基于數據分析的樓宇智能節(jié)電管理系統(tǒng)

劉寶林　李光輝　王修業(yè)　張定恩　董志超

摘要：城市中高層樓宇增加是城市內用電量上升的重要因素之一。使用計算機系統(tǒng)對建筑執(zhí)行能耗量化管理從而控制降低建筑運營過程中所消耗的能量，降低建筑的運營成本，提高能源使用效率，已經成為用戶最為關注的問題。已有的樓宇節(jié)電管理系統(tǒng)收集建筑內部的信息并通過啟發(fā)式規(guī)則對樓宇的照明、動力、通風、空調、安防等系統(tǒng)進行協(xié)調控制及整合，以期達到節(jié)能的目的。這類型系統(tǒng)的缺點在于（1） 大部分樓宇缺少專職的節(jié)電管理機構，沒有相關的電能使用及管理的方法。在各個樓宇與電力公司之間還沒有形成一個有效的信息共享鏈，內外信息共享能力差，存在信息孤島現象（2） 系統(tǒng)中的節(jié)電模型沒有學習過程，不能根據建筑情況的變化，自動調整節(jié)電模式。面對這樣的情況，該文提出一個基于數據分析的建筑樓宇智能節(jié)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)（1） 使用正態(tài)分布擬合用戶用能習慣，分析得到用戶能耗較高的關鍵設備，發(fā)現設備的耗能過高原因；（2） 建立雙向交換子系統(tǒng)實現樓宇與電力公司之間的信息交換，并根據電力公司生產計劃及時調整樓宇用能策略。在天津動漫大廈實際運行結果顯示，該文設計的智能節(jié)電系統(tǒng)可以有效的節(jié)省樓宇中的電力損耗。

關鍵詞：智能樓宇；智能節(jié)電；系統(tǒng)整合；節(jié)電分析；數據分析

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）28-6723-04

1 導論

伴隨著世界經濟和社會的飛速發(fā)展，未來世界的能源需求也見持續(xù)增加，科學家預計到2020年，世界能源需求量將達到200億噸原油當量。美國能源署（EIA）的報告指出，歐洲和北美洲兩個發(fā)達地區(qū)能源消費量占世界總量的比例將呈現下降趨勢。亞洲、中南美洲將保持上升趨勢。面對如此激烈的能源競爭，我國不僅要打開國門購買能源，而且還要善用已有能源。

城市中高層樓宇增加是城市內用電量上升的重要因素之一。隨著城市的能源供應越來越緊張，能源價格不斷上漲，建筑樓宇用電節(jié)能問題成為人們所關注的焦點。在信息技術基礎上建立的樓宇節(jié)電管理系統(tǒng) ，以客觀綜合能源數據為依據，實現建筑樓宇電、氣等能源消耗的監(jiān)控、分析、控制，是節(jié)能降耗最根本的辦法。已有的樓宇節(jié)電管理系統(tǒng)收集建筑內部的信息并通過啟發(fā)式規(guī)則對樓宇的照明、動力、通風、空調、安防等系統(tǒng)進行協(xié)調控制及整合。這類型系統(tǒng)的缺點在于（1） 大部分樓宇缺少專職的節(jié)電管理機構，沒有相關的電能使用及管理的方法。在各個樓宇與電力公司之間還沒有形成一個有效的信息共享鏈，內外信息共享能力差，存在信息孤島現象（2） 系統(tǒng)中的節(jié)電模型沒有學習過程，不能根據建筑情況的變化，自動調整節(jié)電模式。面對上述兩個問題，該文設計并實現了一個基于數據分析的建筑樓宇智能節(jié)電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)（1） 實現了一個樓宇節(jié)電管理工具，整合管理建筑樓宇內部所有用能設備的工作信息，為節(jié)電數據分析提供基礎。（2） 使用雙向互動子系統(tǒng)實現建筑樓宇與電力公司之間的信息交換，解決信息孤島問題。（3） 使用回歸模型等數據挖掘方法分析用戶用電模式，找到用戶能源損耗的關鍵節(jié)點，為用戶提供最佳的節(jié)點策略。（4） 使用2.5D地圖子系統(tǒng)，使得用戶對樓宇和自身用能情況一目了然。

