物聯網技術在建筑能源管理系統中的應用

俞學豪

（國網中興有限公司，北京 100761）

1 物聯網技術在建筑能源管理系中的應用

1.1 物聯網的概念

物聯網能將隨處可見的末端傳感設備和基礎設施，通過各種有線、無線的通信網絡實現短距離以及遠距離的互相連通。以互聯網作為基礎，通過合理的信息安全保障管理機制，提供安全第一、控制性強、可自定義的實時線上監測、定位查找、綜合報警、統一管理、遠程控制、安全預防、遠程維保、在線升級、統計報表、決策支持等管理和服務功能，實現對各個單一物體的“高效、節能、安全、環保”的“管理、控制、運營”一體化[1]。

如果要將物聯網應用于建筑能源管理系統中，需要以下條件進行支撐。對現場的各種采集裝置進行網絡連接，物體通過傳感器的控制，再經過執行設備共同組成一個感知、物聯網絡；具備互聯網協議棧，其中包括的關鍵技術主要有計算機網絡協議，TCP/IP 的網絡應用平臺，將感知、物聯網和通信網進行連接的接入網等；可以在Web 瀏覽器上使用，支持SOAP、WSDL 和UDDI，以及諸如WS-Reliable 消息傳遞和WS-Security 的新標準。

1.2 物聯網的結構

物聯網的結構包括以下3 種，如圖1 所示。

1.2.1 感知層

感知層是實現物聯網全面感知的核心能力，是信息采集的關鍵部分。

感知層包括二維碼標簽和識讀器、RFID 技術、Zig-Bee技術、攝像頭、GPS、傳感器、M2M 終端和傳感器網關等，主要功能是識別物體、采集各種信息，與人體結構中皮膚和五官的作用相似[2]。

人類依靠五官和皮膚感知世界，通過視覺、味覺、嗅覺、聽覺和感觸感知外部世界，感知層的功能與之類似。感知層采集外界世界中發生的各種事件和數據，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數據、溫濕度和壓強等信息。感知層解決的是人類世界與物理世界之間的數據獲取問題。它首先通過各類傳感器的感知設備、射頻識別設備、二維碼識別設備、智能儀表、RFID 和EPC 等數據采集設備，采集外部數據，然后通過RFID、條碼、工業總線、藍牙和紅外等傳輸技術進行數據的短距離傳遞。

1.2.2 網絡層

網絡層作為物聯網結構的中間部位，是物聯網的中心環節，具有承上啟下的作用。

網絡層主要是將感知層所獲取的各種不同類型的數據信息，通過互聯網中心加工處理、轉化，進行長距離的數據傳輸。網絡層運用各種接入技術：如以太網、GPRS、3G、Wi-Fi、甚至衛星通信等，最終接入互聯網。云技術強大的存儲、查詢和計算能力也都歸屬在這一層。

1.2.3 應用層

應用層主要包括中問件技術、對象名稱解析服務、云計算、面向服務的體系架構技術、物聯網業務平臺及安全等技術。其中云計算是實現物聯網的核心，其促進了物聯網和互聯網的智能融合[3]。應用層作為物聯網三層結構中的最頂層，其功能可以概括為“處理”。應用層可以對感知層采集的數據進行識別、轉換、計算、處理和知識的挖掘，并為用戶應用提供相應的支撐平臺，從而實現對物理世界的實時控制、精準管制和最終決策。物聯網的三層結構體系與智能建筑能源管理系統的結構是相互印證的，通過物聯網技術的應用，使建筑能源管理系統更加完善，功能更強大。

圖 1 物聯網系統結構圖

1.3 物聯網技術在建筑能源管理中的應用

建筑能源管理系統包括設置在建筑中不同位置的物聯網終端、物聯網能源管理平臺以及通信設施，而物聯網獨特的體系結構剛好可以對應滿足建筑能源管理系統的多層需求[4]。

建筑能源管理系統的結構與物聯網的系統結構相似，可以劃分為：數據采集層、數據存儲層、應用層和展示層。

數據采集層包括各種現場設備，有射頻識別設備、溫濕度、壓力值傳感器以及各種工業儀表（水表、電表、氣表）等。對現場各種信息進行搜集，傳輸至數據采集中心，顯示為設備信息、電表數據、水表數據、氣表數據、壓力值和溫濕度等。

數據存儲層是將現場設備運行所產生的各類數據，包括用戶數據、基礎設備數據、電能數據、耗水數據、空調數據以及共享數據存儲到服務器中并妥善保管。

應用層是對數據存儲層存儲的各類信息進行統一的監察、分析、控制和管理。應用層可進行實時檢測。在接受到問題反饋后，短時間內觸發報警機制，進行綜合報警。對數據整合，進行能耗分析、節能診斷并以報表的形式呈現出來。

