力控樓宇能源管理系統

　　關鍵字：樓宇,能源管理,力控,設備管理,變配電,能耗,云計算,物聯網,scada,數據庫

　　摘要：樓宇能源管理系統是將建筑物或建筑群內的變配電、照明、電梯、空調、供熱、給排水、能源使用狀況及節能管理實行集中監視、管理和分散控制的建筑物管理與控制系統。系統的數據將被接收并轉換為增強決策和操作能力的信息，繼而提高建筑使用者和所有者的效率和舒適性。本文以力控研發的大型建筑節能集控智能平臺為例，介紹智能樓宇能源管理系統的功能及應用。

　　一、前言

　　隨著我國經濟社會的發展，大型公共建筑耗能的問題日益突出，對建筑執行能耗量化管理以及效果評估，來控制降低建筑運營過程中所消耗的能量，最終降低建筑的運營成本，提高能源使用效率，已經成為社會最為關注的問題。

　　力控科技長期致力于為客戶提供廣泛的能源管理解決方案，此能源系統作為樓宇管控一體化的能源綜合監控信息化平臺，采用先進的在線監測技術、云計算、物聯網等技術的應用實現供能設備與耗能設備的直接對話，傳感器和執行器、監測和檢測間環環相扣，從而實現智能樓宇的數字化管理。

　　整個能源管理系統將從以下幾個方面著手，最終實現建筑管理輔助決策系統。

　　(1)實現對樓宇自控、cctv、門禁、智能空調、ups、電梯、變配電、照明、消防等子系統的大融合，通過匯總后由控制中心統一調度。

　　(2)減少能源消耗，采用實時能源監控、分戶分項能源統計分析、優化系統運行。通過重點能耗設備監控、能耗費率分析等多種手段，使管理者能夠準確掌握能源成本比重和發展趨勢，制訂有的放矢的節能策略。與蓄能裝置、無功補償裝置聯動，達到移峰填谷、提高功率因數的目的。

　　(3)監控辦公、居住環境舒適信息：主要包括環境的溫度、濕度、空氣質量指標等。

　　二、系統架構設計

　　智能樓宇能源管理系統設計采用分層分布式結構, 系統自上而下共分四層：

　　現場設備層：指分布于高低壓配電柜中的測控保護裝置、儀表、以及樓宇自控、cctv、門禁、智能空調、ups、電梯、變配電、消防等子系統。

　　網絡通信層：使用通信網關可以將各個子系統所使用的非標準通信協議統一轉換為標準的協議, 將監測數據及設備運行狀態傳輸至智能樓宇能源管理平臺，并下發上位機對現場設備的各種控制命令。

　　監控層：具有良好的人機交互界面，scada軟件負責和國內外各種樓宇控制廠家的檢測、控制設備構成任意復雜的監控系統，實現完美的過程可視化，并且可與“第三方”的軟、硬件系統來進行集成。實時歷史數據庫提供豐富的企業級信息系統客戶端應用和工具，大容量支持企業級應用，內部實現高數據壓縮率，實現歷史數據的海量存儲。

　　能源管理層：為現場操作人員及管理人員提供充足的信息(包含樓宇供用能信息, 電能質量信息, 各子系統運行狀態及用能信息等)制定能量優化策略, 優化設備運行, 通過聯動控制實現能源管理, 提高經濟效益及環境效益。

　　圖1 樓宇能源管理系統框架

　　三、系統功能模塊組成

　　3.1 數據采集

　　數據采集管理以樓宇管理過程中所涉及的各種控制，監測，計量，檢測等為基礎，支持opc、dde、odbc等相關接口，全面采集各種數據采集器和人工錄入設備。

　　現場采集內容覆蓋樓宇自控、cctv、門禁、智能空調、ups、電梯、變配電、消防等系統。其中主要關注核心系統運行狀況、主要能耗管網狀態、環境介質質量監測等數據。將全樓宇的智能控制系統的實時狀態采集進入系統，供數據監視、存儲、報警、分析、計算、統計平衡等使用。

　　主要功能包括：

　　★整合現場各種控制系統。

　　★整合建筑物內各個耗能、產能、用能的信息孤島及子系統。

　　★將孤立的散點進行數據采集，整合進大型建筑節能集控智能平臺 。

　　★與有線網絡、無線網絡集成。

　　3.2 控制調度中心

　　該系統采用了云計算技術，可以提供利用同一平臺管理全球建筑機電設備的無限容量的架構，能夠在同一平臺下融合和兼容目前主流自控廠家的產品。可以兼容的協議不僅包括所有公開的bacnet、lonworks、m-bus、iec60870-5-101/102/103/104、dlt-645、cdt、modbus等標準協議，還可以與樓宇自控系統主流品牌控制系統私有協議進行兼容。技術人員遠程即可了解現場參數，觀察現場設備的運行狀態;實現樓宇全過程的“可視化”管理，使能源“just in time”使用方針得以實現。該平臺基于云架構技術，還可為專家和技術人員提供遠程指導功能。

