智能安全用電節能計量管理系統在高校能源管理中的應用

文｜北京建工建筑設計研究院 羅 輝

北京城建設計研究總院有限責任公司 喬麗莉

北京廣發偉業電氣有限公司 仲冬華

智能安全用電節能計量管理系統在高校能源管理中的應用

文｜北京建工建筑設計研究院 羅 輝

北京城建設計研究總院有限責任公司 喬麗莉

北京廣發偉業電氣有限公司 仲冬華

建立資源節約型社會是我國經濟和社會發展的一項長遠的戰略方針，也是當前一項極為緊迫的任務。本文從安全、智能、節能三方面對一套基于智能網絡電表的、適合高校學生公寓使用的智能安全用電節能計量管理系統進行介紹。

1 用電的安全管理

作為密度較高的居住環境，學生公寓的安全問題非常重要，落實對學生公寓用電的安全管理勢在必行。

隨著公寓用電負載的多樣化，白熾燈、電熱毯、“熱得快”、電爐等通過電阻實現發光發熱、容易引起火災的各類惡性負載電器大量進入公寓，給用電安全帶來了極大的隱患；傳統的專人巡檢或限流功能已經無法滿足公寓安全管理的需要。對惡性負載加以識別的功能經歷了三個發展階段。

（1）早期的識別方式，是在整個公寓內逐個房間地將正常負載全部接入，測定每個房間的視在功率及功率因數值，并以此數值為依據設置一個用電參數范圍；當某個房間的用電參數超出此范圍時，就判斷該房間內使用了惡性負載。目前還有部分產品使用這種方式進行用電管理。這種識別方式的缺點是誤差太大，以及由于學生公寓的負載多種多樣，不同負載組合電氣參數不同，而且學生隨時可能新增加負載，測試工作困難重重，需要對每個房間進行獨立測量。

（2）改進后的識別方式，同樣以視在功率及功率因數作為識別依據，只不過由整體識別改為了單體識別，即每當用戶啟用一個負載時，系統就對視在功率及功率因數的變化進行檢測，從而判斷新增加負載的性質。這是目前國內絕大多數電控系統使用的識別方式。此種識別方式相比第一階段有了一定的改進，但仍存在一定問題，比如無法區分用戶同時啟動的兩個負載。

（3）智能安全用電節能計量管理系統，針對以上兩種識別方式的缺點，以及近期隨著電器行業的發展和國家強制性政策的實行，各電器廠家都對產品的功率因數進行補償，使其功率因數達到了0.95以上，甚至接近1.0，導致通過功率因數進行識別很容易造成誤判，將大多數正常負載判斷為惡性負載的問題，采用了同時檢測負載的有功功率、無功功率、交流正弦波形進行綜合判斷的方式，提高了判斷公寓負載性質的準確性，避免了誤判。

2 用電的智能化管理

隨著科學技術日新月異的發展，基于全電子式計量以及現場總線的智能化遠程能源綜合管理系統獲得了長足發展。

智能安全用電節能計量管理系統是由基表、管理終端機及服務器、通信設備及通信網絡三部分組成的綜合能源管理平臺。

（1） 基表構成

基表是整個系統的基本組成部分，采用了智能網絡電表。該設備基于多功能基波諧波三相電能專用計量芯片進行研發，以該單片機為控制核心，具有數字化計量、用電狀態監測等強大功能，支持遠程及本地管理。其工作原理如圖1所示。

基表的用電測量的流程是：由電流和電壓互感器產生模擬量I（t）和U（t），而后由A/D轉換器從中抽取各采樣點離散值Ii（t）和Ui（t），最終由單片機內的數字乘法器據此完成瞬時功率計算。表內各用戶共用一個A/D轉換器和數字乘法器；一路信號采集完成后，由CPU控制選通下一路信號。根據香農采樣定理，要使采樣值能夠完全復現被測信號，采樣角頻率ωs應不小于被測信號諧波角頻率ω的兩倍。若考慮到供電電壓的五次諧波成分，則頻率為50Hz的供電電壓采樣頻率最低應為500Hz，即采樣周期不長于2ms。也就是說對于周期為20ms的工頻電壓或電流來說，一個周期內至少應采集十個采樣值。

（2）系統構成

電能智能化管理系統通過網絡將各個基表采集到的數據匯集到管理終端，并根據不同的管理需求設置具體應用。系統網絡拓撲結構如圖2所示。

通信網絡可以通過RS485總線、以太網、光纖等進行搭建。管理終端機及服務器通過安裝上位管理軟件，組成管理系統，可實現多點網絡化管理，也可以通過各種接口與校園一卡通系統、樓宇自動化系統等進行集成。

（3） 系統主要功能

智能安全用電節能計量管理系統除具備基本的遠程數據傳輸、遠程控制、限流、自動定時斷送電、實時狀態監測等功能外，還具備其他一些特色功能。

①電能源的純商品化管理

系統可將電能源作為純粹的商品進行管理——可買可退，可整電量或金額購買，可選擇預付費或后付費等多種結算類型，可透支，此外，系統還可預先設置免費使用底數，設置峰谷、平尖或階梯等多種費率及電價，進行欠費限制等。

