高等學校的能源管理系統(tǒng)平臺研究和應用

摘要：能源與發(fā)展的矛盾已成為大家伙關(guān)注的焦點，高等學校做為一個特定的環(huán)境，近年來辦學規(guī)模、校園面積、師生數(shù)量急劇增長，對能源的消耗也大幅提高。為抑制能源不合理增長，實現(xiàn)低碳發(fā)展，本文通過對校園能源管理平臺的研究，以達到使用網(wǎng)絡系統(tǒng)對能源進行監(jiān)測、控制和降低消耗的目標。

關(guān)鍵詞：能源;管理平臺;數(shù)據(jù)采集分析;網(wǎng)絡

一、引言

進入新世紀以來，能源與發(fā)展的矛盾成為當今世界關(guān)注的焦點。我國能源相對匱乏，更需要合理利用資源，并將其作為經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針。近年來國內(nèi)外的研究機構(gòu)和企業(yè)均對能源管理系統(tǒng)的研制給予較大的投入，如德國西門子公司開發(fā)的Simaris管理軟件，在大型商業(yè)區(qū)和社區(qū)中得到廣泛使用，該系統(tǒng)平臺可以提供全方位的能源管理功能。亞洲的日本、韓國等國家對能源使用的監(jiān)控也大都實現(xiàn)了系統(tǒng)化管理。由于國外高等學校的發(fā)展歷史較長，社會化程度高，在能源的管理和控制上已納入了社區(qū)系統(tǒng)管理。我國的高等學校由于行政隸屬的關(guān)系，在能源的使用上仍然要在高等學校內(nèi)部進行掌控，加之部分設(shè)施設(shè)備使用年久，而高等學校節(jié)能管理方面，業(yè)務技術(shù)水平參差不齊，資金投入有限，無法實現(xiàn)全方位的節(jié)能改造，能耗監(jiān)控和管理。同時隨著我國高等學校辦學規(guī)模、校園面積、師生數(shù)量的急劇增長，能源消耗更是大幅提高。如何有效提升能源的使用效率，抑制能源需求的不合理增長，是高等學校節(jié)能降耗所面臨的一個重要問題。國外的能源管理系統(tǒng)對于我國高校的能源管理來說，并不完全相適應，在管理體系上也與我國的大環(huán)境有所區(qū)別，因此我國高等學校要建立適應國內(nèi)體制的能源降耗管理平臺。目前國內(nèi)高等學校在新校區(qū)的建設(shè)和老校區(qū)的改造中，逐步引入了建筑自動化管理系統(tǒng)(BAS)和物業(yè)管理系統(tǒng)(FMS)，并通過這些系統(tǒng)來進行建筑能耗的管理。鑒于此，本文構(gòu)建了基于Internet/局域網(wǎng)/無線(GPRSZ、ZigBee)等通信網(wǎng)絡與校園網(wǎng)絡相結(jié)合的校園能源管理平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享、能源監(jiān)測、在線控制等功能。

二、高等學校能源管理平臺的構(gòu)建

校園能源管理平臺的構(gòu)建旨在通過校園網(wǎng)絡實現(xiàn)校園能耗的管理和監(jiān)控，進行數(shù)據(jù)交換和共享，協(xié)調(diào)處理能耗用戶、設(shè)施設(shè)備之間的關(guān)系，改善優(yōu)化能源環(huán)境。平臺主要由三個部分構(gòu)建而成:使用電力線載波智能化網(wǎng)絡電表或射頻卡水表等表具的終端，基于IP技術(shù)和電力載波技術(shù)的數(shù)據(jù)集中器或遠程抄表技術(shù)，能源管理平臺系統(tǒng)軟件。

1.數(shù)據(jù)采集終端

高等學校的能耗設(shè)施設(shè)備以往所裝置的終端表具大多是傳統(tǒng)的電子式或機械式計量表，由于其機械齒輪易于磨損，容易造成數(shù)據(jù)不準，而且表具體積大而笨重，如電表本身也會產(chǎn)生較大功耗。目前由于技術(shù)的更新?lián)Q代，終端表具的技術(shù)含量也大幅提升，采用單項電力線載波的LED電能表和CPU射頻卡表具等得到廣泛應用。這些終端的使用，延長了表具的壽命，而且故障率極低，實現(xiàn)遠程抄表和收費控制，表具功耗也大為降低。以電表為例，具備電力線載波采集器的電表，可以輕松做到雙向電力線通信，同時可以記錄多個用電參數(shù)，包括供電質(zhì)量、故障預警、異常報告等。

2.數(shù)據(jù)集中及遠程抄表技術(shù)

