淺談基于多能源的大型智慧園區綜合能耗監測系統研究與應用
李茫茫
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：大型智慧園區已經成為多種能源消耗的重要區域，為了探索適用于大型智慧園區的綜合能耗監測系統，建立了綜合能耗監測系統整體框架，提出了綜合能耗網絡、能耗關系集合、能耗均衡度等概念，并以某大型智慧園區
為例對綜合能耗監測系統的采集網絡進行詳細設計，為大型智慧園區綜合能耗評估分析提供一種新的模式。
關鍵詞:智慧園區；系統框架；多能源；能耗；監測；采集網絡
1前言
進入21世紀以來，我國整體經濟發展迅速，然而經濟的快速發展伴隨著能源供應日趨緊張。經過十幾年高能耗推動的發展時期，能源供需失衡日益嚴重的現實已嚴重制約著我國社會經濟的可持續發展。2012年8月6日，國務院以國發〔2012〕40號印發《節能減排“十二五”規劃》將“節能改造工程、合同能源管理工程”列為“十二五”節能減排工作，并提出“建筑節能——形成600萬噸標準煤的節能能力。綠色照明——形成2100萬噸標準煤的節能能力。”的節能目標。預計到2020年，我國城市生活人口將達到總人口數的56%以上，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。目前，建筑耗能已與工業耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的3大“耗能大戶”，其中建筑能耗約占全社會能耗的三分之一。在建筑能耗中，共性問題是能耗總量大、增長速度快、能耗指標高、終端用能設備總體能效水平低等。大型智慧園區作為高能耗建筑的集中區域，亟需合理有效的綜合能耗監測系統對其綜合能耗情況進行掌握，這對支持我國社會健康可持續性發展具有重要意義。
2大型智慧園區中綜合能耗監測系統應用
維持大型智慧園區正常運轉需要電、水、冷熱等多種能源消耗，各種能源消耗具有消耗范圍廣、消耗時間不規律、消耗量大等特點。其中，大型智慧園區中的用電消耗主要包括：中央空調、照明、電梯、給排水、電加熱負載，變壓器和其他混合負載等，用水消耗主要包括生活用水、空調用水、景觀用水、綠化用水，用冷熱消耗主要為建筑內部供冷和供熱調節。大型智慧園區中的綜合能耗監測系統以園區內各用能設備運行和能耗特征為基礎條件，依據各類用能設備運行中所采集的反映其能源傳輸、變換與消耗的特征，采用能效協調控制策略實現能源優化使用。系統將建筑內各用能系統的能耗信息予以采集、顯示、分析、診斷，并在滿足用戶舒適度的前提下能對各系統進行控制和優化管理，有效加強建筑能耗統計分析和能效管理的系統性、科學性，提高終端能源利用效率，減少能源支出成本。
綜合能耗監測系統針對園區內各建筑用電、用水及冷/熱量等進行能效綜合管理，包括建筑能耗綜合管理系統和水電冷熱表采集系統。水電冷熱表采集系統實現對園區各建筑各類用能數據的實時采集與上傳；建筑能耗綜合管理系統接收水電冷熱表采集系統上傳的用能數據，實現對園區各建筑各類用能數據的存儲、計算及應用，系統采用B/S架構，將分析展現的結果通過園區局域網進行訪問。
3主要研究內容
3.1綜合能耗監測系統框架
如圖1所示，綜合能耗監測系統框架包括功能應用層、邏輯處理層、數據存儲層、數據采集層、數據源五層架構。其中，功能應用層包括能源監測、能效分析、能效診斷、輔助決策以及檔案維護、系統管理等用戶功能，通過多維度、可視化的系統功能界面實現與用戶的信息互動；邏輯處理層通過建立能耗評估模型，并利用數據挖掘、統計計算、多維分析等手段對能耗數據進行分析，為功能應用層提供直接的數據支持；數據存儲層利用主流結構化數據庫對能耗數據進行分類存儲，提高邏輯處理層的處理性能；數據采集層利用終端采集設備實現對智能電表、智能水表和智能冷熱計量表等遠傳終端的數據源采集，為整個綜合能耗監測系統提供基礎數據支撐。
圖一
3.2相關定義
綜合能耗監測系統數據具有多源性和層次性，為了更好的描述綜合能耗監測系統的數據處理流程，本文做出以下相關定義：
能耗網絡：能耗網絡是以各種能源監測點為節點形成的網絡關系，其表示形式G為：
G=<C,V>
其中，C表示能耗網絡中的能耗節點，V表示能耗值，Cijk表示第i種能耗中等級為j的第k個能耗節點，Vijk表示能耗節點Cijk的值。能耗網絡能夠很好的反應出實際中復雜的能耗節點關系，建立能耗網絡對實現各種能耗的監測分析具有重要的作用。
能耗關系集合：能耗關系集合表示在能耗網絡中有直接等級關系的節點集合，其表示形式為：
其中，SetCijk-Father表示節點Cijk的關系父集，SetCijk-Son表示節點Cijk的關系子集，為了保證數據的完整性，用Cij+10表示節點Cijk的關系子集中未包含而Vijk中包含的能耗量。
能耗指數：能耗指數可以反應出能耗網絡中一個節點的能耗量在該節點所在等級中所占的比例，若節點Cij+1l表示節點Cijk關系子集SetCijk-Son中的一個節點，則能耗指數P的計算式為：
其中，VCij+1l表示節點Cij+1l的能耗值，Cij+1m∈SetCijk-SonVCij+1m表示節點Cijk關系子集中所有節點能耗值之和。
定義四 能耗均衡度 能耗均衡度反應出能耗網絡中一個等級中的各個節點能耗是否均衡，其計算式E為：
其中，PCij+1l表示節點Cijk關系子集中各節點能耗指數的平均值。顯然，能耗均衡度越小，說明節點Cijk關系子集中的各節點的能耗量越接近，反之亦然。
4 監測網絡設計
