高校能耗監管平臺系統建設研究

邱 真 趙曉峰

北京航空航天大學 北京 100191

高校能耗監管平臺系統建設研究

邱 真 趙曉峰

北京航空航天大學 北京 100191

能源管理已經成為高校各項管理過程中最重要的話題之一。通過對北京航空航天大學能耗監測平臺建設的相關研究，為高校能源管理提供一個突破口，實現“互聯網、物聯網、傳感網”三網合一，以對能耗歷史數據的分析為手段，進而查找能源使用過程中存在的問題。

能耗監管平臺；三網合一；管理

我校能耗監測平臺系統利用現代化通訊技術、數字通訊及存儲技術、傳感器及控制技術以及最先進的計算機及網絡技術，并通過科學合理的整合和開發，對校園內的水、電、氣、熱、空調等能耗數據進行詳細的分類、分項采集和統計分析，形成各個監測單元的年度、月度、每日、每小時乃至每分鐘的能耗曲線，生成費用報表，并提供詳細的數據報表。同時提供有效的分析手段，指導能源的合理配置和利用，實現量化管理，建立起我校能源能量平衡管理和節能管理體系。總設計體現了“集中管理、分布監測、靈活構建”的思想。系統構架以校園網為主要媒介，對校園用能建筑、用能系統、主要用能設備進行監測，構建可靠性強、效率高、共享度高的校園能耗數據庫，建立能耗監測、統計、公示平臺。

能源管理已經成為高校各項管理過程中最重要的話題之一，如何有效地對提供的能源進行監控，進而對采集的能源數據進行分析，然后制定出管理部門所需的各級報表，從而在能源消耗以及管理上提出改進計劃已成為現階段各高校能源管理所面臨的主要問題。部分高校能耗數據統計粗放、管理疏漏、沒有科學的用能預測與監管，導致能耗數據要么不準確，要么人為捏造，增加學校進行節能監管的難度，實際上高校能源浪費現象普遍存在，節能任務嚴峻。究其原因，正是由于對高校缺乏有效地能耗數據監管，理論上缺少能耗數據模型的研究所造成。因此，建立以數據為基礎的能耗監管系統，動態掌握學校的用能狀況，建立科學的能耗模型，為推進節約型校園建設、實現高校節能減耗目標已勢在必行。

1 能耗監測平臺設計思路

能耗監測平臺系統結構復雜，涉及面廣，需要將儀表技術、現場總線技術、計算機監測技術、圖形圖像技術、軟件技術等多學科技術融為一體、高度集成。能耗監測平臺系統總體設計立足于技術先進性、穩定性和可靠性；系統功能的科學性和實用性、軟硬件的成熟性，滿足“節能型”校園能源分析、管理的需要，并保證長遠發展的兼容性。

2 能耗監測平臺系統總體架構及功能

能耗監測平臺系統以學校校園網為主體，無線傳輸網為輔建立起了學校三級能耗監測平臺系統。整個節能監測平臺系統是以計算機和通訊網絡為基礎的三級網絡模式，由節能監管中心、分類監控中心、現場采集監控系統和通訊網絡四部分組成(如圖1和圖2所示)。

圖1 網絡結構圖

圖2 北航節能監測平臺系統圖

能耗監測平臺系統主要完成五大功能：能耗監測、能耗分析、能耗報表、能耗管理、系統管理。系統大量采用圖形化分析工具，實時監測的各種參數可通過圖形化顯示，簡單、直觀而且美觀，可視性強。軟件界面運用多種形式(包括文字、圖形、圖像、多媒體等手段)使運行管理人員清晰、直觀、實時地掌握用能單元的所有信息，使運行管理人員非常方便、精準地管理用能系統。同時，可以利用曲線、圖表、餅狀圖、柱狀圖以及折線圖表示用能信息(如圖3和圖4所示)。

