如何建設(shè)智能電網(wǎng)用戶端能耗監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：大型公共建筑總面積不足城鎮(zhèn)建筑總面積的4%，但總能耗卻占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%，大型公共建筑單位面積年耗電量達(dá)到70～300KWh，為普通居民住宅的10～20倍。公共建筑是節(jié)能大戶和節(jié)能主要對象，做好公共建筑節(jié)能工作，對帶動全社會節(jié)能工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，落實(shí)“轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)”重大戰(zhàn)略具有重要意義。本文介紹中美信托金融大廈(總體)建筑綜合建筑，采用智能電力儀表采集配電現(xiàn)場的各種電參量和開關(guān)信號。系統(tǒng)采用現(xiàn)場就地組網(wǎng)的方式，組網(wǎng)后通過現(xiàn)場總線通訊并遠(yuǎn)傳至后臺，通過Acrel-5000型建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配電回路用電的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 引言

目前，統(tǒng)計(jì)顯示，我國建筑能耗約占全國總能耗的28%，在我國每年新建的20億平方米建筑中，其中99%是高能耗建筑;而既有的建筑中，僅有4%采取了節(jié)能措施。大型公共建筑不但能耗密度高，而且能源浪費(fèi)非常嚴(yán)重，具有巨大的節(jié)能空間，建筑節(jié)能的推廣已經(jīng)勢在必行，節(jié)能降耗，計(jì)量先行。

建設(shè)智能電網(wǎng)用戶端能耗監(jiān)測系統(tǒng)有三個目標(biāo)：

(1)電能監(jiān)測與節(jié)能優(yōu)化：對用電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)特別是耗能設(shè)備用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測計(jì)量、數(shù)據(jù)采集、匯總分析、縱橫比較等，發(fā)現(xiàn)電能使用不合理之處，通過人工干預(yù)或自動控制的方法進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化用能設(shè)備，提高電能的使用效率。

(2)用戶端與電網(wǎng)公司管理系統(tǒng)的互動：在智能電網(wǎng)中，電網(wǎng)公司為提高電力設(shè)施的負(fù)荷率要求用戶端某些設(shè)備能夠需求響應(yīng)，其使用能夠盡量避開用電高峰而在用電低谷時(shí)使用，幫助電網(wǎng)削峰填谷。

(3)管理分布式能源設(shè)備的接入：用戶端儲能設(shè)備、電動汽車以及可再生能源設(shè)備接入電網(wǎng)可能對電網(wǎng)產(chǎn)生重大沖擊，這些設(shè)備也可能將電能輸送的電網(wǎng)，所以需要一個很好的能耗監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行管理。

2 項(xiàng)目概況

中美信托金融大廈(總體)建筑能源消耗主要能耗為用電，對其配電室和樓層配電箱用電進(jìn)行計(jì)量管理。整個能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)由一個節(jié)能監(jiān)管中心、多個現(xiàn)場采集計(jì)量系統(tǒng)組成，計(jì)量系統(tǒng)之間通過局域網(wǎng)進(jìn)行通訊。設(shè)置能源管理中心，將各用能節(jié)點(diǎn)安裝的能源計(jì)量數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳至數(shù)據(jù)中心，軟件可依據(jù)不同權(quán)限訪問中心服務(wù)器，實(shí)時(shí)查看能耗情況。系統(tǒng)管理平臺軟件采用C/S結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)完整的管理、操作功能，對客戶端的用戶，在通過多種授權(quán)驗(yàn)證后，同樣提供查詢、數(shù)據(jù)分析結(jié)果展示、管理、監(jiān)控等功能。

用戶端能耗監(jiān)測系統(tǒng)功能

(1) 主控制系統(tǒng)功能

主控制系統(tǒng)作為專家決策系統(tǒng)，是一個 SCADA 軟件，將各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，并根據(jù)各種不同的情況決定各個子系統(tǒng)的控制。

(2) 配電監(jiān)控子系統(tǒng)功能

它由多種獨(dú)立的功能模塊組成，包括保護(hù)設(shè)備定值在線管理、事件報(bào)警管理、錄波數(shù)據(jù)管理等。

配電監(jiān)控子系統(tǒng)采集和處理的基本數(shù)據(jù)：模擬量(遙測)包括功率、電流、電壓、變壓器溫度、系統(tǒng)頻率等。數(shù)字量(遙信)包括開關(guān)位置信號、事故信號、微機(jī)保護(hù)信號、以及設(shè)備工作狀態(tài)等。

(3) 智能表計(jì)子系統(tǒng)功能

智能表計(jì)子系統(tǒng)能夠海量數(shù)據(jù)的采集、交換、通信、存儲與共享;企業(yè)用能實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析和報(bào)表系統(tǒng)，故障報(bào)警和快速定位;用戶端電網(wǎng)諧波檢測和分析;能耗監(jiān)測、分析、評估，能耗分項(xiàng)計(jì)算以及碳排放計(jì)算;根據(jù)電力公司的需量限制對實(shí)際用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)警和控制。通過智能表計(jì)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)中“雙向”互功功能，智能儀表通過網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備實(shí)時(shí)通訊，提供用戶的能源需求數(shù)據(jù)給智能電網(wǎng)，同時(shí)將智能電網(wǎng)的不同時(shí)間段的電能信息傳遞給用戶端，讓用戶直接選擇電能消費(fèi)。