以用電數(shù)據(jù)遠程集抄為例，利用電力線載波傳遞電表的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程集中抄表和收費控制。通過具有擴頻載波通信技術(shù)的強抗干擾電力線，可以將校園用電設(shè)施設(shè)備的用電量遠程集中。電力線遠程傳輸技術(shù)實現(xiàn)了智能設(shè)備的即插即用，數(shù)據(jù)集中器根據(jù)用戶的設(shè)定來采集和儲存來自電表的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集中器通過連接到TCP/IP的廣域網(wǎng)絡來實現(xiàn)遠程通信，可以將控制命令和數(shù)據(jù)文件下載到相關(guān)設(shè)備中，并控制一組電表或一個電表。數(shù)據(jù)集中器除了可以采集數(shù)據(jù)外，還可以增加控制過程，如安全檢測和遠程控制能力，在系統(tǒng)運行中監(jiān)測電表和線路的運行故障，以及任何人為改變相線連接的現(xiàn)象，有效防止故障和竊電現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時，可進行遠程控制線路的切換和中繼調(diào)整。建立與能源管理平臺軟件的連接，通過軟件驅(qū)動的方式，實現(xiàn)對不同能耗設(shè)施設(shè)備及各種子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，基于標準的Microsoft架構(gòu)和成熟的網(wǎng)絡服務(SQLServer等)以及通信協(xié)議(TCP/IP、HTTP、FTP等)與能源管理平臺互聯(lián)。能源數(shù)據(jù)可以利用校園網(wǎng)在不同的子系統(tǒng)或設(shè)施設(shè)備中采集而得，使用軟件協(xié)議無縫鏈接，實現(xiàn)遠程自動化采集。

3.能源管理系統(tǒng)應用軟件

能源管理平臺是基于現(xiàn)代電子與信息技術(shù)，應用遠程網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)對能源的使用進行監(jiān)控，利用智能卡、電子采集器等技術(shù)對能源的使用進行有效控制的智能管理平臺，平臺的建立可以利用學校的校園網(wǎng)絡，并基于現(xiàn)有的BAS、FMS或其它系統(tǒng)運行。在技術(shù)和設(shè)備上可以使用當前較為成熟的網(wǎng)絡連接模式和電子設(shè)備，以保證整個系統(tǒng)平臺的穩(wěn)定、可靠，同時兼顧可擴展性和易維護性原則。整個系統(tǒng)以開放式架構(gòu)，執(zhí)行相關(guān)的國際標準或工業(yè)標準，以保證各供應商產(chǎn)品的協(xié)同運行，考慮投資者的長遠利益。系統(tǒng)軟件可以做成以web－service為接口的、多功能開放軟件，能夠用來管理、控制和配置水、電等能源表具和數(shù)據(jù)采集器。系統(tǒng)與目前的網(wǎng)絡系統(tǒng)相兼容，可以匯總和報告網(wǎng)絡用能突發(fā)事件，允許遠程配置能源表具和數(shù)據(jù)集中器，調(diào)整計費率。允許系統(tǒng)遠程控制表具的開關(guān)，適應不同大小規(guī)模的系統(tǒng)運行，維系從表具、采集器到服務器乃至整個系統(tǒng)的時鐘。系統(tǒng)軟件還可以集成多應用模塊組合，包括數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)分析與匯總模塊、安全運行模塊、緊急事務處理模塊、數(shù)據(jù)庫與能源應對策略模塊等，系統(tǒng)平臺以視窗界面呈現(xiàn)，實現(xiàn)有效的能源策略分析。在上述模塊中通過運行流程及時確認能源使用異常狀況，提供修正措施，使能源的利用較大效益化，避免造成整個能源網(wǎng)內(nèi)的故障。

三、高等學校能源管理平臺的功能實現(xiàn)

校園能源管理平臺，是通過對校園能源消耗數(shù)據(jù)的自動采集，進行集中統(tǒng)計和數(shù)據(jù)綜合分析，實現(xiàn)校園內(nèi)能耗數(shù)據(jù)的共享、交換、檢測、管理和控制。BAS與FMS系統(tǒng)做為現(xiàn)代化大型建筑與社區(qū)物業(yè)管理的常用系統(tǒng)，近年來部分高等學校在新建校區(qū)中已逐步將其推廣和使用，而隨著能源管理的重要性日益提高，利用上述系統(tǒng)和校園網(wǎng)絡，實現(xiàn)能源使用的監(jiān)測、控制和管理是完全可行的。借助校園網(wǎng)絡以及BAS與FMS系統(tǒng)，該平臺可以根據(jù)能源使用設(shè)施和設(shè)備的用能情況進行監(jiān)視，設(shè)置模擬屏，對各耗能單元進行全局監(jiān)控。如整個系統(tǒng)或局部單元出現(xiàn)能耗異常，可立即顯示異常部位并示警，便于管理人員及

