已裝遠傳電表建筑的能耗數據采集研究

歐陽前武，李 輝

（深圳市紫衡技術有限公司，廣東深圳518057）

0 引 言

在建筑能耗中，大型公共建筑高耗能的問題日益突出，做好大型公共建筑的節能工作具有重要意義［1］。“建筑節能、數據先行”，必須準確提供我國建筑物所消耗終端能源的具體數據，才能準確地描述我國建筑能耗的特點，有效地控制建筑能耗［2］。而先進實用的公共建筑能耗數據采集技術是獲得準確數據的保證，在整個建筑能耗監測平臺中起著至關重要的作用。

在深圳地區的大型公共建設能耗監測體系的建設過程中，多數建筑未安裝具有遠傳功能的監測計量設備和系統（以下稱“未裝配電監測系統的建筑”），可以采用新安裝具有遠傳功能計量設備和數據采集設備的方案實現建筑能耗采集；而部分建筑已安裝具有遠傳功能的監測計量設備和系統（以下稱“已裝配電監測系統的建筑”），其建設目的往往只局限于配電系統的監測，無法滿足《國家機關辦公建筑和大型公共建筑分項能耗數據采集技術導則》的能耗監測要求。同時，對這類型建筑新增或改裝能耗計量儀表，均將帶來資源的巨大浪費。

為了解決這一問題，本文針對深圳某大型公共建筑擬采用軟件采集數據的方法，即通過編制能耗軟件采集模塊，從此類建筑的已有控制系統中匯總能耗類數據，按一定頻率，通過公共網絡發送到市級能耗監測數據中心，實現建筑分項能耗數據采集。

1 大型公共建筑能耗監測現狀

在深圳市大型公共建筑中已有部分建筑安裝了能耗監測設備與數據采集器（非中控）等軟硬件設施，安裝之初的目的在于建立樓宇自動化（BA）系統或防火災系統。圖1中，原有中電配電系統主要用于樓宇內防火災報警，中電配電系統與多塊遠傳電表相連接，并且不與公網連接（安全風險）。BA系統與防火災系統類似，只是安裝電表的作用不一樣，且安裝電表的數量有限。

圖1 網絡架構拓撲圖

遠傳電表中的檢測表頭通過對現有電表、水表、燃氣表加裝傳感器，使其既能就地顯示計量數據，又能產生相關計量脈沖信號。但目前大部分建筑僅僅利用了其計量功能，并未充分利用其遠傳功能。為了節省建筑能耗監測系統建設成本，充分利用建筑內部已安裝的遠傳電表，本文針對性地提出了一整套解決方案。該方案采用OPC+WS（Web Service）的方法，即通過編制能耗軟件采集模塊，從此類建筑的已有控制系統中匯總能耗類數據，按一定頻率，通過公共網絡發送到市級能耗監測數據中心，實現建筑分項能耗數據采集。這種方法與過去常用的DCOM方法相比，大大地降低了OPC服務器配置的難度，同時也提高其可靠性。下面以深圳市京基100大廈的建筑能耗監測系統為例，介紹其數據的采集和傳輸。

2 大型公建能耗監測數據的采集

因煤氣表、水表與供熱計量表的數據采集需要得到相關主管部門或單位的同意，因此，本系統只對電能進行了分項計量。為了更好地反映建筑能耗水平，科學地指導決策和管理水平，首先對京基100大廈施行現場勘察，主要包括建筑用能系統的調研，確定電能的分項，全面考察儀表終端安裝條件。

大型公建功能復雜，系統繁多，為真正實現“以用能數據為導向的節能”，對該大廈的建筑能耗進行分項計量。科學的分項才能真正地反映建筑能耗。本文在適當的分項回路已裝電表上裝設數據采集器，直接采集各支路的電表數據來獲得分項電耗。

