公共建筑用能監測系統故障分析與修復方法綜述

王立業

國檢測試控股集團上海有限公司

0 引言

公共建筑用能監測系統于2007 年開始建設，前期主要以北京、天津、深圳、上海等地作為試點城市推行建筑能耗監測體系的建設。截至2021 年底，上海市累計聯網的建筑數量已有2 143 棟，覆蓋建筑面積約10 101萬m2。

2018 年，上海市啟用了新的DGJ 08-2068—2017《公共建筑用能監測系統工程技術標準》，強化了分類分項計量的要求，增加了計量點位設置、系統構成等內容，并且對系統監測和驗收等進行了細化。本文就近幾年的工作經驗，從故障分析與修復方法總結的一些經驗進行綜述。

1 公共建筑用能監測系統現狀

公共建筑用能監測系統主要以服務器、通信設備和計量設備為基本工具，一般分為三層：

1）數據應用層

數據應用層主要針對公共建筑用能監測系統的管理維護人員，是人機交互的直接窗口，也是系統的最上層部分。數據應用層主要由系統軟件和必要的硬件設備，如工業級計算機、打印機、UPS 電源等組成。

2）傳輸通信層

傳輸通信層應由采集設備、以太網設備及計量設備通過通信總線連接的網絡組成。該層是數據信息交換的橋梁，負責對計量設備回送的數據信息進行采集、分類和上傳等工作。采集設備是系統數據處理和智能通信管理中心，具備了數據采集與處理、通信控制器、前置機等功能。

3）計量設備層

計量設備層是能耗數據計量終端，主要由各類智能儀表組成。智能儀表負責最基層的數據采集任務，其計量的用能數據必須完整、準確并實時傳送至采集設備。

2 公共建筑用能監測系統故障分析

公共建筑用能監測系統的故障往往體現于上傳數據的異常現象。數據異常判定主要以《上海市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統數據(用電量)采集判定要求》給予判定。常見的異常現象有無數據、數據缺項、數據缺失、數據過大或過小、分項之和大于或小于總項等。

2.1 現場勘察與排摸

為了更加精確定位系統故障原因，需要根據公共建筑用能監測系統異常現象，結合業主及物業管理人員所提供的系統運行情況，再對現場進行實地勘察與排摸。主要內容如下：

1）核查建筑的基本情況包括建筑名稱、地址、面積及功能等有無更改。

2）建筑近期有無網絡結構更改及配電系統更改等。

3）采集網關與計量設備之間通信是否正常，通信線纜是否損壞、接入點有無接觸不良等情況。

4）系統運行情況分析包括設備有無損壞、數據采集上傳是否正常、計量點位是否齊全、系統運行是否正常等。

5）對于采用原有電力監測系統數據的建筑，需要核查包括數據采集模式、采集/計量設備型號、品牌、數量等，并列出清單、計量點位清單，還包括儀表CT 倍率與現場互感器實際的安裝情況核查。原有電力監測系統出現故障必要時需要實施單位到達現場共同排查。

6）網絡是否正常、能否實現聯網上傳、功能是否還滿足要求。

2.2 導致故障原因分析

通過現場的勘察與排摸導致公共建筑用能監測系統故障的原因如下：

1）現場配電回路發生變化，增加配電回路或變更了回路用途，但系統并未對其作出相應變更與增加計量點。

2）各建筑計量點位配置不全面，例如建筑的中央空調系統設備未計量。

3）現場的采集設備/儀表損壞，數據無法進行正常的采集及上傳工作。

4）通過原有電力監測系統或其它監測系統轉發來的數據，由于原有系統的不穩定，導致的異常數據。

5）網絡故障問題最為常見，由于大部分都是利用建筑內的有線網絡，例如網絡結構改動及現場環境諸多因素等，都會導致數據無法上傳。

6）利用原有電力系統數據進行上傳，由于原系統發生故障無法正常運行，導致系統故障。

3 公共建筑用能監測系統故障修復

3.1 計量點位修復

前期建設的公共建筑能源監測系統中，隨著用能需求量的增加，配電系統的調整，多數建筑的計量點位都不是很全面，導致總項與分項之間會有很大的誤差，因此除了消防設施其余均應進行計量，這樣可以避免計量不全面導致分項之和大于或小于總項的情況出現。對于建筑中央空調系統的主站、冷卻泵和循環水泵等設備供電回路應進行單獨計量，方便更準確地逐項分析能耗數據。

