶來(lái)了極大的隱患；傳統(tǒng)的專人巡檢或限流功能已經(jīng)無(wú)法滿足公寓安全管理的需要。對(duì)惡性負(fù)載加以識(shí)別的功能經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。

（1）早期的識(shí)別方式，是在整個(gè)公寓內(nèi)逐個(gè)房間地將正常負(fù)載全部接入，測(cè)定每個(gè)房間的視在功率及功率因數(shù)值，并以此數(shù)值為依據(jù)設(shè)置一個(gè)用電參數(shù)范圍；當(dāng)某個(gè)房間的用電參數(shù)超出此范圍時(shí)，就判斷該房間內(nèi)使用了惡性負(fù)載。目前還有部分產(chǎn)品使用這種方式進(jìn)行用電管理。這種識(shí)別方式的缺點(diǎn)是誤差太大，以及由于學(xué)生公寓的負(fù)載多種多樣，不同負(fù)載組合電氣參數(shù)不同，而且學(xué)生隨時(shí)可能新增加負(fù)載，測(cè)試工作困難重重，需要對(duì)每個(gè)房間進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量。

（2）改進(jìn)后的識(shí)別方式，同樣以視在功率及功率因數(shù)作為識(shí)別依據(jù)，只不過(guò)由整體識(shí)別改為了單體識(shí)別，即每當(dāng)用戶啟用一個(gè)負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)就對(duì)視在功率及功率因數(shù)的變化進(jìn)行檢測(cè)，從而判斷新增加負(fù)載的性質(zhì)。這是目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)電控系統(tǒng)使用的識(shí)別方式。此種識(shí)別方式相比第一階段有了一定的改進(jìn)，但仍存在一定問(wèn)題，比如無(wú)法區(qū)分用戶同時(shí)啟動(dòng)的兩個(gè)負(fù)載。

（3）智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)，針對(duì)以上兩種識(shí)別方式的缺點(diǎn)，以及近期隨著電器行業(yè)的發(fā)展和國(guó)家強(qiáng)制性政策的實(shí)行，各電器廠家都對(duì)產(chǎn)品的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，使其功率因數(shù)達(dá)到了0.95以上，甚至接近1.0，導(dǎo)致通過(guò)功率因數(shù)進(jìn)行識(shí)別很容易造成誤判，將大多數(shù)正常負(fù)載判斷為惡性負(fù)載的問(wèn)題，采用了同時(shí)檢測(cè)負(fù)載的有功功率、無(wú)功功率、交流正弦波形進(jìn)行綜合判斷的方式，提高了判斷公寓負(fù)載性質(zhì)的準(zhǔn)確性，避免了誤判。

2 用電的智能化管理

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，基于全電子式計(jì)量以及現(xiàn)場(chǎng)總線的智能化遠(yuǎn)程能源綜合管理系統(tǒng)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。

智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)是由基表、管理終端機(jī)及服務(wù)器、通信設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成的綜合能源管理平臺(tái)。

（1） 基表構(gòu)成

基表是整個(gè)系統(tǒng)的基本組成部分，采用了智能網(wǎng)絡(luò)電表。該設(shè)備基于多功能基波諧波三相電能專用計(jì)量芯片進(jìn)行研發(fā)，以該單片機(jī)為控制核心，具有數(shù)字化計(jì)量、用電狀態(tài)監(jiān)測(cè)等強(qiáng)大功能，支持遠(yuǎn)程及本地管理。其工作原理如圖1所示。

基表的用電測(cè)量的流程是：由電流和電壓互感器產(chǎn)生模擬量I（t）和U（t），而后由A/D轉(zhuǎn)換器從中抽取各采樣點(diǎn)離散值Ii（t）和Ui（t），最終由單片機(jī)內(nèi)的數(shù)字乘法器據(jù)此完成瞬時(shí)功率計(jì)算。表內(nèi)各用戶共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字乘法器；一路信號(hào)采集完成后，由CPU控制選通下一路信號(hào)。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，要使采樣值能夠完全復(fù)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)，采樣角頻率ωs應(yīng)不小于被測(cè)信號(hào)諧波角頻率ω的兩倍。若考慮到供電電壓的五次諧波成分，則頻率為50Hz的供電電壓采樣頻率最低應(yīng)為500Hz，即采樣周期不長(zhǎng)于2ms。也就是說(shuō)對(duì)于周期為20ms的工頻電壓或電流來(lái)說(shuō)，一個(gè)周期內(nèi)至少應(yīng)采集十個(gè)采樣值。