由圖1知，對于傳統的建筑能耗監測系統，硬件上增加一臺安裝有數據采集軟件的服務器，為將采集能耗數據上傳至數據中心服務器，還可增加一個路由器，直接由數據采集器采集各電表的數據經路由器發給數據中心服務器。對于已安裝有遠傳電表的部分建筑，因無法知曉能耗監測系統數據中心的數據格式，使得能耗監測數據無法上報與展示，只需安裝數據上報軟件即可。

能耗采集系統建設流程大致可分為“建筑能耗計量與數據采集方案設計——能耗監測設備安裝實施——能耗數據采集傳輸調試——能耗數據使用與維護”幾個階段。京基100大廈的節能監管系統能耗數據采集傳輸分為兩個方面：一是數據采集，實現多種能耗監測計量表計到數據采集器（網關設備）之間的網絡鏈路和數據傳輸；二是數據傳輸，通過數據采集設備（網關設備）和公共網絡通道向建筑節能監管平臺數據服務器發送采集數據。

2.1 建筑能耗數據采集系統框架

本文基于實際調研的情況，對能耗數據采集系統軟件的需求進行了詳細的分析，主要包括功能總體描述、功能性需求、用例描述、用例實現、外部接口需求及非功能性需求。采用微軟的WCF通信框架作為方案的通信架構，避免復雜的自定義通信框架，使得系統設計大大簡化。未沿用老式的DCOM方式來獲取現有電力監測系統的OPC數據源，而是在其上直接實現一個OPCServer Wrapper類的應用程序，自動將其轉發出去，大大地降低了OPC服務器配置的難度，同時也提高其可靠性。

建筑物內能耗數據采集系統由監測建筑中的各計量裝置（本文主要是電表）、數據采集器和建筑物上位機軟件組成，如圖2中虛線框內所示。系統結構遵循分散采集、集中管理的原則，在功能上由監測層和管理層兩個網絡結構組成。監測層為工業總線結構，負責能耗數據采集和現場設備的運行狀態監控及故障診斷；管理層為以太網結構，負責數據存儲、數據處理、數據傳輸以及本建筑物監測網絡運行管理。

圖2 數據采集系統結構框圖

2.2 數據采集

為了達到標準計量的技術要求，各計量裝置均采用TCP／IP協議和DL／T645協議（多功能電表通信規約）的標準計量裝置。計量表計通訊協議符合P645規約、ModBUS協議等國家相關行業的通訊標準協議，根據計量表計的接口特點，采用以RS-485總線技術為主，對部分布線距離較長施工難度大的計量表輔助采用短距離無線傳輸技術，根據現場實際情況兩種傳輸方式可以組合使用。

本文以“OPC數據采集”為主來實現數據采集，該方案包括一套完整的軟件與硬件措施，其功能需求如表1所示，基本結構框圖如圖3所示。

表1 數據采集功能需求列表

圖3 數據采集平臺結構框圖

數據采集器在數據采集過程中起著關鍵作用，本質上起著數據采集網關的作用。它通過在用能末端安裝的具有數據通信功能的計量裝置來采集分項用能數據，再將分項能耗數據依靠通信媒介傳輸給建筑物內上位機進行進一步的分析統計，或依靠互聯網等直接將原始數據傳遞到數據中心。

按照參考文獻［8］的要求，一臺數據采集器支持32臺計量裝置，支持根據數據中心命令采集和主動定時采集兩種數據采集模式，采集周期為15 min。計量裝置和數據采集器之間采用主-從結構的半雙工通信方式。從機在主機的請求命令下應答，數據采集器是通信主機，計量裝置是通信從機。采集器內置大容量CF卡及存儲數據庫，采集到的原始數據及時存儲在采集器的SD卡內，保證數據的完整性。采集器與數據中心連接斷開后，可保存至少1個月內的所有采集數據，從而實現數據中心端的數據完整性。當采集器與數據中心重新連接時，將主動對斷線期間的數據進行歷史恢復，同時支持對指定時間段歷史數據人工恢復功能。數據采集器程序的主流程如圖4所示。

