采用分层分布式计算机网络结构的Acrel-5000能耗监测系统的设计

1.背景

北京市建委和市发改委2008年01月公布了去年北京实施能源审计的部分北京市国家机关办公建筑和大型公共建筑平均电耗、水耗。其中进行审计的20个单位的国家机关办公建筑，每平方米建筑面积年平均耗电量为85.4度（年平均85.4kWh/m2） ,人均年耗电量为3072.5度（年平均3072.5kWh/人）。国家机关办公建筑和大型公共建筑年耗电量约占全国城镇总耗电量的22%,每平方米年耗电量是普通居民住宅的10~20倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.5~2倍。一方面，我国大型公共建筑能耗巨大，另一方面，我们也缺乏直接数据为决策的指定提供基础和参考。住房和城乡建设部建科[2008]114号文（2008-06-24）《关于印发国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设相关技术导则的通知》实施，对于能耗监测系统作了具体规范。因此，必须建立大型公共建筑能耗监测平台，对全国重点城市重点建筑能耗进行实时监测，并通过能耗统计、能源审计、能效公示、用能定额和超定额加价等制度，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，为政府政策的制定和决策提供参考。

2.政府指导性文件

***总理签署的中华人民共和国国务院令第531号《公共机构节能条例》自2008年10月1日起施行。《条例》第十四条明确指出：公共机构应当实行能源消费计量制度，区分用能种类、用能系统实行能源消费分户、分类、分项计量，并对能源消耗状况实行监测，及时发现、纠正用能浪费现象。地方政府也出台了相关规定，如：《上海市建设和交通委员会关于进一步加强本市民用建筑设备专业节能设计技术管理的通知》-沪建交〔2008〕828号；《江苏省公共建筑用能计量设计规定》-苏建科[2007]217号；苏建科〔2007〕217号规定自2007年9月1日起，新建、改建和扩建单体2万m2以上的公共建筑项目，在设计、施工图审查时均应执行国家、省有关标准。在电气部分明确规定：变电所各出线回路均应配置电能计量装置，计量装置应采用数字式电能表计，并根据建筑的类别和档次，尽量配置通讯接口，以便于构成网络，并设管理后台。沪建交〔2008〕828号规定从2009年1月1日起，单体建筑面积大于2万平方米的大型公共建筑、市（区）两级国家机关办公建筑、申请国家和本市的建筑节能示范项目，按照《技术导则》要求设置能耗监测系统。二OO八年六月二十四日，住房和城乡建设部建科《关于印发国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设相关技术导则的通知》，即建科[2008]114号文件印发，通知要求各省、自治区建设厅，直辖市、计划单列市建委（建设局）遵照执行。[2008]114号文件含以下附件：附件1:分项能耗数据采集技术导则附件2:分项能耗数据传输技术导则附件3:楼宇分项计量设计安装技术导则附件4:数据中心建设与维护技术导则附件5:建设、验收与运行管理规范

3.解读技术导则

3.1建筑对象

114号文件根据建筑的使用功能和用能特点，将国家机关办公建筑和大型公共建筑分为8类。有办公建筑、商场建筑、宾馆饭店建筑、文化教育建筑、医疗卫生建筑、体育建筑、综合建筑、其它建筑。其它建筑指除上述7种建筑类型外的国家机关办公建筑和大型公共建筑。

3.2能耗数据采集指标

3.2.1分类能耗根据建筑用能类别，分类能耗数据采集指标为6项，包括：电量、水耗量、燃气量（天然气量或煤气量）、集中供热耗热量、集中供冷耗冷量、其它能源应用量，如集中热水供应量、煤、油、可再生能源等。

3.2.2电量分项能耗分类能耗中，电量应分为4项分项，包括照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电。电量的4项分项是必分项。照明插座用电有：照明和插座用电、走廊和应急照明用电、室外景观照明用电；空调用电有：冷热站用电、空调末端用电；动力用电有：电梯用电、水泵用电、通风机用电；特殊用电有：信息中心、洗衣房、厨房餐厅、游泳池、健身房、其他特殊用电。

4.计量装置

4.1计量装置

进线回路电能计量应当合理设置分项计量回路。其分项计量系统应当采用电子式、精度等级为1.0级及以上（0.2、0.5、1.0级）的有功电能表。采用的普通电能表，应当由测量单元和数据处理单元等组成，并能显示、储存和输出数据，具有标准通讯接口。在变压器低压侧（AC230/400V）总进线处，应当设置多功能电能表，至少具有监测和计量三相电流、电压、有功功率、功率因数、有功电能、最大需量、总谐波含量和2-21次各次谐波分量的功能。选用ACR320ELH电力仪表。该表功能有：全电量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；THDu、THDi、2-31次谐波分量；最大需量（I,P），四象限电能计量、复费率电能累计；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压电流不平衡度；电网电压电流正、负、零序分量测量；4DI+3DO、RS485接口、Modbus-RTU等功能。图1ACR320ELH电表

