秦娥，李衛(wèi)鋒

（1.浙江工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023；2.浙江華通云數(shù)據(jù)科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

我國在2016年已將節(jié)能減排作為科學(xué)發(fā)展觀的基本國策納入了“十一五”規(guī)劃[1]。隨著國家節(jié)能減排工作的大力開展，國務(wù)院已將節(jié)能定位“十二五”重要工作，節(jié)能已作為我國新的經(jīng)濟增長點。“十三五”期間，我國火電在節(jié)能減排方面制定了嚴(yán)苛的目標(biāo)，將成為我國電力行業(yè)節(jié)能減排的重要戰(zhàn)場。節(jié)能分為設(shè)備節(jié)能和管理節(jié)能。設(shè)備節(jié)能需要企業(yè)更新技術(shù)，提高設(shè)備的用能效率。管理節(jié)能則簡單易行。

高校校園照明時間長，一致以來都是用電大戶。伴隨著遠(yuǎn)程抄表技術(shù)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程抄表能源管理系統(tǒng)將替代傳統(tǒng)的人工管理模式，研究開發(fā)一套完善的節(jié)能管理信息系統(tǒng)，不經(jīng)可以提高學(xué)校的用電效率，實現(xiàn)管理節(jié)能，還可以產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)各公司和研發(fā)部門相繼提出了不少方法致力于開發(fā)遠(yuǎn)程抄表節(jié)能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能管理。其中主要有以下4種方法：

（1）無線自組網(wǎng)：即利用無線通信的方式管理各能源設(shè)備，將能源設(shè)備作為系統(tǒng)的節(jié)點，由這些節(jié)點構(gòu)成整個通信網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點間采用相應(yīng)的無線通信協(xié)議進行通信，以實現(xiàn)以節(jié)能為目的的能源管理系統(tǒng)。這種方式的缺點是，無線通信方式容易受到外界信號的干擾，傳播距離較短，無法對遠(yuǎn)距離的能源設(shè)備實現(xiàn)管理。

（2）專線：根據(jù)需求重新布線，用專有的線路和特定的協(xié)議來進行數(shù)據(jù)通信，遠(yuǎn)程控制各能源設(shè)備，實現(xiàn)節(jié)能管理。這種方式的最大缺點就是投資大、施工復(fù)雜，需要投入大量人力物力資源來鋪設(shè)線路，而且很難在短時間內(nèi)實現(xiàn)全面的覆蓋。

（3）物聯(lián)網(wǎng)/傳感網(wǎng)：就是利用射頻識別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等各種信息傳感設(shè)備，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，讓所有的物品都能夠遠(yuǎn)程感知和控制，從而實現(xiàn)智能管理的節(jié)能系統(tǒng)[2]。該方法需要各種傳感設(shè)備的支撐才能達(dá)到預(yù)期效果，適合小范圍內(nèi)的智能管理。

（4）低壓電力載波：電力線載波通信（Power Line Carrier Communication，簡稱PLCC）以輸電線路為載波信號的傳輸媒介的電力系統(tǒng)通信。開發(fā)出相應(yīng)的載波芯片和通信協(xié)議，使用電力線作為載體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、管理、監(jiān)控功能，實現(xiàn)智能化、節(jié)能性管理[3]。這種方法的優(yōu)勢顯而易見，具有節(jié)省大量人力、物力；工期短、施工快；擴容、擴展便捷；無運營維護費用；改造不影響業(yè)主正常工作，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。

綜合分析以上節(jié)能方式，電力載波通信技術(shù)是一種較為合理、經(jīng)濟、有效、適用性強的實現(xiàn)方式[4]?？梢詮男@實際需求出發(fā)，改變落后的人工抄表方式，采用凱星公司的“多頻段自適應(yīng)直接序列展頻通信技術(shù)”，科學(xué)合理地設(shè)計節(jié)能方案，搭建節(jié)能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)校園用電的信息化、智能化管理。

2 基于PLCC的校園節(jié)能系統(tǒng)方案設(shè)計

本文在研究載波通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上，搭建節(jié)能應(yīng)用系統(tǒng)，將載波通信技術(shù)全面應(yīng)用到校園的教室照明、行政辦公樓照明、體育場館照明等的節(jié)能管理與科學(xué)調(diào)配中，按需實現(xiàn)電遠(yuǎn)程自動抄表、計量、通/斷控制[3]，從而解決高校校園普遍存在的用電浪費現(xiàn)象，并改善傳統(tǒng)的人工抄表管理方式，實現(xiàn)校園照明的信息化、智能化管理[4]。