展示層則作為一個數據展示，通過對各種數據的匯總和分析，可以將實時能耗、當天能耗、當月建筑用能、本年累計能耗、當月設備報警以及節省電量等信息進行展示。

智能建筑能源管理系統的4 種結構與物聯網的3 種結構相呼應，并對此加以延伸拓展，使2 種技術相互融合。數據采集層通過物聯網技術對現場的各種終端設備實現數據的采集；數據存儲層則通過物聯網技術的網絡側進行數據之間的通信、整合；應用層則通過物聯網的云計算技術對海量數據進行運算處理，實現對建筑能耗的遠程監控、能耗分析和節能管理；展示層作為一種交互平臺，以更加直觀、便捷、全面的方式對建筑能源管理系統進行展示[5]。

利用物聯網技術，將建筑能耗數據整合到建筑能源管理數據中心，由數據中心進行數據分析、處理，轉換為其他形式的數據，服務于應用程序，進而對建筑耗能進行整體的統籌管理。

2 基于物聯網技術的建筑能源管理系統

該文以國網中興有限公司智慧后勤系統的能源精益化技術應用研究項目為例，介紹了基于物聯網技術的建筑能源管理系統。通過該項目研究，建成智慧后勤能源精益化管理系統，與都城大廈現有智能樓宇一體化綜合管理系統融合，實現各系統數據互聯共享，為后勤服務單位及時消除安全隱患、開展后勤精益化管理、提升專業管理能力和服務品質提供專業支撐。

2.1 建筑能源管理系統體系架構

國網中興能耗監測系統的體系架構分為展示層、應用層、數據存儲層和數據采集層，各層建設均遵循系統統一的標準規范和安全保障體系。

2.1.1 數據采集層

數據采集層：現場各種數據采集器，通過接口協義采集基礎數據。

2.1.2 數據存儲層

數據存儲層：將數據采集層采集的各種數據進行接收、轉化，存儲至數據中心。數據中心作為一個數據中轉系統，將對所有業務數據進行儲存和分析。

2.1.3 應用層

應用層實現了系統的應用功能和人機交互功能，按照在線監測、綜合報警、能耗分析、節能診斷、設備管理和運營服務等業務功能進行劃分。

2.1.4 展示層

展示層用于系統能耗數據監測和匯總統計的展示。

2.2 系統功能

能耗監測系統由實時監測、能耗監測、統計報表、節能診斷、綜合報警、設備管理和數據接口等功能模塊組成，對于信息管理部門、能源管理部門、現場操作人員、系統維護人員以及決策領導等不同的需要提供完善的使用功能，通過用戶類型和權限控制，為每一類使用人員提供相應的功能界面。

2.2.1 指標體系

指標體系在系統中通過指標的流轉來實現對整個能源管控過程的管理。具體體現為：指標設定、指標下達、指標執行跟蹤和指標執行評價。

2.2.2 設備管理

設備管理實現設備類型管理、用能設備管理、采集器管理和表計管理等功能。

2.2.3 分戶計量

在系統中通過區域和機構的設置，實現能耗的分區域、分戶計量。

2.2.4 實時參數（在線監測）

2.2.4.1 電表實時監測

完成對建筑能源管理系統中所有電表監測，獲取電表的電量、電流、電壓、功率和電能質量等實時數據。

2.2.4.2 電表歷史曲線

完成對建筑能源管理系統中所有電表監測，獲取電表的電量、電流、電壓、功率和電能質量等歷史數據。

2.2.4.3 主接線圖監測

完成對建筑能源管理系統中電力主接線圖監測，通過主接線圖監測展示配電系統的線路連接狀態以及配電室主要設備的狀態運行參數。

2.2.4.4 配電設備監測

完成對建筑能源管理系統中配電設備檢測，主要是對配電室現場情況以及配電室中的變壓器、電容器、直流屏的運行參數進行監測。

2.2.4.5 報表打印（統計報表）

利用監測得到的數據，以年、半年、季度、月等為時間維度，實現常用報表的標準化打印、輸出，包括Excel、Word、PDF 等格式；以及非標準化報表自定義格式的打印、輸出等功能。報表展示格式為表格形式、圖形形式及圖表混排模式等多種形式，用戶可以根據需要自定義打印和輸出對應格式的報表。