時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況。平臺在運轉(zhuǎn)中可以實現(xiàn)如下功能:

1.用能監(jiān)控功能

能源管理平臺可以實時對能源的使用進行監(jiān)控、故障示警、異常報告。平臺做為整個校區(qū)能耗的控制中心，也同時承擔著日常能源供給的調(diào)配，保證校園教學、科研和生活的正常用能，并在突發(fā)事件期間實施能源應急調(diào)度預案，以保證能源供應的安全穩(wěn)定。平臺的監(jiān)視功能還包括能源輸送系統(tǒng)的各類變化，如能源的輸入輸出量、各用戶能耗的遠程監(jiān)控、動力介質(zhì)的發(fā)生量和介入量、異常監(jiān)控報警等。

2.數(shù)據(jù)采集功能

能源管理平臺將校區(qū)的所有用能單位和耗能設(shè)施設(shè)備納入網(wǎng)絡系統(tǒng)，實時將整個校區(qū)的能源數(shù)據(jù)采集進入系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)管理模塊。

3.數(shù)據(jù)匯總和分析功能

管理平臺對采集的能源實時數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)浇K端，匯總到平臺工作站，借助平臺的用戶查詢界面，可以對各類數(shù)據(jù)進行匯總、歸檔和分析，并提供過程曲線。管理平臺還可以按時間分布、數(shù)值類型、建筑分類等對歷史數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和管理。對于匯總的計量與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在平臺對采集的原始數(shù)據(jù)進行核查后，可以按指定的時間、要求輸出系統(tǒng)報表。

4.賬務管理功能

對用戶應用權(quán)限、遠程數(shù)據(jù)存取進行全面管理，提供各時段能耗計價費率，并以貨幣方式顯示能耗費用，可以通過銀行終端POS機，實現(xiàn)對用戶應繳費用的收納和支付。

四、系統(tǒng)功能

1.系統(tǒng)概況

平臺運行狀態(tài)，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時、逐月曲線，當日，當月能耗同比分析滾動顯示。

2.用能概況

對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項等用能進行對比，支持當日逐時趨勢、當月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計對比、總能耗同環(huán)比對比。

3.用能統(tǒng)計

對建筑、區(qū)域、分項、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進行統(tǒng)計，支持報表數(shù)據(jù)導出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進行生成柱狀圖。

4.復費率統(tǒng)計

復費率報表按日、月、年統(tǒng)計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析。支持數(shù)據(jù)導出到EXCEL。

5.同比分析

對建筑、分項、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結(jié)合的方式進行用能數(shù)據(jù)同比分析。

6.能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑指定時段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標值查看。

7.夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在指定時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，支持導出報表。

8.設(shè)備管理

設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運行。

9.用戶報告

用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結(jié)果，針對用電提供單獨的復費率用能分析，報告可編輯。

五.系統(tǒng)硬件配置

六、結(jié)束語

我國能源短缺的現(xiàn)狀，今后仍將是制約國民經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。網(wǎng)絡化能源管理平臺的建立，符合我國能源發(fā)展的長遠戰(zhàn)略。本文通過對能源管理系統(tǒng)的研究，提出了基于BAS和FMS的能源管理平臺的構(gòu)建模式，該平臺的建立可以迅速提升能源管理的技術(shù)層次，提高管理人員和能源使用者的節(jié)能意識，高效率的降低能耗。在實際應用中可以通過對現(xiàn)有管理系統(tǒng)的擴展，依賴互聯(lián)網(wǎng)絡(校園網(wǎng))，實現(xiàn)能源的高水平管理和使用。這一平臺的實現(xiàn)，可以有效的節(jié)約能源，降低高校的運行成本，對社會的發(fā)展起到積極作用。

參考文獻：

[1]童曉渝，房秉毅，張云勇．物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析［J］．移動通信，2010(9):16-20．

[2]程大章，沈曄．智慧城市的規(guī)劃設(shè)計［J］．智能建筑與城市信息，2013(8):88-93．

[3]楊石，羅淑湘，鐘衍，等．大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺存在問題及其初步解決方案［Ｊ］．建筑技術(shù)，2014.45（8）：714-718．

[5]曹敏．公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［Ｄ］．電子科技大學，2018．

[6]吳兆立，張琴，基于大數(shù)據(jù)的公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用.

[7]陳彤宇.高等學校能源管理系統(tǒng)平臺的研究

[8]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊.2022.05版

審核編輯 黃昊宇