圖4 數據采集器程序主流程

公共建筑用電能耗監測的關鍵在于分項計量，為實現電量分項采集，區分各電表的分項和回路，要在上位機內對各電表進行信息配置。根據國家建設部規定的能耗編碼規則［10］，在上位機內規定各電表的終端信息，即電表所在的分項和回路的編碼。各電表的原始數據按照規定發送到指定的位置并進行顯示，方便上位機將數據按分項信息歸類存儲。

2.3 數據遠傳的實現

數據采集器除了將所采集的分項數據定時傳輸給建筑物內上位機之外，還應將采集到的能耗數據通過TCP／IP協議進行定時遠傳，一般規定分項能耗數據每15 min上傳1次，不分項的能耗數據每1 h上傳1次。網絡通訊層使用基于TCP／IP協議的方式對數據進行傳輸，數據通訊使用基于TCP的Socket類進行數據傳輸操作。

京基100大廈內已有監測系統設置有監控主機，為使其能耗數據能上傳到深圳市建筑能耗監測數據中心，需要使每一臺監控主機能夠連接到互聯網另一端的固定網絡IP和端口的數據中心接收服務器。數據采集通訊服務負責監聽指定IP和Port的端口，接收來自客戶端的心跳連接、身份驗證、采集數據接收等。數據采集通訊服務向數據采集網關發送心跳連接，身份驗證和數據包接受響應等，它和數據中心的通信過程如圖5所示。

圖5 采集器和數據中心通信流程

3 總結及展望

本文基于實際調研的情況，對能耗數據采集系統軟件的需求進行了詳細的分析和軟件系統的開發設計。采用OPC+WS（WebService）的方法，介紹了其通訊方式，系統總體結構，數據采集終端和數據中心。由于該系統針對建筑能耗進行了分項計量，并上傳至能耗監測數據中心，可獲取大量而細致的建筑能耗數據，如建筑的時耗電量、日耗電量等，有利于總結大型公共建筑的用電規律和特點，揭示大型公共建筑耗電量巨大的原因，明確節能潛力所在，為加強大型公共建筑節能控制和運行管理提供可靠的數據支持。

本采集方案的實現，不但能增大現有建筑的能耗監測系統的覆蓋面，增強能耗監測應用的適用范圍，而且節省了項目投資，從根本上避免了建筑監測領域的重復建設，還能夠為該領域的行業應用標準的制訂提供參考，因此具有很強的技術領先性、經濟實用價值及巨大的潛在社會效益。

同時也應注意，監測系統的維護比建設更重要。能耗采集系統在監測設備、采集傳輸和數據處理等過程中均可能出現數據異常現象，除上述策略外，系統維護人員還應定期抄取各表計現場讀數，與數據中心數據進行核對；加強數據分析，定期對表計進行檢定和維護，確保能耗數據采集的準確、安全、可靠。

［1］建設部.關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能管理工作的實施意見［Z］.2007.

［2］陳 梅，張永堅，牛祺飛.公共建筑能耗監測系統研究［J］.電子測量與儀器學報，2009（增刊）：167-170.

［3］杜 冰，盧迎華.大型公共建筑節能存在的問題與對策探析［J］.價值工程，2010，29（21）：94-95.

［4］Bumpei Magori，Tomonari Yashiro.Building energy monitoring system［D］.Tokyo：University of Tokyo，2008.

［5］鄭明明，陳 碩.建筑能耗檢測平臺的研究［J］.智能建筑與城市信息，2009，155（10）：53-55.

［6］王立雷，梁俊強，刁乃仁.基于能耗統計數據庫的能耗評測方法研究［J］.山東建筑大學學報，2010，（2）：109-113.

［7］張永堅，聶玉慶，賈魯峰.公共建筑能耗監測系統設計與標準化集成［J］.工程設計與計算機技術，2010（增刊）：273-277.

［8］建設部.國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據傳輸技術導則［Z］.2008.

［9］清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2010［M］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［10］建設部.國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據采集技術導則［Z］，2008.