基于無線通訊技術的校園節能監測分析與應用研究

孫 恒

（吉林建筑大學城建學院，吉林 長春 130114）

1 系統總體設計簡介

基于無線通訊技術的校園節能監測管理系統是實現能源優化管理的前提和重要基礎.本系統根據用戶的能量傳輸以及能源的利用狀態,通過無線通訊技術進行監測控制,為補充和完善用戶水電管理系統,集中建立用戶用電基本數據的專門統計規則和方法,準確有效地獲取各種測量數據和運行參數.通過無線通信技術的遠程系統,將所有能源消耗單位、重要設施和設備在使用過程中消耗的水能和電能數據反饋給能源管理與分析監測系統,進行分類統計;電力和用水的大用戶以直觀的圖表形式顯示.可以通過能量管理系統實現水、電能源的合理分配.利用能源管理分析監控系統根據能耗統數據被用來分析用戶的能源消耗和能源效率.對用戶的能源利用效率、消費水平、能源經濟性和環境影響進行了監測、診斷和評價.找出了造成各種問題和能源浪費的原因,提出了進一步發揮高校能源管理和監督職能的建議和改進措施.

基于無線通信技術的校園節能監測與管理系統由測量儀器、數據采集與轉換裝置(簡稱網關設備)、數據傳輸網絡、數據傳輸站、數據服務器和管理軟件組成.該系統基于Internet技術和B/S軟件體系結構.該系統具有能耗數據的實時采集與通信、遠程傳輸、自動分類統計、數據分析、指標比較、圖表顯示、報表管理、數據存儲、數據上傳等功能,滿足了校區的要求和節能管理.系統控制層(監控管理層)采用B/S結構,雙機冗余熱備工作方式,由能源管理系統軟件、主備服務器、LED顯示屏、打印機以及為系統設備供電的不間斷UPS電源等組成.主要借助于校園網,部分輔以光纖網絡,即有助于減少設備投資又能增強網絡的安全性和穩定性.

圖1 系統網絡構架

2 無線通訊技術的校園節能監測管理系統的整體網絡架構

基于無線通訊技術的校園節能監測管理系統的整體網絡構架.系統主要由現場采集結點、CAN總線、LAN總線、網絡控制器、校園網、校內能源管理中心等組成.同時,通過無線通訊技術將相關數據傳輸到其它能源管理中心.

3 無線通訊技術的校園節能監測管理系統總體設計原則

節能監測管理系統根據目前國內高校耗能建筑的特點以及節能管理系統數據采集的水平,提出如下的設計原則:

3.1 采用先進、成熟、實用的技術

目前校園節能管理系統技術的發展已經比較成熟,方案規劃主要是面臨21世紀的系統.因此,技術上需要追求科學先進,使用上要求既簡便且有實用性,技術上則講究成熟、可靠和安全,沒有任何實驗性質的應用.

3.2 系統應有集中統一的管理能力,便于系統管理

根據實際管理體系的要求,公共安全管理應該是集中統一的,所以,系統應具有多層次的集中統一管理中心,并實行科學合理的管理,使監控技術發揮出應有的作用和有效性.

3.3 系統需要具有開放性、可添加性、包容性和靈活性

安全作為主要核心,系統是開放的,可以與其他系統有機地結合在一起,并集成到一個整體.要求系統可以適合各種規模,具有較強的可添加性;可以隨時適應系統的擴展需求.該系統具有較強的包容性和靈活性,能夠適應其他產品的升級換代.

3.4 系統設計以及產品的選擇需要規范化、標準化

系統的設計和產品的選擇應滿足標準化和標準化的要求.

3.5 系統必須安全、可靠且具有較強的容錯性

系統設備的安全性和可靠性是一個非常重要的指標.為了避免操作人員的誤操作,導致系統的異常運行,要求系統擁有較強的容錯性和自測試功能.

4 系統的特點

基于無線通訊技術的校園節能監測管理系統應用拓展能力強,可滿足高校在不同發展時期的眾多需求,易于推廣.同時,系統采用分布式部署,充分發揮了各個組件的處理能力,使系統效率、處理速度達到極限,其優勢和效益表現在以下幾個方面:

(1)能耗的精確采集和控制.本系統以房間(如:教室、實驗室、辦公室、學生寢室等)為對象,可以精確到三路的強電(如:照明用電、采暖用電、動力插座以及電磁閥用電)和二路弱電的數據采集與控制.

(2)大規模受控對象.該系統采用現場總線技術,可根據用戶需求靈活配置受控對象.控制對象的數量可以滿足大量校園監控節點的要求.

(3)可靠的安全性.當系統出現故障時,被控對象可自動恢復到正常供電,保證教學科研的正常運行.該系統具有防止過載和泄漏的功能,保證了機體和設備的安全.