②自動催費提醒功能

系統可通過設備報警、軟件報警、語音電話、短信等多種方式自動提醒學生及時買電充值。

③多回路功能

系統可對同一公寓的多個回路，如空調、插座、照明等各回路進行各自獨立的控制、統一計費。

④智能用電管理功能

系統具有智能用電管理功能，包括在線控制、定時自動斷/送電、限流、惡性負載的識別及有條件放行、支持夜間手機充電及夜燈等小負載使用等。

⑤狀態查詢及事件記錄功能

系統可以實時或定時監測每個用戶的用電狀態，包括累計用電量、剩余電量、電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、通斷狀態等，并可以自動記錄十次斷電事件，包括斷電時間及斷電前的用電狀態。

⑥免費基礎電量功能

系統可根據學校能源管理方案給每個用戶或房間設置免費基礎電量，定時自動增加。

⑦檔案管理及統計查詢功能

系統可建立設備檔案、分區檔案、用戶檔案、學籍信息等內容豐富、管理方便的各類檔案；可按用戶或時段進行售電量、用電量等各種能耗數據的統計查詢，為制定高校能源管理政策提供詳盡的參考數據。

⑧系統保護功能

系統在結構上采用模塊化設計，強弱電系統完全隔離，并配置了大量的保護電路及防磁、防雷電路，通信模塊引入了獨立設計，并且憑借雙CPU與雙存儲器協同工作保證穩定性及持續性。

⑨分級授權管理功能

系統支持各部門通過互聯網訪問服務器，進行能源管理工作；可為各管理員及操作員設置不同的權限，并自動記錄各管理員及操作員的操作。

⑩系統集成功能

系統默認集成水、電、氣、暖等多種能耗管理功能；并配備標準化接口及數據協議，可與一卡通、樓宇自控等各種系統進行整合。

3 系統的節能效果

3.1 高校節能的經濟、社會效益

（1）經濟效益簡析

我國高校在校學生人數在2700萬以上（2009年5月數據），高校是生活能耗相當高的場所。據有關資料介紹，如果全國2000多所高校都建成“綠色大學”，一年就可節約資金210億元，節水量將超過12個亞洲最大的人工湖——北京密云水庫的總水量。高校節能既是必須的，又有很大的潛力。

（2）社會效益簡析

高校是育人之地，是國家培養各類高級人才之地。據統計，我國高校每年有640萬畢業生走向社會；在高校開展節能教育，實施節能工作，將對高校師生形成深遠的影響，帶來巨大的社會效益。

3.2 智能安全用電節能計量管理系統節能效果簡析

智能安全用電節能計量管理系統于2001年開始研制，于2005年獲國家專利，此后又根據用戶需求，在技術上進行了改進，在功能上進行了擴展，成為了“四表遠程智能監控系統”，已被全國近百所高校選用。

（1）基表采用集成化管理，電表自身功耗小，節能效果顯著。表1為KD型多用戶集中式智能網絡電表和普通IC卡電表的自身功耗比較表。由表中可見，KD型多用戶集中式智能網絡電表的自身功耗僅為等戶數普通IC卡電表的1/8。

按我國高校在校學生人數為2700萬，每五人共用一個宿舍，教職工與學生的比例為1∶12計算，如果全部采用此種多用戶智能網絡電表，僅電表本身的空載功耗一項，平均每年約可比采用電子卡式單表節約5202.2萬度電，按每度電0.55元計算，每年約可節約2861.2萬元。

（2）由于智能安全用電節能計量管理系統計量精確，管理功能科學、完善，采用該系統可提高人們的節能意識。國內某著名高校介紹的研究生院新園區，建設用地總面積1075畝，總建筑面積338557m2，共有包括教學用房、學生公寓、教工宿舍及配套用房、附屬用房等在內的約25組建筑；采用智能安全用電節能計量管理系統對各建筑群進行分類管理，在公寓部分采用惡性負載系列產品，在實驗室、教學用房、辦公室等采用普通預付費系列產品，針對應急照明、電器、空調機組等公共用電設備采用后付費系列產品，共有計量點12000余戶。采用該系統后，與使用前相比，公寓部分平均每月每戶節約電量25.6度，實驗室及教室平均每月每戶節約電量32.8度，公共用電平均每月每點節約30.5度。

表1 多用戶智能網絡電表與IC卡電表自身功耗比較表

4 結束語

如果我國高校都采用智能安全用電節能計量管理系統，不僅能夠保證高校用電的安全、可靠，而且將帶來巨大的經濟效益和社會效益——按上文引用數據計算，如每個宿舍每月平均最低節電15度，使用該系統每年節約用電約可達10.9億度，按每度電0.55元計算，每年可為高校節約近6億元的電費支出。

1 高等學校校園建筑節能監管系統建設技術導則

2 宗建華，閆華光，史樹冬.智能電能表[M].中國電力出版社，2010

3 潘杰.基于CAN總線的智能電表集中器的設計[J].自動化與儀器儀表，2011（3）

4 游飛.高校學生公寓安全用電管理技術分析[J].成都航空職業技術學院學報，2008（2）

5 程太生，郭建珠.對高校節能管理的思考[J].教育理論與實踐，2010（21）