（2）系統(tǒng)構(gòu)成

電能智能化管理系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)基表采集到的數(shù)據(jù)匯集到管理終端，并根據(jù)不同的管理需求設(shè)置具體應(yīng)用。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

通信網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)RS485總線、以太網(wǎng)、光纖等進(jìn)行搭建。管理終端機(jī)及服務(wù)器通過(guò)安裝上位管理軟件，組成管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化管理，也可以通過(guò)各種接口與校園一卡通系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)等進(jìn)行集成。

（3） 系統(tǒng)主要功能

智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)除具備基本的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制、限流、自動(dòng)定時(shí)斷送電、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能外，還具備其他一些特色功能。

①電能源的純商品化管理

系統(tǒng)可將電能源作為純粹的商品進(jìn)行管理——可買可退，可整電量或金額購(gòu)買，可選擇預(yù)付費(fèi)或后付費(fèi)等多種結(jié)算類型，可透支，此外，系統(tǒng)還可預(yù)先設(shè)置免費(fèi)使用底數(shù)，設(shè)置峰谷、平尖或階梯等多種費(fèi)率及電價(jià)，進(jìn)行欠費(fèi)限制等。

②自動(dòng)催費(fèi)提醒功能

系統(tǒng)可通過(guò)設(shè)備報(bào)警、軟件報(bào)警、語(yǔ)音電話、短信等多種方式自動(dòng)提醒學(xué)生及時(shí)買電充值。

③多回路功能

系統(tǒng)可對(duì)同一公寓的多個(gè)回路，如空調(diào)、插座、照明等各回路進(jìn)行各自獨(dú)立的控制、統(tǒng)一計(jì)費(fèi)。

④智能用電管理功能

系統(tǒng)具有智能用電管理功能，包括在線控制、定時(shí)自動(dòng)斷/送電、限流、惡性負(fù)載的識(shí)別及有條件放行、支持夜間手機(jī)充電及夜燈等小負(fù)載使用等。

⑤狀態(tài)查詢及事件記錄功能

系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)或定時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)用戶的用電狀態(tài)，包括累計(jì)用電量、剩余電量、電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數(shù)、通斷狀態(tài)等，并可以自動(dòng)記錄十次斷電事件，包括斷電時(shí)間及斷電前的用電狀態(tài)。

⑥免費(fèi)基礎(chǔ)電量功能

系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)校能源管理方案給每個(gè)用戶或房間設(shè)置免費(fèi)基礎(chǔ)電量，定時(shí)自動(dòng)增加。

⑦檔案管理及統(tǒng)計(jì)查詢功能

系統(tǒng)可建立設(shè)備檔案、分區(qū)檔案、用戶檔案、學(xué)籍信息等內(nèi)容豐富、管理方便的各類檔案；可按用戶或時(shí)段進(jìn)行售電量、用電量等各種能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)查詢，為制定高校能源管理政策提供詳盡的參考數(shù)據(jù)。

⑧系統(tǒng)保護(hù)功能

系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計(jì)，強(qiáng)弱電系統(tǒng)完全隔離，并配置了大量的保護(hù)電路及防磁、防雷電路，通信模塊引入了獨(dú)立設(shè)計(jì)，并且憑借雙CPU與雙存儲(chǔ)器協(xié)同工作保證穩(wěn)定性及持續(xù)性。

⑨分級(jí)授權(quán)管理功能

系統(tǒng)支持各部門通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)器，進(jìn)行能源管理工作；可為各管理員及操作員設(shè)置不同的權(quán)限，并自動(dòng)記錄各管理員及操作員的操作。

⑩系統(tǒng)集成功能

系統(tǒng)默認(rèn)集成水、電、氣、暖等多種能耗管理功能；并配備標(biāo)準(zhǔn)化接口及數(shù)據(jù)協(xié)議，可與一卡通、樓宇自控等各種系統(tǒng)進(jìn)行整合。