綜合能耗監測系統需要海量且數據支撐，因此監測網絡的設計尤其重要。本小節以某大型智慧園區為例詳細描述監測網絡的設計原則及實現方式。
4.1 監測網絡設計原則
4.1.1 主干線路優先
首先，監測網絡的設計首先應滿足主干線路優先的原則，智慧園區主干線路的監測數據往往直觀的展示了園區整體的能耗情況，能夠為從園區整體上進行能耗分析提供直接的數據支持。
4.1.2 重要區域優先
其次，監測網絡的設計應滿足重要區域優先的原則，所謂重要區域直接影響智慧園區正常運行的區域，例如智慧園區變配電站的用電監測、供水站的用水監測等。
4.1.3 經濟性原則
根據實際情況，對于不重要且可以通過計算得到節點，可以盡量不安裝或少安裝表計，以便節省實施費用。需要匯總的數據如果可以通過分表計計算得到，就無需再安裝總表計，
例如：如果分表的數據可通過已經安裝的總表和其他分表計算得到，也無需安裝表計。
4.1.4 節能潛力大優先
能耗監測的目的是進行節能，因此應著重選取高耗能、節能潛力較大的設備進行監測。高耗能設備一般是指耗能量大、在用數量多、節能潛力較大的中央空調、各種泵類以及鍋爐、換熱壓力容器、電梯、起重機械等特種設備。
4.2 監測網絡架構設計
如圖 2 所示。
圖2
5安科瑞能耗監控系統介紹
Acrel-5000能耗在線監測系統是用戶端能源管理分析系統，在電能管理系統的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節約能源，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶可按照國家有關規定實施能源審計，分析現狀，查找問題，挖掘節能潛力，提出切實可行的節能措施，并向縣級以上人民政府管理節能工作的部門報送能源審計報告。
5.1平臺結構
Acrel-5000能耗在線監測系統以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，根據現場實際情況采用現場總線、光纖環網或無線通訊中的一種或多種結合的組網方式，為大型公共建筑的實時數據采集及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測設備構成任意復雜的監控系統。開放性、網絡化、單元化、組態化的采用面向對象的分層、分級、分布式智能一體化結構。建立如下層次結構：
5.2平臺功能
(1)系統可按使用年份統計建筑物各分類能耗——電、水、氣、集中供熱、集中供冷以及其它能源消耗量，自動折算成相應的標準煤消耗量，從而反映建筑物當年各分類能耗用能和綜合能耗。系統以餅圖形式展示建筑4大用電分項能耗的占比情況。系統以曲線圖形展現各類能耗的消耗的消耗趨勢，便于業主方實時直觀掌握能源消耗情況。
(2)系統可以根據分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當日和當月的用能峰值。顯示當日用能、當月用能、當年用能與昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。以條形顯示過去48小時、31天、12個月、3年的能耗情況。右上角顯示過去15分鐘曲線（電表顯示功率曲線，流量表顯示流速曲線）。
(3)系統依據建筑物能源消耗的分布情況進行能耗計量點的選取和設置，使得能耗監測系統可以覆蓋整個建筑物。系統使用者可通過相關界面調取該建筑物各能耗節點的能耗統計報表，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計量誤差。
(4)系統依據住建部分類分項能耗數據采集導則，將建筑物耗電分為照明插座、空調、動力和特殊用電進行計量裝置選型和設置，并按用能區域或功能區域等劃分并進行統計，以報表和同、環比棒圖形式展現該區域的能源消耗。
(5)系統可針對能源消耗量大的設備或區域進行準確定位，便于管理層制定節能績效考核制度，推動節能降耗的有效執行。為用能重要設備建立運行記錄檔案，長期跟蹤記錄設備運行過程中的能效分析評估結果，結合設備維護保養記錄，為設備的運行維護提供依據。
(6)系統提供分級權限管理功能，對具備權限用戶提供開放的信息維護接口，用戶可自行對建筑和系統監測范圍內計量點的信息進行增、刪、改和查詢，建筑物信息包括建筑類型、建設年代、建筑面積、建筑物人員數量等。系統還對無法自動采集的計量信息提供手動錄入功能，便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。
5.3數據上傳
安科瑞能耗在線監測系統按照重要用能單位能耗在線監測系統技術規范定義的系統平臺接口協議規范的要求，將用能企業的基礎信息、計量器具信息、用能數據及能效數據上傳至省級或國家平臺，上傳數據經過HTTPS協議加密傳輸。如果數據傳輸失敗或超時（網絡故障），將重發數據，直至接收成功反饋消息。
5.4能源計量表具選型
6 未來工作展望
本文結合目前大型智慧園區中多種能源消耗量大、結構復雜等特點，建立了綜合能耗監測系統框架，并在能耗網絡的基礎上，提出了能耗關系集合、能耗指數、能耗均衡度等相關概念，提出了監測網絡的設計原則并以某大型智慧園區為例詳細闡述了監測網絡的架構設計。未來的主要研究包括以實際數據為支撐，進行深入的實驗，探索影響大型智慧園區能耗水平的主要因素，建立綜合能耗評估機制，實現對大型智慧園區各種能耗水平進行客觀的評估。
【參考文獻】
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