　　需要整合、集控的子系統有樓宇自控系統、變配電調度系統、智能照明系統、無功補償裝置、自發電裝置、蓄能裝置、饋電線路控制系統、門禁、消防監測系統、智能中央空調控制系統等。

　　3.3 報警管理

　　系統平臺利用多個報警模型，負責過程，設備，質量，安全指標，能源限額的超限進行多種方式的報警。包括模擬量報警，事件報警，重大變化連續重復報警，硬件設備報警等。支持一個完全分布式的報警系統，報警及事件的傳送，報警確認處理以及報警記錄存檔。用戶可以自定義各種報警，報警信息可以通過不同方式傳送至用戶。

　　主要功能包括：

　　1)設備報警

　　重要能耗設備的運行狀態異常報警。

　　2)環境質量報警

　　空氣質量，溫度，濕度等異常報警。

　　3)電源故障報警

　　設備電源故障，ups斷電報警。

　　4)網絡通訊報警

　　設備通訊及網絡故障等異常報警。

　　5)報警級別設定

　　基于事件的報警，報警分組管理，報警優先級管理。

　　6)報警和事件輸出方式

　　報警窗口、聲、光、電、短信、文件、打印等方式。

　　圖2 樓宇能源管理之報警管理模塊

　　3.4 設備管理

　　能源管理系統的對象覆蓋樓宇的各種大型能源設施，通過對能源設備的運行、異常、故障和事故狀態實時監視和記錄。通過技改和加強維護，指導維護保養工作，提高能源設備效率，實現能源設備閉環管理。

　　主要功能包括：

　　★運行記錄、啟停記錄的實時數據和歷史數據查詢。

　　★缺陷、故障記錄維護，查詢。

　　★維修工單，試驗工單，保養計劃等設備維護管理。

　　★設備基礎信息管理(型號，廠家，電壓等級等信息)。

　　★維修成本，運行成本分析和報表。

　　圖3 樓宇能源管理之設備管理模塊

　　3.5 計劃與實績管理

　　根據能源分配計劃、檢修計劃、歷史能耗數據分析和統計、能源消耗預測、供能狀況等可自動計算能源消耗計劃和外購計劃，制定詳細的建筑能源管理指標體系，指導相關部門按照供需計劃組織配電、配熱。

　　采集、提取和整理各種樓宇子系統實際能源消耗量和能源介質放散量等數據，獲取能源分析所需的實績數據，為所有部門編制各類其他報表提供基準。通過計劃與實績數據的分析比較，對樓宇所有能源數據進行有效跟蹤，幫助管理者理清近期潛在影響因素，快速制定實行的決策，增進應變能力。

　　能源實績有日、月、季、年能源實績表 (包括電，熱，水等不同分析切入點);能源計劃有日、月、季、年能源供需計劃表 (包括電，熱，水等不同分析切入點)。計劃與實績比較有同比環比比較分析，其中包括柱狀，曲線，餅圖。

　　圖4 樓宇能源管理之績效與計劃管理模塊

　　3.6 平衡優化管理

　　能源供應和能源消耗直接存在距離，調整復雜，系統在大量歷史數據基礎上，對能源的生產，存儲，混合，輸送和使用各環節集中管理與控制，為大型建筑群建立一套與能源管理系統集成的能源分布網絡和平衡優化模型。通過綜合平衡和燃料轉換使用的系統方法，計算評價大型建筑能源利用水平的技術經濟指標，實現能源供需動態與靜態平衡，得出各種能源介質的優化分配方案，使大型建筑能源的合理利用達到一個新的高度。

　　圖5 樓宇能源管理之平衡優化管理模塊

　　主要功能包括：

　　(1)能耗報告

　　能耗采集的是電表的總有功功率，主要是幫助用戶掌握能源消耗情況，找出能源消耗異常值。包括能耗值的逐時、逐日、逐月、逐年報告;單位面積能耗為能耗評價提供數據支持;管理值(即目標值)參考幫助分析實際能耗值與能耗目標值的差異;功率因子參考提供能耗值(電能)與用能品質間的比對;溫度、濕度參考幫助分析能耗資料與環境數據的相關性。

