基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑用電監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

袁麗艷，汪東軍，李一真(.山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南　5004; .國家電網(wǎng)山東電力節(jié)能服務(wù)公司，山東濟(jì)南　5000)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑用電監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

袁麗艷1，汪東軍2，李一真2
(1.山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南250014; 2.國家電網(wǎng)山東電力節(jié)能服務(wù)公司，山東濟(jì)南250001)

袁麗艷(1980—)，女，講師，研究方向?yàn)橹悄芙ㄖ?/p>

摘要:介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑用電監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，著重分析了房間控制器、電能優(yōu)化控制系統(tǒng)和基于云計(jì)算技術(shù)的平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)?；谖锫?lián)網(wǎng)的建筑用電檢測(cè)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)每個(gè)用電器的用電量、用電功率，通過采集各種外界環(huán)境因素，可按預(yù)定的方案遠(yuǎn)程控制各個(gè)用電器，使建筑用電更智能、更高效。

關(guān)鍵詞:智能化建筑;節(jié)能控制; ZigBee;軟件平臺(tái)

汪東軍(1972—)，男，高級(jí)工程師，從事智能配電及建筑節(jié)能方面的工作。

李一真(1981—)，女，工程師，從事智能配電及建筑節(jié)能方面的工作。

0　引言

根據(jù)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告，我國建筑能耗占社會(huì)總能耗的18.8％。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑高能耗的問題日益突出。目前，我國每年竣工建筑約為20億m2，其中公共建筑約為4億m2。大型公共建筑面積占城鎮(zhèn)建筑面積的比例不到4％，但能耗卻占建筑總能耗的20％以上，其中單位面積耗電量為普通民宅的10～15倍。

因此，需降低建筑能耗、實(shí)施建筑節(jié)能，以促進(jìn)能源資源節(jié)約和合理利用，緩解我國能源供應(yīng)與社會(huì)發(fā)展的矛盾。如何降低建筑能源消耗，提高能源利用效率，實(shí)施建筑節(jié)能，是我國可持續(xù)發(fā)展亟待研究解決的重大課題。因此，智能用電建設(shè)的好壞直接關(guān)系電網(wǎng)的能源使用效率、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和有序用電。本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑智能用電及能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)

辦公樓宇用電信息采集與節(jié)能控制系統(tǒng)是一套基于互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)。設(shè)在電力相關(guān)部門的智能用電及能源優(yōu)化監(jiān)控中心，通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)所管理的大廈進(jìn)行智能用電及能源調(diào)度信息的監(jiān)測(cè)，并對(duì)權(quán)限內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行深入控制(可深入到房間內(nèi)部具體的燈具開關(guān)等)。

整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的框架是一個(gè)Internet，每一座樓宇都有一個(gè)樓宇監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)樓宇的信息監(jiān)測(cè)和相關(guān)設(shè)備控制。每個(gè)中心計(jì)算機(jī)都通過一個(gè)路由器與外部的Internet相連，并與總監(jiān)控中心交互信息，從而配合監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)和控制功能。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2系統(tǒng)組成

樓宇內(nèi)部是一個(gè)以局域網(wǎng)、ZigBee、CAN、WiFi為主要通信鏈路的綜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。樓宇內(nèi)部的系統(tǒng)組成部分有樓宇智能用電及能源優(yōu)化監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)服務(wù)器、樓層多媒體網(wǎng)關(guān)、房間控制器、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能傳感器、智能照明系統(tǒng)、智能電器系統(tǒng)(如電器、空調(diào)、窗簾、插座)、熱水優(yōu)化控制系統(tǒng)、電能優(yōu)化控制系統(tǒng)、熱能優(yōu)化控制系統(tǒng)等。樓宇智能用電及能源優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　樓宇智能用電及能源優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2中，無線路由器支持WiFi攝像頭的視頻接入，并可以通過LAN上傳控制視頻;樓層網(wǎng)關(guān)的功能是通過ZigBee收集每個(gè)房間的信息，再通過LAN上傳，也可以將來自于LAN的信息和命令通過ZigBee通信由房間控制器傳遞給房間的受控設(shè)備(支持ZigBee)，以實(shí)現(xiàn)控制和信息采集。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)與樓層多媒體網(wǎng)關(guān)、熱水優(yōu)化控制系統(tǒng)、電能優(yōu)化控制系統(tǒng)、熱能優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互和控制，鏈路可通過交換機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展。

2　房間控制器

房間控制器支持ZigBee通信，管理房間控制器內(nèi)的所有受控設(shè)備(最多255個(gè))，并匯總其信息，還可以設(shè)置本地設(shè)備控制策略。房間控制器既是控制器，又是信息采集器，同時(shí)還是ZigBee中繼器。房間控制器及智能用電設(shè)備結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3　房間控制器及智能用電設(shè)備結(jié)構(gòu)