3.2 系統設備修復

3.2.1 智能儀表

智能儀表在公共建筑用能監測系統中發生故障或者損壞的幾率很小，主流品牌的儀表基本都可以穩定運行近10 年以上。出現故障后只需要對儀表的準確度進行核對，就可以繼續使用。電表的核對方法可利用鉗形表測量配電回路電纜上電流，與電表上顯示的瞬時電流進行核對，或者通過電能表校驗儀進行監測。更換電表時，要注意電流互感器的特性。更換前要將互感器進行短接并且要有可靠的接地，以免開路引起高壓危險，對設備和人員的安全造成危害。

3.2.2 采集設備

采集設備故障都是因為環境影響，例如溫度過高會導致設備死機，建筑內配電線路維修、調整等原因導致的采集設備斷電。對于以上問題可以通過加裝散熱器和UPS 電源的方式解決。如果設備損壞需要更換時應盡量選用帶有遠程維護功能的設備，當系統發生故障時可第一時間通過遠程的方式進行查看數據采集及上傳情況。

3.2.3 系統服務器

系統服務器只要正常使用，一般不會出現故障。出現故障只有兩種情況：

1）系統運行卡頓，功能不能正常使用。應對上傳數據的處理進行核查，對相應的組件及運行程序進行測試，恢復系統正常運行。

2）硬件損壞，例如電源損壞供電不足導致主機不能開啟、開機無顯、開機報警、反復重啟等情況。出現此類情況應及時對相應的硬件進行維修或者更換。

3.3 網絡系統修復

公共建筑用能監測系統基本都利用建筑內有線網絡進行上傳，難免會受網絡配置更改、故障維修的影響，造成斷網。遇到此類情況可以采用無線4G 路由器網絡進行上傳。無線4G 路由器應選擇帶遠程配置及流量監測等功能，在發生系統故障時也可根據流量的使用情況判斷故障原因。

3.4 數據采集修復

1）首先要測試每個RS-485串口總線與儀表之間的通信是否正常，確認儀表通信參數設置是否正確、傳輸信號是否穩定，有無解析錯誤或者采集失敗等現象。

2）對于長距離傳輸或者附近有干擾源，導致數據無法正常通信，可以采用降低波特率和采集頻率的方式進行采集，同時在RS-485 總線終端加裝信號增強器以保證數據傳輸的可靠性。

3）對于擁有多個配電站且傳輸距離超過1 200 m或者采用多個采集網關上傳的情況，應采用網絡透傳的模式通過安裝DTU設備進行數據采集。該設備用于將串口數據與TCP 數據之間進行來回轉換，然后通過局域網或廣域網進行數據通信。

4）如果數據是從原有電力監測系統中讀取而來，需要確認原有系統中數據采集的準確性、運行是否正常和數據能否正常讀取。若原有系統經常出現故障或者已經癱瘓，應優先采用Modbus 多主站采集器進行數據采集，避免由于原有系統故障導致異常數據。

4 DTU設備的應用

以往對于設置有多個變電站的建筑，數據采集方式通常有兩種：一是采用在每個變電站都配置一臺采集設備同時進行數據的采集上傳，此種方式增加了公共建筑用能監測系統的投入成本；二是所有的RS-485 總線都匯總在一起，接入統一的采集設備進行數據上傳。此種方法如果每個變電站都敷設RS-485 總線會增加施工的難度，而且對于采集設備嵌入式的RS-485 采集端口，只能連接32 個通信設備，需要敷設多條RS-485 總線。有長距離傳輸和中繼的情況，MODBUS協議的特性也無法滿足要求。

為了解決以上問題，只需在每個配電站或者采集的節點安裝DTU 設備即可。網絡透傳廣域網采集設備通過連接云端服務器給設備側的DTU 設備發送指令，采集所需要的數據。數據通過設備側DTU 設備傳輸至云端服務器發送回采集設備，從而實現遠程數據通信。局域網內采集網關可以直接向各DTU 設備發送指令，就可以實現數據采集。其采集模式結構如圖1所示。