　　(2)能耗排名

　　不同時間范圍內的能耗值排序，以升序或降序顯示，幫助用戶找出能耗最低和最高的設備單位。

　　(3)能耗比較

　　比較相同時間范圍內不同單位的能耗值，或比較相同單位在不同時間范圍內的能耗值。

　　(4)日平均報告率

　　任何一天每 15 分鐘平均能耗(電能)需求的報告，幫助用戶了解能源消耗模式并找出超出預期的峰值需求，為與電力公司簽訂合同時提供參考。

　　(5)偏差分析

　　任何一天不同時段能耗值與管理值(即目標值)的偏差計算，能耗值超過管理值的時段偏差值用紅色表示，表明能源消耗的增加傾向。

　　(6)回歸分析

　　回歸分析----對每位能耗類型為電類的成員內的有功功率、無功功率、瞬間功率、功率因數進行線性回歸分析，展現各成員參數之間的線性關系。

　　(7)用電分析

　　根據所選費率以及實際用電狀況，分時間段(離峰、半尖峰、尖峰)顯示用電趨勢以及用電報表。

　　(8)系統運行優化

　　發揮集中管控的平臺優勢，對空調風機、熱交換器、空氣循環系統及末端系統進行優化調節，避免因憋壓、壓力失衡造成的不必要能耗增加，根據負載變化自動調節風機轉速或冷熱源輸出功率。

　　3.7 配電及能源優化策略

　　配電及能源優化系統從電力專業的深度對電能消耗進行數字化和集成化的管理、控制和優化。系統能夠與無功補償裝置聯動來提高功率因數，通過與自發電裝置(如太陽能發電裝置或其他類型發電裝置)、蓄能裝置的聯動與交互，完成饋電線路控制，實現移峰填谷。

　　本系統提供了用戶可自主編程的控制策略生成工具，用戶可根據具體需求自主編程實現優化策略。

　　圖6 樓宇配電及能源優化策略

　　控制策略的編制基于建筑用電結構、季節、環境等因素。實現移峰填谷、提高功率因數，減少能源支出。

　　1)降低用電消耗，提高設備效率 延長設備使用壽命。

　　2)通過對歷史用電情況的分析，優化各子系統運行策略，確保用電設備的正常高效運行。

　　3)對全樓宇用電負荷，電能質量及電價架構進行綜合分析，制定新能源并網策略及系統充放電策略，實現節能減排。

　　聯動控制

　　★提供互動模式，用戶自行定制用電策略，并實時分析。模擬用電策略，預測用電信息，為用戶制定用電策略提供數據支持。

　　★根據空間環境參數及當前用電負荷情況，調節系統中的空調及通風系統運行策略。

　　★根據能量優化控制策略實現對各個子系統的遠程控制，并通過運行結果說明能量優化控制策略的效果。

　　3.8 報表分析和經濟性分析管理

　　通過能源消費結構，樓層能耗對比，重點耗能設備分析等多種分析方式，報表分析可以幫助物業管理人員計算特定房間或人均能耗，實現自主能源審計管理。報表可以自動生成，按實際需要實現手動或自動打印，供調度和運行管理人員使用。其中有能源調度日報表、能源供需計劃報表、能源實績報表、能源平衡報表、能源質量管理報表、能源成本報表、能源單耗報表、能源綜合報表、能源設備狀態報表、能源故障信息統計報表、能源設備備件報表、能源配送消耗報表等。

　　圖7 樓宇能源報表分析

　　3.9 能源對標管理

　　利用建筑物規范的能源管理體系，通過與競爭對手或是行業領導者比較，建立完善持續改進的流程。

　　主要功能包括：

　　1)結合國家標準，對主要設備的單耗指標、單位能耗等指標進行線上監測。

　　2)國家有關標準規定的經濟運行指標。

　　3)對國家規定的節能目標設置警戒線，對未達目標的指標進行自動警示。

　　3.10 基礎數據管理

　　基礎數據管理是大型建筑群開展能源工作的重要基礎內容，是大型建筑能源管理信息化建設的前提和基石。主要功能包括：能源介質編碼、能源計量單位體系、計量儀表、計量點、計量區域。

　　3.11 權限維護管理

　　針對不同程序的信息敏感度，系統提供一個優秀的權限維護管理模塊，可以滿足復雜的系統管理要求。主要功能包括：用戶信息、角色管理、控制操作管理、系統日記維護、數據庫維護。

　　四、結論

　　力控樓宇能源管理系統的運行在保證樓宇環境舒適的前提下, 能夠實現優化樓宇供用能系統的運行, 同時降低智能樓宇的能源消耗。目前為止此套系統已經有多個實際應用案例，并且都取得了不錯的效果。