安科瑞 吴玲霞

0、引言

  随着社会的发展，能源的消耗量也在迅速增长，特别是建筑能耗的增长特别迅速，已经成为除工业、交通外的第三大能源消耗。按照当前建筑业的发展趋势，在若干年后社会的能源产出将无法满足能源的需求，所以减小能源的消耗量是一个十分重要的且需要尽早解决的问题。在建筑能耗中，大型公共建筑的能源消耗量占据了很大的份额，虽然其总能耗量远不如住宅建筑消耗量大，但是单位面积的能耗消耗量十分巨大，所以大型公共建筑的节能工作具有很大的潜力。大型公共建筑能耗监测系统的建设使得人们可以充分了解大型公共建筑的能耗使用情况，为提出有效的节能减排政策与决策奠定基础，随着中国城市化进程的推进、经济的发展，我国建筑能耗总量呈持续增长的态势，并且增长速度有越来越快的趋势。如果任由建筑能耗照此速度增长，必然给中国能源供应安全带来极大的压力，因此建筑节能势在必行。

  本文以浙江省黄龙体育中心游泳跳水馆为例，通过能耗在线监测系统数据传输网络的搭建、数据采集与分析等，介绍了能耗在线监测系统在大型共建的应用。

1、项目概述及建设目标

  黄龙体育中心跳水馆新建工程位杭州市西湖区黄龙路1号，地下层,主要功能为汽车库、设备用房，地上部分,主要功能为跳水赛事。本建筑为二类高层建筑。

整个大楼采用两路独立的10KV高压进线，经地下室10/0.4KV变配电所后供电，供电工作电压为三相五线 380/220V。本工程地下室设置10/0.4KV变配电所，在楼层配电箱设分项计量，共48路计量节点，包括照明、插座、空调等，具体建设目标如下：

  （1）实现能耗数据分项计量；

  （2）部分区域实现分户监测、计量与集中管理；

  （3）清晰描述总的用能现状，找出能源管理存在的问题，提供能源管理工作改进的方向；

  （4）使能源管理部门对能源系统进行有效的监测与管理；

  （5）为节能降耗研究、设计与建造提供参考数据。

  综合能耗：实现跳水馆电资源消耗的自动、实时、在线数据采集、传输及存储。

  分类计量：根据用户能源构成，统计各能源消耗进行统筹管理。

  分项计量：电能消耗要根据用电类型细分计量：照明与插座用电、空调用电、动力用电、其他特殊用电等。

2、能耗在线监测系统的设计

  整个能耗在线监测系统的设计是以《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据传输技术导则》、《浙江省国家机关办公建筑和大型公共建筑用电分项计量系统设计标准》等相关技术导则为基础，建设符合用户实际需求的能耗在线监测系统，整个系统完成了建筑内部能耗计量仪表和能耗数据采集装置的安装，实现从建筑采集能耗数据，远程传输数据，数据统计与展示的功能。整个系统包括能耗数据的原始采集、能耗数据的在线传输、能耗数据的在线分析诊断等，通过能耗计量装置的安装，实现能耗数据的原始采集；通过通讯管理机的安装，实现能耗数据的在线传输；通过能耗数据的采集存数，形成可视化趋势，确定较高能耗范围 诊断形成高耗原因；通过后期的配置节能节电产品 改进运营管理模式，进行节能降耗；通过节能降耗前后数据对比，查看节能降耗实施效果。

2.1 能耗数据的原始采集

  能耗数据的原始采集是整个能耗在线监测系统的基础，是整个能耗在线监测系统的基本构成元素，指依据国家机关办公建筑和大型公共建筑消耗的主要能源种类的划分，建筑能耗应包括耗电量，耗水量，耗气量，集中供热耗热量，集中供冷耗冷量和其他能源消耗量，分项能耗数据是指分类能耗数据中的一类或多类再细分为若干项。如电能又可以分为4类分项，插座照明用电，空调用电，特殊用电和动力用电，且每一个分项又可再分为若干子项。插座照明用电包括了建筑内部主要工作区域照明，普通设备用电等。可细分为插座照明用电，应急照明及走廊用电，室外照明用电三个子项。空调用电主要是指为建筑内部提供制冷和制热所消耗的电能，其也包括两个子项，冷热站电能使用和空调末端电能使用。动力用电是为建筑内提供动力服务使用的电能，包括电梯用电、水泵用电、通风机用电三个子项。这些分类分项数据要在采集器内部进行计算和存储，并定时与数据中心建立连接发送原始数据。本建筑中，涉及到的能耗信息主要包括耗电量，按照分类、分项计量系统的设计要求，本建筑中用电计量采用多功能电度表，在各楼层照明配电箱、空调配电箱、动力配电箱以及其他特殊用电配电箱安装多功能电表，实现电能的分项采集。

  多功能电表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus-RTU通信协议，所有多功能电表有功电度计量精度达到0.5级，

2.2 数据传输

  数据传输是指原始分类分项数据经由数据采集器通过Internet或GPRS等远程通讯方式将能耗原始数据从有离散分布的建筑群上传到数据中心，并将数据进行处理，完成原始数据存储的过程。在该过程中，数据采集器将定时采集到的数据进行累加，形成可扩展标示语言（XML）格式的数据包，数据包中不仅包含需要上传的数据还包括对应的建筑信息和采集器信息等。采集器还要对要传输的数据包进行加密处理，一般采用128位aes加密处理以保证数据的安全并进行上传工作。整个系统的数据传输网络包括现场计量采集装置与采集器之间的485网络以及采集器与数据中心之间以太网，现场计量采集装置与采集器之间通过RS-485的总线方式，实现计量采集装的手拉手式的连接，最终接入采集器，每路485总线连接计量采集装置的数量在20只左右；采集器与数据中心之间通过建筑内部智能化网络实现数据的远传传输，整个系统的网络结构如下图所示：