（1）結(jié)合高校校園實際用電情況，搭建校園照明節(jié)電系統(tǒng)總體框架圖。

整個系統(tǒng)由三部分組成，如圖1所示：

圖1 基于電力載波通信的校園照明節(jié)能系統(tǒng)框架圖

管理控制中心由電腦、打印機、軟件系統(tǒng)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集終端即本地抄表設(shè)備（每臺可控制5000個終端用戶），終端設(shè)備即載波電表和載波控制器。數(shù)據(jù)采集終端與現(xiàn)場所有的載波電度表和載波控制器組成二級網(wǎng)絡(luò)，可直接利用220V的低壓電力線進行載波通信[5]。每個變壓器臺區(qū)需配一臺載波控制器，它可控制該臺區(qū)下的載波電表以及載波采集終端，實現(xiàn)從變壓器低壓端到終端用戶之間的技術(shù)管理節(jié)能[6]。

（2）進行數(shù)據(jù)集中器和終端控制模塊的設(shè)計。

依據(jù)照明節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用需求，與企業(yè)合作，設(shè)計生產(chǎn)出KS5001載波通信芯片，將KS5001載波通信芯片與外圍電路二次集成，設(shè)計開發(fā)出電力載波專用通信模塊4。將載波模塊與電類產(chǎn)品進行一體化配套設(shè)計，開發(fā)出一系列載波終端系統(tǒng)產(chǎn)品（三相載波電表、控制終端、數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)集中器等），數(shù)據(jù)集中器和控制終端的模塊結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)集中器的模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 控制終端的模塊結(jié)構(gòu)圖

（3）通信協(xié)議的選擇

由于系統(tǒng)需要和終端設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到終端管理控制、數(shù)據(jù)采集等目的，本系統(tǒng)采用上位機與抄錄器通訊協(xié)議（Kslink協(xié)議），方便系統(tǒng)能夠成功和硬件設(shè)備進行交互操作。

該協(xié)議主要實現(xiàn)以下五方面的功能：

①集中器、終端能源表的添加、刪除、修改，以及參數(shù)的設(shè)定?？梢愿鶕?jù)實際情況構(gòu)建相應(yīng)的設(shè)備關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，便于服務(wù)器對設(shè)備的管理。

②終端設(shè)備控制參數(shù)設(shè)置，用于實現(xiàn)能源表的定時開關(guān)、功率限制等控制。能夠為能源部門提供節(jié)能方案實施的途徑。

③遠(yuǎn)程自動/手動相結(jié)合的讀取表數(shù)據(jù)操作，可以準(zhǔn)確地、快速地讀取遠(yuǎn)距離能源表的數(shù)據(jù)，節(jié)約時間、人力、物力。

④終端設(shè)備狀態(tài)反饋，能夠遠(yuǎn)程實施設(shè)備監(jiān)控，對存在問題的設(shè)備進行有目的性的管理維護。

⑤付費方式，警告形式、時長，充值等設(shè)置，可以自動實現(xiàn)收費管理。

3 節(jié)能系統(tǒng)需求分析

（1）節(jié)能管理需求

根據(jù)浙工大屏峰校區(qū)的能耗管理現(xiàn)狀中存在的問題，以及需要實現(xiàn)的目標(biāo)，通過進一步分析，得出本系統(tǒng)的具體節(jié)能管理需求，如下：

①信息管理模塊：其子模塊有區(qū)域信息管理、硬件設(shè)備管理、配表；

②數(shù)據(jù)采集模塊：其子模塊有自動采集、單表采集；

③查詢分析模塊：其子模塊有數(shù)據(jù)查詢分析、日志查詢；

④策略控制模塊：其子模塊有定時器管理、控制群管理、單表控制[7]。

（2）管理配置需求

除了節(jié)能管理需求外，為了保證系統(tǒng)正常運行，確保系統(tǒng)完善性，得出管理配置需求，如下：

①計費管理模塊：費率管理、結(jié)算管理、收費查詢；

②用戶管理模塊：賬戶管理、權(quán)限管理、密碼修改；

③輔助功能模塊：數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)備份/還原。

4 搭建照明節(jié)能系統(tǒng)平臺架構(gòu)

本項目采用Delphi和SQL Server 2008 R2相結(jié)合的方式來進行照明節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，節(jié)能管理系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖4所示。

本系統(tǒng)平臺主要分為三層：數(shù)據(jù)層、接口層和平臺管理層。其中數(shù)據(jù)層包括兩個部分：應(yīng)用數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)。該層主要通過SQL Server 2008來實現(xiàn)的，本系統(tǒng)將應(yīng)用數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫表的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，以便接口層對其進行訪問。接口層主要由數(shù)據(jù)接口和設(shè)備接口組成。數(shù)據(jù)接口用于平臺管理對數(shù)據(jù)層的訪問和操作；設(shè)備接口將平臺和硬件設(shè)備相連接，方便平臺使用者對設(shè)備進行控制操作。平臺管理層包括六個功能模塊：信息管理、數(shù)據(jù)采集、查詢分析、策略管理、計費管理、用戶管理[8]。為了實現(xiàn)對設(shè)備的控制和抄讀，策略引擎和抄表引擎起到了至關(guān)重要的作用，通過這兩個引擎的調(diào)用，平臺才能真正意義上實現(xiàn)節(jié)能管理。本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)層放置在主站服務(wù)器，而接口層和平臺管理層則封裝成客戶端監(jiān)控終端應(yīng)用軟件，用于客戶端的安裝?？蛻舳送ㄟ^訪問主站的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對所有終端設(shè)備的管理和監(jiān)控。