圖3 系統流程圖

圖4 系統報表

3 節能監管中心建設

為了實現能耗監測可視化管理，以100m2左右經過裝修、裝飾的房間作為節能監管中心機房，配備必要的硬件設備和系統軟件。

北航節能監管中心機房示意圖如圖5所示：

圖5 北航節能監管中心機房效果圖

3.1 硬件系統

硬件系統主要包括：服務器、交換機、管理計算機、大屏幕顯示設備、打印機及UPS等設備組成。

為保證能耗監測平臺系統的高可靠性要求，系統對運行中間件和數據庫服務器的主機采取主從模式。

主從模式是最標準、最簡單的雙機熱備，即是通常所說的Active/Standby方式。它使用兩臺服務器，一臺作為主服務器(Active)，運行應用系統來提供服務。另一臺作為備機，安裝完全一樣的應用系統，但處于待機狀態(Standby)。當Active服務器出現故障的時候，通過軟件診測(一般是通過心跳診斷)將Standby機器激活，保證應用在短時間內完全恢復正常使用。

3.2 軟件系統

能耗監測平臺系統主要針對校園中電量消耗、燃氣消耗、熱量消耗、冷量消耗及水資源消耗數據的采集、傳輸、分析管理。系統的軟件主要由兩大部分組成。

第一部分是數據監控，該部分的核心功能是通過一系列的可視化手段，保障相關管理人員能方便快捷地對北航的實時能耗情況進行掌控，同時對異常情況進行實時報警。

第二部分是數據分析系統，該部分的核心功能是通過一系列的業務計算(如對標體系，標準折算等)與數據倉庫與數據挖掘技術及相關統計分析算法，進一步從原始數據中發掘出節能的“知識”與措施(如圖6所示)。

圖6 數據倉庫系統結構圖

整個軟件系統抽象為以下核心粗粒度組件來完成大部分實際功能：數據采集引擎；數據變換與管理引擎；實時數據庫；數據倉庫；知識管理；面向對象的可視化組件UI；數據挖掘與分析工具集(如圖7所示)。

圖7 軟件系統結構圖

4 分類監控系統及數據采集

4.1 電力監測系統

電力監測系統主要是對校園內一級和二級變、配電室計量系統和部分典型建筑的三級計量進行采集監測。包括：引入的2路市電110kV電源，1座110kV主變電站和17座10kV配電室及部分分項電量計量。

共采集電量監測點923點，其中：一級參數44點、二級參數100點、三級參數779點。

電力檢測系統對主變電站和17個配電室的電參數進行集中監測。配置監測中心計算機，將主變電站和各配電室的用電情況進行集中監測，實現一級、二級和部分三級電量的在線監測(如圖8所示)。

圖8 北航電力監測系統數據采集界面圖

監測中心主機采用高可靠性的工業計算機，電力監測軟件采用專業的電力監測軟件。監測中心接收現場采集設備上傳的電參數數據，對這些數據進行分析、轉換、存儲，并以數字、曲線、報表等形式顯示在屏幕上，并將電能耗數據上傳至節能監管中心服務器進行綜合分析管理。便于電力監管人員能夠在辦公室通過計算機遠方瀏覽監測能耗系統運行狀態和調看各種運行報表。

4.2 供水系統采集監測

供水系統的集中采集監測是針對一級水量計量的采集監測，包括：市政給水、自備井及中水利用。由于供水系統一級監測點較少，而二級供水主要作為生產運行和建筑能耗系統管理，因此供水系統不單獨設子系統監測，而由節能監管中心集中監測管理。

4.3 供熱監控系統

集中供暖系統的熱源為燃氣鍋爐房內的3臺燃氣熱水鍋爐房，下設有9個間接供熱換熱站。在鍋爐房安裝溫度、壓力、電量、水量、熱量采集設備，構建學校集中供熱監控系統，配置供熱監控中心主機，集中采集鍋爐房及各換熱站的運行參數和能耗數據，再通過校園網將采集的數據傳送節能監管中心服務器，實現供熱系統能耗在線監測。