圖1 采用DTU設備模式結構圖

采用DTU設備具有以下的優點：

1）通過安裝DTU 設備進行數據傳輸可以不必在每個配電站都配置一臺采集網關，減少RS-485通信線纜的敷設，從而減少系統的投入成本。

2）MODBUS 數據與TCP 數據的雙向轉換，包括RS-232、RS-485 及RS-422 等常用的通信方式，可以在不改變用戶設備的情況下與各種使用MODBUS通信的用戶設備連接。

3）設備穩定性高，DTU 設備內部集成TCP/IP協議不僅可以通過建筑內有線網絡使用，還可以通過安裝SIM 卡實現利用現有運營商5G/4G 網絡使用，或兩者相結合的方式進行數據通信。兩種網絡模式其中一個中斷，不影響設備的正常運行，最大限度地保障數據的傳輸。

4）適用范圍廣，DTU 設備不僅可以通過廣域網連接云端服務器實現一對多的網絡透傳通信，還可以通過DTU 設備自帶的網口連接工控環網實現局域網內的數據通信。

5）設備配置方便，支持網絡、串口AT 指令、電腦端設置軟件配置，還支持微信小程序配置。

6）設備成本小，目前主流的DTU 設備均在200元左右。流量消耗情況，通過觀察使用DTU 設備傳輸的5棟建筑，每臺DTU設備月消耗流量均在100 M以內，這相較于安裝多臺采集設備及敷設多條RS-485總線的方式大大節約了成本。

5 Modbus多主站采集器的應用

以往RS-485網絡同一時間只能允許主站發送數據，其它均屬于從站，都處于接收狀態，實現多主站通信是不可能的。 如果多主站需要與從站通信，考慮到主站發送數據的主動性及隨機性，直接互連必然會導致主站同時發送數據到RS-485 總線上，從而出現競爭沖突，導致主站與從站之間無法正常通信。

為了實現在RS-485網絡中多臺主站可以與多臺從站通信，須在主站與從站之間加裝Modbus 多主站采集器來解決。Modbus多主站采集器是利用延時控制的原理，在一臺主站進行通信時其它主站處于靜默狀態，避免了RS-485總線發生競爭關系，實現多主站的通信。其采集模式結構如圖2所示。

圖2 采用Modbus多主站采集器模式結構圖

采用Modbus多主站采集器具有以下優點：

1）通過設置Modbus 多主站采集器通信的先后順序，分別采集儀表數據，對原有系統基本無任何影響，同時也減少了與原有系統實施方的協調成本。

2）適用范圍非常廣泛，適用于大多數智能儀表，多個主站之間可以配置不同的采集頻率及采集模式，實現電力監測和公共建筑用能檢測等系統的多重采集，不用對原有接口和配置進行更改。

3）數據傳輸穩定，采用此方式可以不依賴于原有電力監測系統，避免原有系統發生故障，導致出現異常數據，達到保障數據傳輸的穩定性。

4）設備性能穩定，Modbus 多主站采集器的工作模式簡單，當主站1 發送數據于從站時，主站2 保持沉默，以此類推。目前，在使用的10余臺設備，全部運行正常，中途未發生因設備導致的系統故障。

5）不用作過多的改造，只需在主站與從站之間加裝Modbus 多主站采集器，再將設備主站端口分別接入需要采集數據的系統即可。

6）投入成本小，主流的Modbus 多主站采集器售價均在200 元以內，只需選擇相對可靠的品牌設備即可。

6 結語

公共建筑用能監測系統的故障分析，應根據異常現象結合業主及物業管理人員所提供的系統運行情況進行現場勘察與排摸，精確定位系統故障原因。在修復工作中，遇到本地網絡環境不好的情況可以采用無線4G 路由器進行傳輸數據，減少因網絡問題導致的異常數據。對于擁有多個變電站的建筑應采用DTU 設備進行數據通信，減少設備投入成本。利用原有電力監測系統數據的，可以采用加裝Modbus 多主站采集器的方式進行數據采集，不受原有電力監控系統的影響。