(4)設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)功能

設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)既是一個設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)，又是一個可以自成體系、記錄各種能量變化并可實(shí)現(xiàn)互動控制的用戶能耗監(jiān)測系統(tǒng)。管理中心通過網(wǎng)絡(luò)連接多個分中心，每個分中心管理連接當(dāng)?shù)氐倪@部分設(shè)備，通過能源管理控制器、電表、智能開關(guān)、繼電保護(hù)裝置和各種智能控制器實(shí)時(shí)采集主要耗能、儲能或生產(chǎn)能源設(shè)備的信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，根據(jù)能源控制中心下達(dá)給分中心的要求，調(diào)節(jié)每個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，能源的消費(fèi)和生產(chǎn)。

(5)智能家居子系統(tǒng)功能

智能家居是目前智能電網(wǎng)比較關(guān)注的領(lǐng)域之一。智能電表與智能家居有機(jī)結(jié)合才能更科學(xué)合理地控制家居內(nèi)的家電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)、削峰填谷、節(jié)能減排功能。

(6)儲能設(shè)備、分布式能源設(shè)備、汽車充電設(shè)備監(jiān)控技術(shù)

分別研究低壓側(cè)(380V/220V)儲能設(shè)備、分布式能源設(shè)備和汽車充電設(shè)備在上位機(jī)系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式和管理方法。

3 設(shè)備選型

※ 多功能網(wǎng)絡(luò)儀表

功能：有功電度、電流、電壓、有功功率、功率因素

精度等級：不低于0.5級;互感器精度：不低于0.5級

電氣接口：RS-485

通信協(xié)議：MODBUS-rtu

數(shù)據(jù)采集的功能

1 提供計(jì)量裝置靜態(tài)信息人工錄入功能能按各計(jì)量裝置、各分類、分項(xiàng)能耗的關(guān)系進(jìn)行設(shè)置;

2 能靈活設(shè)置各計(jì)量裝置通信協(xié)議、通信通道以及計(jì)量裝置名稱、配置位置等基本屬性;

3 能在線監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各計(jì)量裝置和傳輸設(shè)備的通信狀態(tài)，具故障報(bào)警提示功能;

4 能靈活設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)各采集設(shè)備數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集周期。不宜大于15min。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

安科瑞Acrel-5000建筑能耗分析管理系統(tǒng)以工作站主機(jī)、通訊設(shè)備、測控單元為基本工具，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺，它可以和檢測、控制設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用分層分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示：中美信托金融大廈(總體)建筑能耗管理系統(tǒng)站控管理層及網(wǎng)絡(luò)通訊層。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該建設(shè)項(xiàng)目中美信托金融大廈(總體)建筑安裝的385塊多功能電表，電表通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議，配置多臺智能網(wǎng)關(guān)采集電表數(shù)據(jù);第三方遠(yuǎn)傳水表共112個,通訊協(xié)議，通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議。

5 系統(tǒng)軟件模塊

綜合能耗展示

Acrel-5000能耗管理系統(tǒng)登陸成功進(jìn)入主頁面，主頁面顯示該建筑的建筑圖片，建筑基本信息,建筑當(dāng)月分項(xiàng)用電餅圖和各種能源的消耗量。根據(jù)所選的建筑，對其建筑圖片進(jìn)行加載，可以選擇時(shí)間查看建筑能耗情況，選擇建筑或時(shí)間后自動刷新，默認(rèn)為當(dāng)天。

支路能耗概況

Acrel-5000能耗管理系統(tǒng)可以根據(jù)分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當(dāng)日和當(dāng)月的用能峰值、當(dāng)日用能、當(dāng)月用能、當(dāng)年用能以及昨天同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況;以柱狀圖顯示過去48小時(shí)、31天、12個月、3年的能耗情況;以曲線圖顯示15分鐘的負(fù)荷用能走勢(電表顯示功率曲線，流量表顯示流速曲線)，并顯示當(dāng)前值、15分鐘內(nèi)的峰值。

支路用能

Acrel-5000能耗管理系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)各支路某段時(shí)間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。選擇需要查詢的支路，點(diǎn)擊‘加載數(shù)據(jù)’查看各支路用能趨勢，可根據(jù)已有的日期或者自定義時(shí)間進(jìn)行查詢，并可以將支路用能顯示合計(jì)，以圖表形式顯示。