2.3 能耗在线监测系统软件功能设计

1）能耗在线监测数据处理

数据有效性验证

  计量装置采集数据一般性验证方法：根据计量装置量程的最大值和最小值进行验证，凡小于最小值或者大于最大值的采集读数属于无效数据。

  电表有功电能验证方法：除了需要进行一般性验证外还要进行二次验证，其方法是：两次连续数据采读数据增量和时间差计算出功率，判断功率不能大于本支路耗能设备的最大功率的2倍。

分项能耗数据计算

  各分项能耗增量应根据各计量装置的原始数据增量进行数学计算，同时计算得出分项能耗日结数据，分项能耗日结数据是某一分项能耗在一天内的增量和当天采集间隔时间内的最大值、最小值、平均值；根据分项能耗的日结数据，进而计算出逐月、逐年分项能耗数据及其最大值、最小值与平均值。

  当电表有功电能的出现满刻度跳转时，必须在采集数上增加电表的最大输出数，保证计算处理结果的正确性。

2）能耗在线监测管理软件架构

  能耗在线监测系统采用C/S（客户机/服务器）架构的分布式网络结构，系统采用标准化、网络化、功能分布的体系结构，且有高度的可靠性和维护方便性 。系统具备软、硬件的扩充能力，支持系统结构的扩展和功能的升级。可以根据系统的规模和特殊需求，充分优化网络各节点资源和均衡网络负担，并便于系统的分阶段实施。

3）能耗在线监测管理软件系统组成

  整个管理系统由4部分组成：OPC数据采集终端、数据拆分存储终端、数据监控终端、数据分析与展示终端，各部分的功能如下：

OPC数据采集终端

  通过国际通用的OPC接口，采集终端每隔15分钟将所有智能仪表中参数的当前值存储到数据库中，用于之后的能耗分析。

数据拆分存储终端

  采集终端采集到的数据首先存储在数据库的原始数值表中，为了方便之后的数据分析以及加快分析的速度，需将该表的数据进行拆分，表数据拆分的结果分别存储到能耗逐时汇总表（按小时汇总）、能耗逐日汇总表（按天汇总）中。系统通过在数据库中建立逻辑严密的数据拆分存储过程，保证了拆分结果的准确。

数据监控终端

  通过从数据采集终端读取数据，集中显示所有智能表具的当前即时状态信息，显示整个系统的运行状态，并根据客户配置，主动显示报警信息，并将异常数据存储以便今后分析。

数据分析与展示

  将数据库中的能耗数据进行多维分析和钻取，利用目前主流的数据图形化展示组件，以图表形式直观反映和对比各项能耗数据，并统计能耗数据的数值、趋势和分布情况。图表展示方式包括：饼图、柱状图、堆积图、线图、面积图、仪表盘等。

4）软件功能模块

能耗综合主界面

  通过综合能耗主界面可以反映建筑物当年用能各分类能耗和折算为标准煤的综合能耗，并计算得到单位面积能耗；界面下方显示这能耗的当日逐时用能曲线；单击每个分类能耗的上部区域，可跳转到该分类能耗的用能分析主界面；可通过下拉框切换建筑物。

分项用电数据统计

  将电耗进行逐时、逐日、逐月、逐年统计。统计数据采用饼图、柱状图、线图、区域图等各种图形展示方式，直观反映各项统计数据的数值、趋势和分布情况。用电支路趋势分析

   统计各区域、各设备电能消耗，准确定位用电消耗大户，制定节能绩效考核制度，推动节能降耗的真正有效执行。为用能重点设备建立运行记录档案，长期跟踪记录设备运行过程中的能效分析评估结果，结合设备维护保养记录，为设备的运行维护提供依据。

能耗数据同环比分析

   将各种类型和各主要耗能设备的能耗与去年同期值和上月值进行同比环比分析，检验节能效果，根据分析结果执行节能绩效考核，以及节能目标的修正。

能耗数据分时统计

  将能源类型、负载类型、区域能耗按照时间区分，按时、天、月、年、工作日、非工作日等对用能数据进行全方位对比分析，精确掌握能源具体消耗情况。可将每天用能按时段设置峰、平、谷，统计各时段能耗，降低闲时能耗。

电能数据实时监测和预警

  通过高精度智能仪表以技术手段实现自动化全实时、高密度的实时用能监测，减少用能的“跑、冒、滴、漏”和计量误差。实时监视现场仪表的回传数据，对电能进行合理的管控和预警，及时发现并改正运行中存在的用电异常，随时处理。按需设置重要设备的超标预警值，超标时醒目提醒并主动记录。

3、能耗在线监测系统建设的意义

  大型公共建筑能耗监测系统是按照国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设的相关技术导则进行设计的一个多层次，多功能，跨区域，可双向交换信息的复杂系统。通过搭建这样的能耗监测系统可以实时监测建筑的能耗使用情况，通过能耗数据的分类分项计算，数据的分时统计，公共展示平台等，能促使国家机关办公建筑和大型公共建筑提高节能运行管理水平，为政府机关制定切实有效的政策和决策提供参考和有力的支持，并过能源综合管理系统软件对各电能计量点的用电量实施在线计量、动态监测、集中管理、科学考核，通过有效的末端监控管理，综合性地实现整体节能，为高能耗建筑的进一步节能改造提供依据。

参考文献：

  [1]《能效管理系统设计安装图册》