房間控制器可以收集房間內(nèi)所有設(shè)備(支持ZigBee)的狀態(tài)、用電量信息，依托物聯(lián)網(wǎng)提供的環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能、科學(xué)的控制。

3　電能優(yōu)化控制系統(tǒng)

監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)LAN與電能優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互和控制。電能優(yōu)化控制系統(tǒng)支持LAN和CAN的介入，LAN的鏈接是用來與上位機(jī)交互信息的，受控于上位機(jī)。CAN用來控制并網(wǎng)及配電設(shè)備。電能優(yōu)化控制系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行多能源的科學(xué)調(diào)度，如圖4所示。

該系統(tǒng)首先使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和ARMA模型等方法，對(duì)太陽強(qiáng)度、風(fēng)速、光伏/風(fēng)力發(fā)電量、負(fù)荷等進(jìn)行預(yù)測(cè)和測(cè)量，對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行能量管理，實(shí)現(xiàn)蓄電池的充/放電管理。使用對(duì)策樹理論進(jìn)行決策分析，采用多目標(biāo)優(yōu)化或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)分布式電源的離線/在線狀態(tài)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，該系統(tǒng)僅依靠分布式發(fā)電裝置自身的發(fā)電控制維持微電網(wǎng)的基本運(yùn)行，但在很多情況下可能處于緊急、恢復(fù)、切換過渡等狀態(tài)，這就需要以全局、事先的信息來預(yù)測(cè)和分析系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并處理系統(tǒng)出現(xiàn)的各種情況。

圖4　電能優(yōu)化控制系統(tǒng)

4　基于云計(jì)算技術(shù)的軟件平臺(tái)

基于云計(jì)算技術(shù)的平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合和無縫遷移、環(huán)境的資源動(dòng)態(tài)管理和優(yōu)化、服務(wù)自適應(yīng)集成和動(dòng)態(tài)協(xié)同。該服務(wù)平臺(tái)分為物理空間、信息空間層和應(yīng)用空間。為實(shí)現(xiàn)更高效的計(jì)算、存儲(chǔ)能力，采用云計(jì)算技術(shù)整合各種異構(gòu)資源以實(shí)現(xiàn)抽象和虛擬化，其中對(duì)底層各種物理硬件(包括服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)進(jìn)行虛擬化，建立一個(gè)共享、按需分配的基礎(chǔ)資源設(shè)施，且資源可以自動(dòng)增長(zhǎng);建立分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，用于海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問，提高資源利用率;實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無縫融合，保證可靠的網(wǎng)絡(luò)接入與遷移。該平臺(tái)可看作一個(gè)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，由管理層負(fù)責(zé)監(jiān)控虛擬資源并完成動(dòng)態(tài)部署，實(shí)現(xiàn)一個(gè)面向服務(wù)的云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，為用戶提供透明、智能化的服務(wù)。

該平臺(tái)軟件提供用電信息的各種查詢和統(tǒng)計(jì)，典型界面如圖5所示。

圖5　軟件典型界面

5　結(jié)語

智能用電技術(shù)的研究在我國還處于初級(jí)階段，需要解決的問題還很多。隨著智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，智能用電技術(shù)必將獲得巨大的發(fā)展機(jī)遇，且隨著系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，必將推動(dòng)大型建筑智能用電和節(jié)能市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。

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Design of Electricity Consumption Monitoring and Remote Control System in Buliding

YUAN Liyan1，WANG Dongjun2，LI Yizhen2
(1.Shandong College of Electric Technology，Jinan 250014，China; 2.State Grid Shandong Energy Service Co.，Ltd.，Jinan 250001，China)

Abstract:This paper introduced a design of electricity consumption monitoring and remote control system in buliding based on Internet of things.The designs of room controller，electricity consumption optimization control system were emphatically analyzed.It is pointed out that the electricity consumption monitoring and remote control system remotely montors the power consumption and real-time power of each household appliance.By capturing the external environment factors，the system controls the operation of devices according to the predetermined plan.The system can make the electricity consumption more intelligent and more efficient.

Key words:intelligent building; energy-saving control; ZigBee;software platform

收稿日期:2015-09-15

*基金項(xiàng)目:山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J15LN62);山東省高等學(xué)校優(yōu)秀教師國內(nèi)訪問學(xué)者項(xiàng)目(3720140008);山東省信息產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)發(fā)展資金(2012X0107)

DOI:10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.03.009

中圖分類號(hào):TU 201.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

文章編號(hào):1674-8417(2016)03-0038-04