基于LonWorks技術的校園電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

摘 要：為了有效地管理與節(jié)約校園電能耗，以 “節(jié)約型校園電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)”的建設為背景， 設計了基于LonWorks技術i.Lon Smart Server 2.0某高校的電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)，包括系統(tǒng)網(wǎng)絡結構、使用的關鍵技術、系統(tǒng)最終實現(xiàn)。通過對系統(tǒng)進行測試驗證，結果表明系統(tǒng)能夠實現(xiàn)電力節(jié)能和監(jiān)控管理功能。

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關鍵詞：LonWorks; 電能耗; 監(jiān)控系統(tǒng); 節(jié)能

中圖分類號：

TN711-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)05

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Research and implementation of monitoring and control system 

in the campus power energy based on LonWorks technology

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LIU Li-li， DUAN Zhong-xing

(School of Information and Control Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an 710055， China)

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Abstract：

To effectively manage and save electrical energy on campus， a college power consumption monitoring and control system based on LonWorks technology i.Lon Smart Server 2.0 is designed according to the construction of \"saving electricity consumption monitoring and control system on campus\". The monitoring system includes system network structure， key technologies and final implementation. The test verifies that the system can achieve power saving， monitoring and management.

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Keywords： LonWorks; electrical energy consumption; monitoring and control system; energy saving

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收稿日期：2011-11-21

0 引 言

電力能源是人們生活不可或缺的關鍵能源。高校又是主要耗電戶，需要使用新的技術措施實現(xiàn)電能源的節(jié)約與管理。提供充足的電能是學校科研、教學、師生活動有序進行的前提。因此對高校進行電力節(jié)能降耗監(jiān)控管理的研究和改造對建設節(jié)約型校園具有深遠意義。

國外一些國家對能耗管理平臺研究和實現(xiàn)已經(jīng)相對成熟。例如美國OPTO22公司在2010年底研制了新一代EMU能耗監(jiān)測系統(tǒng)與Google Power Meter(Google 能耗計量軟件)等平臺集成的能耗監(jiān)測在線解決方案。2007年，國內南京迪瑪斯電氣有限公司開發(fā)的建筑能耗采集系統(tǒng)，以及清華大學的著名院士江億負責主持的建筑節(jié)能研究中心開發(fā)的能耗分項計量實時分析系統(tǒng)已在十座大型公建中運行，進一步推動了國內能耗管理平臺建設［1］。

本文以“某高校節(jié)約型校園電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)”的建設為背景，設計了基于LonWorks技術i.Lon Smart Server 2.0電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)。包括系統(tǒng)網(wǎng)絡結構、應用的關鍵技術、系統(tǒng)最終實現(xiàn)。通過對系統(tǒng)進行調試驗證，結果表明系統(tǒng)能夠實現(xiàn)電力節(jié)能和監(jiān)控管理功能。

1 校園電能耗監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構

該系統(tǒng)實現(xiàn)電能耗分項(空調、動力、照明插座、特殊用電)計量和節(jié)能監(jiān)控，其網(wǎng)絡結構由三層組成，分別是現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡、中間網(wǎng)絡傳輸層、上層監(jiān)控網(wǎng)絡。現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡采用多功能電力監(jiān)控終端來完成對現(xiàn)場子網(wǎng)各個回路中各電力參數(shù)的采集和處理；中間網(wǎng)絡傳輸層是將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)打包通過網(wǎng)絡控制器i.Lon Smart Server 2.0［2］傳輸?shù)缴蠈颖O(jiān)控網(wǎng)絡，同時將上層監(jiān)控網(wǎng)絡的控制命令下達給現(xiàn)場設備控制現(xiàn)場對設備執(zhí)行動作；上層監(jiān)控網(wǎng)絡主要完成對各個子網(wǎng)電能耗的整體綜合監(jiān)控及用電管理，并通過Internet實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)信息的轉發(fā)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源信息共享。系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示。

本文所研究的某高校電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)工程概況如下：該系統(tǒng)是由北院教學區(qū)、辦公區(qū)、學生生活區(qū)和南邊行政辦公區(qū)共2個分區(qū)23個基站構成。現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡根據(jù)計量裝置安裝的科學性以及從施工走線考慮共有23個子網(wǎng)。即需要安裝網(wǎng)絡控制器i.Lon Smart Server 2.0共23臺。需要安裝節(jié)點計量裝置——多功能電力監(jiān)控終端NLA-PM100D共386個。為了合理地確定現(xiàn)場智能節(jié)點的安裝位置，根據(jù)該校園配電圖紙以及數(shù)據(jù)中心位置綜合考慮，子網(wǎng)位置確定及節(jié)點數(shù)量安裝情況如表1所示。

2 校園電能耗監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術

系統(tǒng)設計中使用到的關鍵技術有計量裝置、計量信息接口技術、現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡技術、遠程傳輸網(wǎng)絡技術、組態(tài)軟件應用技術［3-8］。