圖4 照明節(jié)能系統(tǒng)平臺整體架構(gòu)

5 節(jié)能管理系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)

5.1 查詢分析功能實現(xiàn)

為了使學(xué)校能夠最為直觀、準(zhǔn)確地了解各區(qū)域、各時間段和各表型的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)表數(shù)據(jù)的多條件查詢、多格式展示是數(shù)據(jù)查詢分析的主要功能。根據(jù)查詢所得的數(shù)據(jù)學(xué)?？梢越Y(jié)合以往能源管理經(jīng)驗和能源使用的實際情況，制定相應(yīng)的、具有針對性的節(jié)能管理策略。在本系統(tǒng)中，用戶可以按時間（年、季、月）、區(qū)域（集中器、群組、組用戶）、表型（水、電表）組合條件查詢所需的能源表數(shù)據(jù)，最后還能夠根據(jù)需求展示表格、折線、柱狀圖、餅圖。以模擬數(shù)據(jù)中的家和東苑-東12#101用戶為例，其電表在2017年6月的數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。

5.2 計費管理模塊實現(xiàn)

（1）費率管理

費率管理有三種方式：普通費率、梯度費率、分時段費率。普通費率和梯度費率的管理與群組、組管理非常相似，故此處就不再介紹其實現(xiàn)方式。由于分時段費率是基于分時段管理來實現(xiàn)的，故要設(shè)置分時段費率，并需先添加分時段管理。

分時段的設(shè)置必須在歸屬于集中器下來實現(xiàn)，選擇集中器后，添加時段數(shù)，然后設(shè)置時段的時間界限，其中時間段必須為遞增的。如圖7所示。

完成分時段設(shè)置后，點擊分時段費率設(shè)置，選擇集中器，界面就會顯示該集中器下的分時段設(shè)置情況，然后為每個時段設(shè)置費率，即可完成分時段費率設(shè)置。如圖8所示。

圖5 抄表數(shù)據(jù)折線圖

圖6 抄表數(shù)據(jù)餅圖

圖7 分時段窗口

圖8 分時段費率窗口

（2）結(jié)算管理

點擊計費管理中的結(jié)算管理，可以實現(xiàn)對終端能源表的結(jié)算，通過查詢條件查詢出需要結(jié)算的設(shè)備，然后選擇結(jié)算方式，對這些終端能源表的用量進行結(jié)算，以便收費使用。

5.3 用戶管理模塊實現(xiàn)

用戶管理主要是有三個子模塊：賬戶管理、權(quán)限管理和密碼修改。

（1）賬戶管理

管理員可通過賬戶管理模塊實現(xiàn)新增、修改和刪除賬戶操作，對賬戶信息進行統(tǒng)一管理?？梢酝ㄟ^主菜單欄中的高級操作，點擊賬戶管理圖標(biāo)，即可進入賬戶管理頁面。管理頁面如圖9所示。

圖9 分時段費率窗口

（2）權(quán)限管理

此模塊主要是由管理員對每個系統(tǒng)用戶分配相應(yīng)的權(quán)限，控制他們對系統(tǒng)的操作范圍，防止用戶誤操作，保證信息安全性。單擊賬戶管理頁面上的“權(quán)限”按鈕，打開權(quán)限設(shè)置，對權(quán)限進行選擇設(shè)置。權(quán)限列表如圖10所示。

圖10 權(quán)限列表

（3）密碼修改

每個用戶在使用初始密碼登錄系統(tǒng)后，可以對用戶密碼進行重新設(shè)置，保證用戶信息的安全性。

6 結(jié)語

本文主要研究基于電力載波技術(shù)在校園用電節(jié)能管理上的應(yīng)用，對節(jié)能系統(tǒng)的整體軟硬件架構(gòu)、節(jié)能技術(shù)與方案以及功能結(jié)構(gòu)進行了簡單的介紹。依據(jù)浙工大校園的自身用電情況，設(shè)計并開發(fā)了基于PLCC的節(jié)能管理信息系統(tǒng)，通過科學(xué)的策略調(diào)配、能耗監(jiān)測，從而實現(xiàn)了高校校園用電的節(jié)能管理和信息化管理。