通過以后對供熱生產現場運行設備的改造，配合能耗檢測平臺，就可以實現對生產過程進行自動監控，實現氣候補償、變頻節能和分區供熱的自動控制，實現運行數據采集、設備控制、測量、參數調節以及信號報警等多項功能，從而可使供熱生產現場設備在“無人值守”的自動控制下安全平穩運行。節能控制的運用、各種運行參數的實時監測與調整能夠使能源利用和系統運行始終處于科學、合理、經濟狀態，為現場安全管理和高效節能提供了保障。供熱監控系統不僅以本鍋爐房(換熱站)為單位自成體系，也將相對分散的各供熱現場的能耗數據、運行數據和實時狀態集中傳輸到節能監管中心，為相關部門提供基礎數據支持。本地鍋爐房、換熱站現場監控設備作為底層基礎數據源通過網絡通訊方式，與供熱監控中心主機實時進行數據交換，實現了對整個供熱網絡的集中監控(如圖9和圖10所示)。

圖9 熱網系統圖

圖10 換熱站系統圖

監控中心接收現場采集設備上傳的供熱運行數據和能耗數據，通過對這些數據進行分析、轉換、存儲，以數字、曲線、報表等形式顯示在屏幕上，并將能耗數據上傳至節能監管中心服務器進行綜合分析管理。

4.4 通訊網絡

能耗監測平臺系統通訊網絡組網方案利用了現有的校園網絡作為數據遠傳網絡，數據傳輸速度快，維護及使用成本低。

現場能耗采集設備通訊主要為有線方式，采用校園網或485總線通訊。所有數據通過校園網或485通訊總線傳輸到分類監控中心或節能監管中心主機。采用RS485現場總線將多臺水表、電能表、熱量表分別連接至網絡服務器或現場采集監控設備，再通過校園網將采集的能耗數據上傳至分類監控中心和節能監管中心。

對于特殊場合不具備有線傳輸條件的采集點，系統采用無線物聯網通訊技術，使用了無線網絡與主干網結合的組網方式，很好地利用了已有的基礎網絡。

部分水表數據傳輸使用了無線網絡，現場安裝方便，不需要破土布線，后期維護方便，成本低，電表數據傳輸中，使用了現有的RS485總線，在有數塊電表集中的場所可以只用一個信號采集裝置，節省成本；信號采集裝置與信號傳輸裝置以無線方式連接，現場施工及后期維護方便，成本低，整個系統無運行費用。

5 結束語

本系統采用了高校校園網、無線物聯網相結合的方法實現對高校的水、電、氣消耗的實時在線監控，可以迅速、準確地了解高校各建筑物以及用能點的能耗狀況，以便采取相應措施改善學校的用能環境，制定節能方案，提高能效。建設高校能耗監測平臺，對于促進高校能源節約和合理應用，緩解能源供應與社會經濟發展的矛盾，加快發展低碳經濟，推進節約型校園建設有著舉足輕重的作用，也是保障能源供給和節能育人的重要保障。

[1] 陳偉,屈利娟.全國首批節約型校園建設示范高校—浙江大學建筑節能監管體系建設思考[J].建設科技,2010,22.

[2] 王麗麗.后勤數字化在節約型校園建設中的作用—淺議天津科技大學能耗監測管理平臺建設[J].中國輕工教育,2010,6.

Construction of energy consuming inspection platform system research

Qiu Zhen, Zhao Xiaofeng
Beihang university, Beijing, 100191, China

Energy management has become one the most important topics among a series of university management policies. Researchers of Beihang university have achieved a breakthrough in the development of effective university energy management. By utilizing the Internet, supply chain and sensor network along with the new method of data analysis, Beihang university can adopting the method of analyzing historical data, Beihang university can eff ciently isolate energy usage problems.

energy consuming inspection platform; integration of three networks; management

2011-08-31

邱真，碩士，研究實習員。趙曉峰，碩士，副研究員，副處長。