推廣先進的樓宇智能節(jié)電系統(tǒng)用理念，改變傳統(tǒng)的能源無科學依據的生產管理方式，是現代物業(yè)行之有效的重大管理措施。建設樓宇智能節(jié)電管理系統(tǒng)的基本目的就是要在提高樓宇節(jié)能管理信息系統(tǒng)的運行、管理效率的同時，找到用戶用能環(huán)節(jié)中能源消耗最佳流程數據，為樓宇用戶提供一個成熟的、有效的、使用方便的節(jié)電管控解決方案。

2 系統(tǒng)概述

本文設計并完成的樓宇智能節(jié)電系統(tǒng)主要分為4個子系統(tǒng)，包括：用能監(jiān)測子系統(tǒng)、用能分析子系統(tǒng)、用節(jié)能服務子系統(tǒng)、雙向互動子系統(tǒng)。圖1顯示了我們樓宇智能節(jié)電系統(tǒng)的總體框架圖。其中的用能監(jiān)測實現對樓宇內的各類節(jié)電設備、分布式能源、樓宇自動化等的在線監(jiān)測，是其他子系統(tǒng)數據的來源。用能分析子系統(tǒng)實現對各類用電服務中能源使用情況的直接數學統(tǒng)計和可視化分析，使得客戶可以直截了當的得到當前樓宇能源運行情況。系統(tǒng)中節(jié)能服務子系統(tǒng)可以根據專家知識庫自動地制動樓宇內節(jié)能方案。雙向互動子系統(tǒng)為電力企業(yè)和電力用戶之間加起了一座溝通的橋梁，方便樓宇用戶根據電力企業(yè)的發(fā)電計劃安排樓宇內的用電服務。

在圖1中，由黃色矩形標記的系統(tǒng)模塊是大部分智能節(jié)電系統(tǒng)所共有的功能模塊，由于文章的篇幅關系，在本文中不詳細介紹。圖1中深藍色標記的子系統(tǒng)是我們基于雙向互動的建筑樓宇智能節(jié)電系統(tǒng)獨有的核心功能模塊。我們將在下文中詳細描述。

2.1 專家?guī)熳酉到y(tǒng)

專家?guī)熳酉到y(tǒng)是我們智能用電系統(tǒng)的核心模塊，它制定了整個建筑樓宇中的各種節(jié)能計劃在。在專家?guī)熳酉到y(tǒng)中我們定義了（1） 能耗診斷模型：能耗診斷模型通過統(tǒng)計各個用戶的用能情況，通過回歸算法分析各個用能環(huán)節(jié)與最終用能總量的關系，從而找到能耗較高的關鍵設備，發(fā)現設備的耗能過高原因，然后采取相應的節(jié)能增效措施，降低設備的耗能量。（2） 用能策略模型：系統(tǒng)利用能耗診斷模型的結果，建立用能策略模型，對建筑樓宇的長期、短期用能策略及用能方式、節(jié)能手段統(tǒng)一管理。

在能耗診斷模型中，我們定義M座樓宇中樓宇m擁有N個用能環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)的在時刻t的用能損耗可以用emnt來表示，其中[n∈[1，N]]。本系統(tǒng)以年為周期，小時為單位來評估樓宇的能耗，即[t∈[1，8760]]，其中24*356=8760。我們假設每個時間點上每個環(huán)節(jié)的用能損耗近L年服從正態(tài)分布，那么我們有8760個相互獨立的服從正態(tài)分布的隨機事件，[emnt～N（μmnt，σmnt）]。當系統(tǒng)收集近L年的數據并計算得到[μmnt]和[σmnt]后，我們可以根據這兩個參數來分析時刻t樓宇m在用能環(huán)節(jié)n上的用能情況，當某個[emnt]不在[[μmnt-2σmnt，μmnt+2σmnt]]范圍中時，我們認為這個[emnt]是一個異常能耗設備，應該檢修或者采用新的用能策略。

在用能策略模型中，我們采用了專家知識庫的形式，定義了若干用能策略模板。系統(tǒng)能夠在能耗診斷模型結果的基礎上，自動選擇合適的用能策略模型。我們定義的策略模板有（1） 空調用能策略；（2） 風機用能策略；（3） 水泵用能策略；（4） 照明用能策略；（5） 電梯用能策略；（6） 清潔能源用能策略（7） 其它用能策略。

2.2 雙向互動子系統(tǒng)