(4)便利的擴展升級.受控對象的擴展只需要在監控工作站上進行設定并在相應受控對象處安裝智能終端(RTU)就能完成;系統的功能擴展只需要在監控工作站上進行設定;系統的對外擴展只需要在監控工作站上加入驅動程序就能與校園一卡通系統連接,方便身份識別,從而實現更多的管理功能.

(5)靈活的控制模式.由于采用了多級網絡控制技術,可以實現集中、分散和混合(集中+分散)等多種靈活的控制模式,從而能滿足新校區的實際需求并提供最佳的系統配置方案.

(6)先進的照明節電.以每棟樓(或每層樓或每間房間)為單位,配備先進的智能照明節電器,該智能照明節電器能與節能管理系統融為一體.

5 系統的模塊組成

5.1 無線通訊技術的校園節能監測管理系統針對電力節能的應用

5.1.1 建筑照明節能系統

對建筑物內的照明進行分類,如公共照明 (走廊、樓梯、廁所等)、教室照明、辦公室照明、應急照明等.實驗室照明、自習室照明等.根據其應用功能來劃分控制邏輯關系,對建筑照明系統進行有效的節能監控.系統中教室可以與課表聯動,在無課時關閉教室照明,而對辦公室僅在辦公時間給予照明權限.

5.1.2 電力系統監控

對電力系統的設備進行實時監控,對于時間上功率不平衡的區域,可采用切換回路的方式進行節能.電力系統的整體用數據通過數據采集器(DTU)上傳到數據服務器,由系統管理軟件綜合分配電力負荷,實現校區整體用電的節能控制.

圖2 電力系統配線示意圖

5.2 無線通訊技術的校園節能監測管理系統對電采暖節能的應用

在采暖期內,對電采暖區進行分類管理.優化溫度分區管理,最大限度的做好建筑保溫和利用建筑蓄熱.溫度采集點也是分類分布的,其回路控制邏輯由管理系統優化策略統一調配,實現總體節能.

5.3 無線通訊技術的校園節能監測管理系統對用水節能的應用

在給水出口和用水終端安裝水流和水壓檢測裝置,對管網內的水流量和水壓進行實時監測,當水流長時間流動過快或水壓降低過快的管網進行現場維護,對“長流水”和“漏點”位置及時維修,達到節約用水的目的.但其判斷故障的策略由現場使用經一段時間的試運行統計確定,達到實用、有效、節能的目標.校區的整體用水量以月為單位上傳到中心數據庫.

6 無線通訊技術的校園節能監測管理系統的軟件結構與功能

本系統的軟件主要包括WEB瀏覽和系統軟件、無線數據接收軟件、DTU采集軟件、數據導入中間件軟件.能源管理客戶端軟件等.軟件全部采用圖形化的中國人機界面,具有Windows操作風格,模塊化結構,使用方便,配置靈活,易于擴展.軟件組成圖如圖所示.各軟件主要功能如下:

圖3 校園能源管理系統軟件組成

(1)數據瀏覽軟件.該軟件主要是給校園內網web發布實時能源數據,并生成按日、月、年打印或顯示各類消耗的報表.為學校相關部門和學校決策層提供科學的依據.

(2)將數據導入中間件軟件.該軟件主要完成從學校MIS系統或監控系統的現有部分獲取所需數據,并導入到能源管理系統數據庫中供能源管理系統使用.數據中間件不影響其他現有系統,而只從現有學校系統中讀取能量管理系統所需的信息,不向系統寫入任何信息.因此,系統的數據流向是單向的,可以充分保證其他系統的安全性.針對不同的數據獲取系統,需要定制和開發不同的數據中間件,以滿足學校的需要.

(3)DTU采集軟件.該軟件滿足了建筑能耗分類、分類和分計量的要求.實現對校園建筑電、水分類計量及電能的分項計量.

(4)無線數據接收軟件.該軟件將建筑能耗分項計量數據通過GPRS遠程上傳至更高級別能源管理中心.

(5)能耗管理客戶端.該系統實時監測各供電線路的電壓、電流、功率等參數,分析各供電線路在線需求,識別有效負荷和無效能耗,從而實現建筑物的有效節能.

結束語

利用能耗測量技術和計算機技術相結合,通過使用基于無線電臺通訊以及基于GPRS通訊兩種無線通訊技術兩種技術實現數據傳輸方式,達到針對供電、供熱、供水與環境監測等，對管網系統進行遠程的實時信息數據采集、實時信息傳輸、實時信息處理,直觀快速地反映管網的實時運行狀態,通過遠程控制,能夠及時對管網系統進行合理的實時調度以及管理,從而實現管理的現代化.在確保生產人員安全的前提下,能夠利用電子信息技術有效地提高生產效率.