2.2.4.6 節能診斷

診斷分項：非工作時間用能異常，非工作時間一般指一天中的下班時間，一周中的周六周日。診斷時間：當選小時時診斷圖橫坐標精確到小時，當選日時診斷圖橫坐標精確到日。能源用途：每個設備都有能源用途屬性，會根據此選項篩選出相應的能源用途。設備：在此能源用途篩選出的設備中選擇，進行節能診斷。生產節能方案：滿足條件的可以生成節能方案。問題描述：根據折線圖和觸發值的關系，描述問題。方案描述：對產生此問題的原因或節能方案進行描述。預計年節能量：根據折線圖中統計的實際用量超過觸發值的數量，累計如此運行一年的用能量。預計年節能成本：將預計年節能量轉換成錢數。

2.2.4.7 能耗分析

系統能夠從時間、位置、區域上進行區分；能夠按照部門、設備和功能區進行統計分析。1）時間能耗分析。實現對能源在部門、設備、用能區域的同比和環比分析。2）平均能耗分析。對建筑總體能耗、分項能耗、平均面積或平均人數分析。3）電能分項分析。電能分項能耗按照部門、設備、功能區域分析。4）碳排放量分析。通過對建筑能耗統計，把電折算算成標煤的形式，計算出綜合碳排放量和分類碳排放量。5）能耗排名分析。對建筑總體能耗、部門、設備和功能區域能耗進行能耗排名分析。綜合能耗按照部門、設備和功能區域排名。6）負荷對比分析。以用電負荷監測為主體，對建筑總體負荷、分項負荷、部門用電負荷進行實時監測，并以30 min 或1 h 為單位，存儲該時段有效值并進行對比分析。

2.2.4.8 綜合報警

用電預警報警。電能使用過程諧波越限告警、電壓/電流不平衡度越限記錄、電壓越限記錄、電流越限記錄、A（B、C）相電壓越上限累計時間以及A（B、C）相電壓越下限累計時間等超過規定值的情況。用能異常報警。針對不同設備、不同區域使用過程中發生的使用量突然大幅度超過正常值的情況，使用過程諧波越限告警、電壓/電流不平衡度越限記錄、電壓越限記錄、電流越限記錄、A（B、C）相電壓越上限累計時間以及A（B、C）相電壓越下限累計時間等超過規定值的情況。

3 基于物聯網技術的建筑能源管理系統在節能減排中的應用

目前，隨著經濟的快速發展以及城市化進程的推進，我國對能源的需求呈指數形式上漲。我國消耗能源的主力可以分為建筑用能、工業用能和交通運輸用能等方面，其中建筑能源消耗在總能耗中大約占據1/3[6]。

將物聯網技術與建筑能源管理系統進行融合，通過能源管理平臺對建筑能耗的各個用能設備進行實時、歷史數據的采集、監測、分析、處理和管理，對建筑用能進行精細化管理，為建筑節能管理提供技術支持。以下就建筑能耗進行簡單分析。

3.1 建筑分項能耗計量

對建筑中的各種能耗數據進行實時檢測，包括設備信息、電表數據、水表數據、氣表數據、壓力值和溫濕度等，增強對建筑分項能耗計量的標準化和模式化。也根據客戶端不同需求，進行自定義化管理，形成可擴展性的計量模式。

3.2 能耗數據公示

以表格、圖形及圖表混排模式等多種形式為運維人員及評估專家提供建筑分項能耗數據，這些數據包括實時能耗、當天能耗、當月建筑用能、本年累計能耗、當月設備報警以及節省電量等信息。利用監測得到的數據，以年、半年、季度和月等為時間維度，實現常用報表的標準化打印和輸出。

3.3 能耗審計

根據國家和地區的節能法規、節能的原則和技術，完成能源的初步審計、綜合審計以及專項能源審計。

對現有設備的類型、結構進行審計，對標國內外同類型設備用能報告進行節能分析；分析能源結構變化對節能的影響；分析現有能源管理制度中的不足對節能的影響。

3.4 能耗的分析和診斷

以定期節能報告的形式，對時間、位置、區域進行區分，按照部門、設備、功能區進行統計、分析和處理。對建筑的各個能耗系統進行科學的診斷，確認各個環節用能審計結果，合理分配用能結構，對超出能耗范圍的功率設備和環節分析原因，進行合理化整改。

3.5 節能效果評估分析

通過對建筑能源的能耗審計與分析診斷，優化能源配置結構，最終以能耗報告的對比分析評估節能成效，為后續的節能改造提供基礎和方向。

4 結語

研究物聯網在能源管理中的應用，是順應時代科技發展的必然結果。將物聯網技術運用到建筑能源管理系統中，整合原有基礎設施資源加以利用，對現有的管理系統進行技術升級，在滿足國家對能源管理的需求下，以標準化、模塊化、構件化、安全可靠性、先進性、易用性、經濟實用性、高性能以及可擴展性等原則為標準，充分滿足建筑能源的各種業務功能需求，實現對建筑能源的能耗管理。