2.1 系統(tǒng)中的智能節(jié)點的設計

基于LonWorks總線的現(xiàn)場計量裝置采用高精度電能計量芯片ADE7758和單片機ATMEGA128A，ADE7758能夠實現(xiàn)對采集進來的電壓、電流信號和頻率信號的數(shù)字濾波、諧波分析、有功、無功、視在電能計量處理及與單片機ATMEGA128A進行數(shù)據(jù)交換。ATMEGA128A單片機負責與電能計量芯片ADE7758交換數(shù)據(jù)、數(shù)碼管顯示、鍵盤輸入、數(shù)據(jù)存儲及與基于Neuron5000芯片的TP/FT-10F LonWorks模塊通信，包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)預處理單元、人機接口單元(12個8段數(shù)碼管顯示、6個鍵盤輸入)、存儲和從站接口單元，如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)中智能節(jié)點的現(xiàn)場調試

智能節(jié)點軟件設計主要指應用程序設計。因為節(jié)點的功能都是由應用程序完成。在基于LonWorks技術的電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)的智能節(jié)點現(xiàn)場調試過程中，因為是對現(xiàn)場共23個子網(wǎng)中的每一個子網(wǎng)中的每一個節(jié)點的調試，23個子網(wǎng)就是23臺i.Lon Smart Server 2.0網(wǎng)絡控制器，為了考慮現(xiàn)場施工布線方便容易等特點，電力能耗需要監(jiān)控的區(qū)域共分為23個子網(wǎng)，在現(xiàn)場不同子網(wǎng)區(qū)域的各個配電室進行調試時只需一臺個人計算機(PC)、設計的節(jié)點應用程序、一根網(wǎng)線及已經(jīng)安裝在子網(wǎng)內的i.Lon Smart Server 2.0網(wǎng)絡控制器，安裝在現(xiàn)場配電室的各配電柜上的電力能耗計量裝置，就可以調試現(xiàn)場智能節(jié)點。調試過程如圖3所示。

2.3 上層監(jiān)控主站與底層監(jiān)測網(wǎng)絡通信

系統(tǒng)采用OPC技術來實現(xiàn)上層監(jiān)控管理機與現(xiàn)場節(jié)點之間的通信。通過OPC接口將現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集到組態(tài)軟件中來，又可通過該接口將數(shù)據(jù)從組態(tài)軟件系統(tǒng)采集到上位機應用程序中來［6］，OPC技術采用Client/Server模式，本文組態(tài)采用InTouch10.0［7］，應用LNS OPC Server和In Touch的OPC Client建立In Touch10.0與LonWorks網(wǎng)絡之間的動態(tài)數(shù)據(jù)鏈接，配置好相應的主題和項目，即可建立監(jiān)控系統(tǒng)與LonWorks網(wǎng)絡間的聯(lián)系。使上位機監(jiān)控系統(tǒng)可實時顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)， 并下發(fā)控制命令。基于InTouch 10.0組態(tài)的監(jiān)控程序一方面通過EasyLon OPC Server同LonWorks網(wǎng)絡變量交換信息，一方面通過ADO(Activex Data Object)數(shù)據(jù)接口同數(shù)據(jù)庫交換信息。通過運行OPC服務器和人機界面軟件來對系統(tǒng)運行的實時和歷史信息監(jiān)控。示意圖如圖4所示。

將現(xiàn)場節(jié)點NeuronID和程序ID寫入

3 校園電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)的實施過程

3.1 確定數(shù)據(jù)監(jiān)控中心

首先將現(xiàn)場智能節(jié)點即多功能電力監(jiān)控終端通過自帶LonWorks雙絞線接口(TP/FT-10A)使其與i.Lon Smart Server 2.0網(wǎng)絡控制器通信，網(wǎng)絡控制器再通過校園局域網(wǎng)與裝有LonMaker for Windows 3.2的監(jiān)控主機連接組網(wǎng)。然后通過監(jiān)控主機與Intranet/Internet連接以實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享。系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心設立在北區(qū)，包括大屏幕、直流電源UPS、監(jiān)控主機、打印機等。監(jiān)控主機采用Microsoft SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫軟件、基于LNS操作系統(tǒng)的LonMaker for Windows 3.2，Echelon i.LON Smart Server 2.0 Software等一系列LonWorks軟件。

3.2 使用LonMaker for Windows 3.2組建教學大樓東子網(wǎng)

教學大樓東配電室內子網(wǎng)IP地址為192.168.1.109，其LonWorks Interface Name為“jxdld”，在測試添加子網(wǎng)后進入LonMaker for Windows 3.2界面創(chuàng)建子網(wǎng)，如圖5所示。

圖5 使用LonMaker for Windows 3.2

創(chuàng)建教學大樓東子網(wǎng)(jxdld)

3.3 子網(wǎng)中單個節(jié)點實驗數(shù)據(jù)查詢分析

教學大樓東子網(wǎng)組建成功之后，對子網(wǎng)中的單個節(jié)點使用LonMaker 3.2瀏覽單個節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，在監(jiān)控室就可以方便地看到該子網(wǎng)現(xiàn)場電力能耗智能節(jié)點的運行情況，是否正常采集數(shù)據(jù)等及某個回路中的能耗使用情況，以便于工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題加強管理以更好地實現(xiàn)節(jié)能及監(jiān)控管理功能，如圖6所示。

圖6 教學大樓東子網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)信息查詢分析

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