4.2计量装置

其他回路楼宇分项计量设计安装技术导则"4设计规定"中4.2"应合理设置分项计量回路，以下回路应设置分项计量表计":（1）变压器低压侧出线回路；（2）单独计量的外供电回路；（3）特殊区供电回路；（4）制冷机组主供电回路；（5）单独供电的冷热源系统附泵回路；（6）集中供电的分体空调回路；（7）照明插座主回路；（8）电梯回路；（9）其他应单独计量的用电回路。图2ACR220EL电表选用ACR120EL或ACR220EL电力仪表，该表功能有三相电流、电压、功率、功率因数、电能测量，带Rs485接口，Modbus协议等。

4.3计量装置-终端电能累计

4.3.1针对宿舍、商铺、病房等应计量到经济核算单元的地方，可采用DDS1352或DDSF1352电表；采用DDS1352单相电表，DIN35mm导轨安装，宽度为1个模数（即宽为18mm），一次最大接入单相电流30A,精度1.0级。优点是尺寸小，价格低，但不能组网。采用DDSF1352单相电表，DIN35mm导轨安装，宽度为4个模数，一次最大接入单相电流为80A,精度1.0级，带RS485接口，Modbus协议或DL/T645规约，可组网。

4.3.2针对用电设施按照明与插座用电、动力用电、空调用电、特殊用电进行分项计量，对学校教室、医疗病房、宾馆客房按楼层或功能分区计量时，可选用DTSF1352或ACR120EL电表。采用DTSF1352三相四线电表，DIN35mm导轨安装，宽度为7个模数，可安装在照明箱或动力箱中，一次最大接入三相电流80A,80A上可经电流互感器采集，精度0.5级，带Modbus协议或DL/T645规约，可组网。图3DDS1352电表

5.数据传输

5.1数据采集器

数据采集器是在一个区域内进行电能或其它能耗信息采集的设备。它通过信道对其管辖的各类表计的信息进行采集、处理和存储，并通过远程信道与数据中心交换数据。

5.2数据中转站

为了减轻数据中心的服务器负载，优化网络传输效率，设立数据中转站。数据中转站采集并缓存其管理区域内监测建筑的能耗数据，完整转发给上一级数据中心。数据中转站并不负责数据的加工和处理，也可不永久性存储数据。

5.3数据中心数据

中心采集并存储其管理区域内监测建筑的能耗数据，并对本区域内的能耗数据进行处理、分析、展示和发布。数据中心一般设在部级、省（自治区、直辖市）级和监测建筑较多的城市，除部级外的数据中心应将各种分类汇总数据逐级上传到部级数据中心。图4

6.Acrel-5000系统结构

Acrel-5000能耗监测系统以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，为大型公共建筑的实时数据采集、开关状态监测及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统。该系统主要采用分层分布式计算机网络结构，如图1所示：站控管理层、网络通讯层和现场设备层。

1）站控管理层

站控管理层针对能耗监测系统的管理人员，是人机交互的直接窗口，也是系统的最上层部分。主要由系统软件和必要的硬件设备，如工业级计算机、打印机、UPS电源等组成。监测系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类数据信息计算、分析与处理，并以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况。

监控主机：用于数据采集、处理和数据转发。为系统内或外部提供数据接口，进行系统管理、维护和分析工作。

打印机：系统召唤打印或自动打印图形、报表等。

模拟屏：系统通过通讯方式与智能模拟屏进行数据交换，形象显示整个系统运行状况。

UPS:保证计算机监测系统的正常供电，在整个系统发生供电问题时，保证站控管理层设备的正常运行。

2）网络通讯层

通讯层主要是由通讯管理机、以太网设备及总线网络组成。该层是数据信息交换的桥梁，负责对现场设备回送的数据信息进行采集、分类和传送等工作的同时，转达上位机对现场设备的各种控制命令。

通讯管理机：是系统数据处理和智能通讯管理中心。它具备了数据采集与处理、通讯控制器、前置机等功能。

以太网设备：包括工业级以太网交换机。

通讯介质：系统主要采用屏蔽双绞线、光纤以及无线通讯等。

3）现场设备层

现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表组成，采用具有高可靠性、带有现场总线连接的分布式I/O控制器构成数据采集终端，向数据中心上传存储的建筑能耗数据。测量仪表担负着最基层的数据采集任务，其监测的能耗数据必须完整、准确并实时传送至数据中心。