分項(xiàng)能耗概況

Acrel-5000能耗管理系統(tǒng)可以按照分項(xiàng)進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)與顯示。其中，日分項(xiàng)用能同比分析圖顯示不同分項(xiàng)的當(dāng)日與昨日能耗柱狀圖(藍(lán)色柱表示今日，綠色柱表示昨日);用能餅圖顯示各分項(xiàng)過去31天的用能占比;堆積圖顯示各分項(xiàng)過去31天的能耗趨勢;分項(xiàng)用能排名圖顯示被選中分項(xiàng)對應(yīng)能耗值排名前10位的支路。

分項(xiàng)用能

Acrel-5000能耗管理系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)各分項(xiàng)某段時(shí)間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。選擇需要查詢的支路，‘加載數(shù)據(jù)’查看分項(xiàng)中各支路用能趨勢，可根據(jù)已有的日期或者自定義時(shí)間進(jìn)行查詢。這里的支路都是通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中分類分項(xiàng)的配置而來，默認(rèn)查詢的是當(dāng)月的能耗。

能耗數(shù)據(jù)同比環(huán)比分析

Acrel-5000能耗管理系統(tǒng)可將各種類型(電、水、氣)和各主要耗能設(shè)備的能耗與去年同期值和上月值進(jìn)行同比環(huán)比分析，檢驗(yàn)節(jié)能效果，根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行節(jié)能績效考核，以及節(jié)能目標(biāo)的修正。

圖表導(dǎo)出

Acrel-5000能耗管理系統(tǒng)可將分析的結(jié)果、繪制的圖、表導(dǎo)出到Excel中。

用戶管理

Acrel-5000能耗管理系統(tǒng)用戶權(quán)限管理采用分級模式，為系統(tǒng)管理員、后勤管理人員、設(shè)備維護(hù)人員三級，并對所有操作自動進(jìn)行帶時(shí)標(biāo)事件記錄，可建立良好的反事故措施。

為了使實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，整個系統(tǒng)提供可靠的安全保護(hù)措施，所有的系統(tǒng)操作員能夠根據(jù)權(quán)限大小賦予某特性，這些特性規(guī)定了各個操作員對系統(tǒng)及各種活動的適用范圍，如用戶名，口令字，操作權(quán)限及操作范圍等特性。

配置選項(xiàng)

依照相關(guān)技術(shù)規(guī)范配置建筑物的基本信息，例如：建筑功能、建筑面積、空調(diào)面積、建筑地址等，其中建筑面積等信息將用能單位面積能耗分析;

配置項(xiàng)目中使用的儀表的類型、型號、生產(chǎn)廠家等基本信息，并添加該型儀表所能提供的監(jiān)測參數(shù)信息，此處配置情況影響能耗統(tǒng)計(jì)、分時(shí)段用能統(tǒng)計(jì)、參數(shù)查詢功能;

配置項(xiàng)目中使用到的所有計(jì)量儀表，保存計(jì)量儀表的地址、變比、對應(yīng)的采集器、代碼、監(jiān)測回路的名稱等信息;

配置分項(xiàng)能耗統(tǒng)計(jì)時(shí)涉及到的計(jì)量表計(jì)、所占比例、運(yùn)算方式等信息，可根據(jù)項(xiàng)目情況靈活配置，此處配置信息將影響各分類能耗分項(xiàng)用能分析小模塊中的功能;

配置各部門用能對應(yīng)的計(jì)量儀表、運(yùn)算方式、所占比例以及部門用能計(jì)劃，完成此項(xiàng)配置后將啟用部門能耗分析功能模塊;

配置建筑物中某用能區(qū)域?qū)?yīng)的計(jì)量儀表、運(yùn)算方式、所占比例，完成此項(xiàng)配置后將啟用區(qū)域能耗分析功能模塊

6 前景展望

根據(jù)中美信托金融大廈(總體)建筑能耗運(yùn)行效果分析，建立典型能耗分析模型，統(tǒng)一分析。

建立建筑能耗計(jì)量體系，把脈建筑能耗，發(fā)現(xiàn)能耗黑幕，節(jié)能改造更有針對性，同時(shí)通過計(jì)量收費(fèi)、績效考核等管理措施鞏固節(jié)能改造成果。

選擇節(jié)能設(shè)備(節(jié)能燈、變頻器、熱量回收裝置)。

再好的節(jié)能設(shè)備，管不住浪費(fèi)也無法發(fā)揮節(jié)能效果，通過增加自動化節(jié)能設(shè)備，制定設(shè)備運(yùn)行策略，減少人為干預(yù)，集中管控，使節(jié)能設(shè)備正在實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

通過能耗監(jiān)測系統(tǒng)提供的同環(huán)比分析數(shù)據(jù)量化節(jié)能改造成果，展現(xiàn)節(jié)能效果。

7 結(jié)束語

大型公共建筑總面積不足城鎮(zhèn)建筑總面積的4%，但總能耗卻占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%，大型公共建筑單位面積年耗電量達(dá)到70～300KWh，為普通居民住宅的10～20倍。公共建筑是節(jié)能大戶和節(jié)能主要對象，做好中美信托金融大廈的節(jié)能工作，對帶動節(jié)能工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。

審核編輯：湯梓紅