3 系統(tǒng)的節(jié)能效果

3.1 高校節(jié)能的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益

（1）經(jīng)濟(jì)效益簡(jiǎn)析

我國(guó)高校在校學(xué)生人數(shù)在2700萬(wàn)以上（2009年5月數(shù)據(jù)），高校是生活能耗相當(dāng)高的場(chǎng)所。據(jù)有關(guān)資料介紹，如果全國(guó)2000多所高校都建成“綠色大學(xué)”，一年就可節(jié)約資金210億元，節(jié)水量將超過(guò)12個(gè)亞洲最大的人工湖——北京密云水庫(kù)的總水量。高校節(jié)能既是必須的，又有很大的潛力。

（2）社會(huì)效益簡(jiǎn)析

高校是育人之地，是國(guó)家培養(yǎng)各類高級(jí)人才之地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高校每年有640萬(wàn)畢業(yè)生走向社會(huì)；在高校開展節(jié)能教育，實(shí)施節(jié)能工作，將對(duì)高校師生形成深遠(yuǎn)的影響，帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。

3.2 智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)節(jié)能效果簡(jiǎn)析

智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)于2001年開始研制，于2005年獲國(guó)家專利，此后又根據(jù)用戶需求，在技術(shù)上進(jìn)行了改進(jìn)，在功能上進(jìn)行了擴(kuò)展，成為了“四表遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)”，已被全國(guó)近百所高校選用。

（1）基表采用集成化管理，電表自身功耗小，節(jié)能效果顯著。表1為KD型多用戶集中式智能網(wǎng)絡(luò)電表和普通IC卡電表的自身功耗比較表。由表中可見，KD型多用戶集中式智能網(wǎng)絡(luò)電表的自身功耗僅為等戶數(shù)普通IC卡電表的1/8。

按我國(guó)高校在校學(xué)生人數(shù)為2700萬(wàn)，每五人共用一個(gè)宿舍，教職工與學(xué)生的比例為1∶12計(jì)算，如果全部采用此種多用戶智能網(wǎng)絡(luò)電表，僅電表本身的空載功耗一項(xiàng)，平均每年約可比采用電子卡式單表節(jié)約5202.2萬(wàn)度電，按每度電0.55元計(jì)算，每年約可節(jié)約2861.2萬(wàn)元。

（2）由于智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)計(jì)量精確，管理功能科學(xué)、完善，采用該系統(tǒng)可提高人們的節(jié)能意識(shí)。國(guó)內(nèi)某著名高校介紹的研究生院新園區(qū)，建設(shè)用地總面積1075畝，總建筑面積338557m2，共有包括教學(xué)用房、學(xué)生公寓、教工宿舍及配套用房、附屬用房等在內(nèi)的約25組建筑；采用智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)對(duì)各建筑群進(jìn)行分類管理，在公寓部分采用惡性負(fù)載系列產(chǎn)品，在實(shí)驗(yàn)室、教學(xué)用房、辦公室等采用普通預(yù)付費(fèi)系列產(chǎn)品，針對(duì)應(yīng)急照明、電器、空調(diào)機(jī)組等公共用電設(shè)備采用后付費(fèi)系列產(chǎn)品，共有計(jì)量點(diǎn)12000余戶。采用該系統(tǒng)后，與使用前相比，公寓部分平均每月每戶節(jié)約電量25.6度，實(shí)驗(yàn)室及教室平均每月每戶節(jié)約電量32.8度，公共用電平均每月每點(diǎn)節(jié)約30.5度。

表1 多用戶智能網(wǎng)絡(luò)電表與IC卡電表自身功耗比較表

4 結(jié)束語(yǔ)

如果我國(guó)高校都采用智能安全用電節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)，不僅能夠保證高校用電的安全、可靠，而且將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益——按上文引用數(shù)據(jù)計(jì)算，如每個(gè)宿舍每月平均最低節(jié)電15度，使用該系統(tǒng)每年節(jié)約用電約可達(dá)10.9億度，按每度電0.55元計(jì)算，每年可為高校節(jié)約近6億元的電費(fèi)支出。

1 高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則

2 宗建華，閆華光，史樹冬.智能電能表[M].中國(guó)電力出版社，2010

3 潘杰.基于CAN總線的智能電表集中器的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2011（3）

4 游飛.高校學(xué)生公寓安全用電管理技術(shù)分析[J].成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（2）

5 程太生，郭建珠.對(duì)高校節(jié)能管理的思考[J].教育理論與實(shí)踐，2010（21）