7 软件实现与系统功能

上位机软件为Acrel-5000能耗监测系统组态软件，该软件是对现场能耗数据进行采集与监测的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的"组态形式"而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的"组态",便可以非常容易地实现和完成对现场数据的采集与监测功能。Acrel-5000能耗监测系统具有友好的人机交互界面，可实时和定时采集现场设备各参量及开关量状态，并将采集到的数据上传给数据中心存储。系统还提供了实时曲线和历史趋势曲线分析，符合用户设计需要的报表、事件记录和故障报警等功能。整个系统可以实现所有回路能耗的采集和统计，实现了远程自动抄表、能耗监测功能。

（1） 运行状态监测：通讯异常报警提示。

（2） 用户管理：不同用户权限具备不同操作功能，各级权限的口令修改操作功能，具有权限防误功能。

（3） 能耗报表、棒图：实现了所有能耗报表的按时间查询，分为日、月、年报表等，任意分类、分项实时能耗棒图显示。

（4） 打印及导出：所有报表及界面可打印，或以EXCEL、WORD格式进行导出。

8 应用案例

上海浦东某图书馆是一个高能耗大型公共建筑，总建筑面积60885平方米，消耗的能源主要为电、水，还有少量的燃气、柴油等，柴油发电机是作为应急电源之用。该项目能耗监测系统采用三层网络结构，各楼层对用电进行分类、分项计量，各楼层及总供水管道、燃气、柴油管道都安装有测量仪表，以实现对能耗的实时采集与监控。所有的智能测量仪表均通过现场总线进行组网，在监控室对现场各回路能耗状况实现集中监控与管理。

该项目中采用研祥工业计算机作为监控主机，并附带液晶显示器、打印机等设备，山特UPS电源在整个系统发生供电问题时，可在一定时间内保证站控管理层设备的正常运行。数据采集终端采用高可靠性、带有现场总线连接的智能测量仪表。对于图书馆供配电系统，低压进线回路和重要回路安装ACR系列多功能电力仪表，普通馈线回路及照明配电箱中安装ADL系列导轨式电能表，仪表外形如图2所示。

ACR系列 ADL系列：单相、三相

图 2 智能电力网络仪表

ACR系列多功能电力仪表具有全面的三相交流电量测量、复费率电能计量、四象限电能计量、2~31次谐波分析、电网质量分析、遥信输入、遥控输出及网络通讯功能，主要用于对电网供电质量的综合监控及电能管理，广泛应用于低压联络柜、出线柜、动力柜等场合。而ADL系列导轨式安装电能表除能采集基本电能参量外还具有体积小巧、安装方便等优点，ADL100单相电能表结构尺寸为4模数，与微型断路器一起安装于照明配电箱中，如图3所示，ADL300三相电能表为7模数结构，主要应用于动力柜中，安装方式如图4所示，极大的方便了用电自动化管理。

图3 ADL100应用安装示例

图4 ADL300应用于动力柜中

该能耗监测系统通过现场设备和通信系统提供的传输通道，完成对各用电回路、供水、燃气及柴油管道的数据采集，信息经分析、处理，以报表、图形等多种形式供值班员参考，使值班员能够便捷的掌握系统的运行及能耗状况，及时发现、纠正能源浪费现象，从而进行节能管理。在需要时，还可提供快捷的远程控制手段，完成对设备运行状态的改变以及事故情况的处理。

图5 图书馆能耗监测系统主界面

表1 图书馆能耗统计数据查询表

图5为图书馆能耗监测系统的主界面，可以查询各类能耗的使用状况，表1给出了图书馆能耗数据查询表，很清楚的显示出各类能源的使用情况。图6为系统给出的图书馆照明、空调及插座等用电量的饼图，很直观地显示出分项用电量的百分比。而图7是根据系统采集的所有分类能耗数据，由系统绘制出的分类能耗柱形图，可以形象的看出分类能源的使用情况。

图6图书馆年分项用电量饼图

图7图书馆分类能耗对比图

9 结束语

随着能源的日益紧张，节能降耗成为大型公共建筑智能化建设的必然选择，本文介绍的能耗监测系统，不仅能监控供配电系统的运行状况，还能监测用水量、燃气等其它能源的使用状况，并能根据采集到的能耗数据绘制出各种报表、分析曲线、图形等，便于分析研究，为智能建筑的节能技术提供参考。该系统运行安全、可靠，并附有事件记录及故障报警等功能，极大地方便了用户的使用。随着社会的发展，能源的日益紧张，实现对分类能耗、分项能耗的远程监测与管理成为智能建筑发展的必然趋势。