雙向互動子系統(tǒng)主要的主要功能是（1） 實現建筑樓宇與電力公司之間的信息交換。本系統(tǒng)通過一個網絡API接口與電力公司鏈接，獲取電力公司的相關生產信息。同時系統(tǒng)也提供了API接口給電力公司的內部系統(tǒng)上傳數據。（2） 依據電力公司的發(fā)電計劃和檢修計劃指定樓宇內的臨時用電策略。電力公司有時會發(fā)布局部限電和檢修計劃，這時我們的系統(tǒng)會制定相應的計劃，并通知各個用戶。（3） 當電網出現電力供應缺口時，由電網觸發(fā)需求響應信號，本系統(tǒng)發(fā)出對大功率用能設備的調節(jié)控制指令，實現電網有序避峰或錯峰，從而保證電網安全性。

2.3 地圖可視化子系統(tǒng)

地圖可視化子系統(tǒng)可從空間上顯示智能樓宇及其重點監(jiān)測用能設備的具體情況，給用戶提供了解整個樓宇用電情況的最直觀接口，使我們系統(tǒng)的特色功能之一。地圖監(jiān)控子系統(tǒng)還可以通過導航或者搜索選擇顯示所有類型或某種特定類型的用戶及用能設備，選擇某個接入用戶或某個用能設備，進入具體展示相應的用能監(jiān)測、用能分析、用能報表、節(jié)能服務、雙向互動等界面。

地圖可視化子系統(tǒng)的主要實現的功能有：（1） 三維地圖展示：包括三維地圖的基本功能：地圖放大、地圖縮小、地圖移動、三維模型展示等。（2） 用戶、設備搜索及定位：通過名稱搜索地圖上的樓宇、廠區(qū)、小區(qū)等用能對象，搜索完成后可以三維地圖上進行定位。定位完成后可以進一步對用戶、設備等用能情況進行查詢統(tǒng)計，通過地圖監(jiān)測展現用戶靜態(tài)信息及動態(tài)數據。（3） 地圖空間查詢：將樓宇用能業(yè)務對象在地圖上疊加顯示為業(yè)務圖層，可以直接在地圖上進行選擇，查看其用電、能耗等信息。（4） 圖層控制：對三維地圖上的樓宇業(yè)務對象圖層進行控制其顯示和隱藏，方便用戶進行操作。（5） 異常告警定位：在其他功能有告警信息時，將信息推送到地圖，直接在地圖上進行定位，并且進行閃爍展示。（6） 用能數據展示：在地圖可視化平臺中以不同的符號樣式、標注樣式顯示用戶及用能設備的能耗數據、統(tǒng)計分析數據等。

地圖可視化子系統(tǒng)的主要實現過程是：（1） 2.5維軟件平臺：由于樓宇中三維地圖場景范圍不是很大，對三維平臺的性能要求一般，所以為了節(jié)約開發(fā)成本，我們使用了2.5維地圖，提高訪問速度和體驗，降低成本。（2） 圖表結合：系統(tǒng)將地圖上的業(yè)務對象和采集平臺采集到的數據進行掛接，使地圖和業(yè)務數據進行無縫對接。

地圖可視化子系統(tǒng)界面如下圖所示。

3 系統(tǒng)應用實例

為了驗證本文設計的系統(tǒng)的有效性，我們已經將智能節(jié)電系統(tǒng)部署在了天津濱海動漫園大廈。圖3顯示了我們系統(tǒng)在動漫園大廈上節(jié)能實施運行的結果。通過我們的系統(tǒng)，我們在2013年5月就為動漫大廈節(jié)能75KWH。圖4顯示了系統(tǒng)的能耗診斷子系統(tǒng)對動漫大廈各個耗能環(huán)節(jié)的評估情況。通過我們設計的系統(tǒng)，用戶可以直接的檢測建筑樓宇內各個耗能設備，并及時發(fā)現問題，提高能源使用效率。

4 總結

城市中高層樓宇增加是城市內用電量上升的重要因素之一。已有的樓宇節(jié)電管理系統(tǒng)僅僅使用啟發(fā)式規(guī)則對樓宇的用能系統(tǒng)進行協(xié)調控制及整合，實際運行效果不佳。該文設計并實現一個基于數據分析的建筑樓宇智能節(jié)電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點在于（1） 監(jiān)控、管理建筑樓宇內部所有用能設備的工作信息，為節(jié)電數據分析提供基礎。（2） 使用雙向互動子系統(tǒng)實現建筑樓宇與電力公司之間的信息交換，解決信息孤島問題。（3） 使用回歸模型等數據挖掘方法分析用戶用電模式，找到用戶能源損耗的關鍵節(jié)點，為用戶提供最佳的節(jié)點策略。（4） 使用2.5D地圖子系統(tǒng)，使得用戶對樓宇和自身用能情況一目了然。

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