建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化供配電節(jié)能的控制方法研究

郭冬冬

（北京建自凱科系統(tǒng)工程有限公司，北京 100000）

1 引言

作為建筑的重要組成部分，電氣設(shè)備和供配電系統(tǒng)的安裝質(zhì)量和運(yùn)行對(duì)建筑物的使用功能和安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。其可對(duì)建筑物的電力供應(yīng)、配電系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制與智能監(jiān)控，同時(shí)針對(duì)容易出現(xiàn)的問題制訂相應(yīng)的解決方案，通過智能化及遠(yuǎn)程控制等手段排查各類故障及隱患，從而保證建筑供配電系統(tǒng)的安全、可靠，將意外事故、停電等造成的影響和損失降到最低。為此，本文對(duì)具體的電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備進(jìn)行了深入探討，并提出了相應(yīng)的供配電節(jié)能控制策略，以確保建筑的安全可靠運(yùn)行。

2 建筑電氣工程及供配電系統(tǒng)概述

2.1 建筑電氣工程

電力系統(tǒng)在建筑中占有舉足輕重的地位，其能否正常工作，不僅關(guān)系到建筑物的質(zhì)量和功能，而且關(guān)系到居民的日常生活。建筑的電力系統(tǒng)較為復(fù)雜，包括強(qiáng)電系統(tǒng)和大樓的弱電系統(tǒng)。隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，其相關(guān)裝備越來越精細(xì)，技術(shù)越來越先進(jìn)，自動(dòng)化程度也越來越高，以支持電力裝置及各種系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定工作。在滿足專業(yè)性、安全性、實(shí)用性等方面的要求的同時(shí)，建筑電氣還應(yīng)滿足節(jié)能需求，并遵循電氣節(jié)能減排的原則，對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃和布局，改變以往粗放式的建筑電氣設(shè)計(jì)，在滿足供電和用電需求的同時(shí)，減少資源和能源的消耗及浪費(fèi)。

2.2 供配電系統(tǒng)

供配電系統(tǒng)是建筑電氣的重要組成部分，由從電源進(jìn)戶到用電設(shè)備的輸入端的整個(gè)電路組成。其中，電源進(jìn)戶部分主要包括交流電、直流電和交流儲(chǔ)能等。輸入端包含變壓器、斷路器及電流互感器等設(shè)備，以及連接這些設(shè)備的電纜等。此外，還包括由電器柜、配電柜及其他裝置組成的配電系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，加之線路設(shè)計(jì)不合理，供電系統(tǒng)功率因數(shù)低，以及電機(jī)的啟動(dòng)電流和諧波電流都會(huì)在不同程度上對(duì)建筑物的供配電系統(tǒng)造成影響，并會(huì)產(chǎn)生電能損耗。因此，在建筑供配電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，不僅要考慮建筑用電需求，還應(yīng)該考慮安全、節(jié)能和環(huán)保等方面的要求。規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮節(jié)能減排和環(huán)保要求，以保證供電質(zhì)量，從而達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。

3 建筑電氣自動(dòng)化供配電節(jié)能的控制方法

3.1 監(jiān)測(cè)與控制精度的提升方法

電氣自動(dòng)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，要提高其監(jiān)測(cè)與控制能力，可采用如下措施：首先，采用高精度的傳感器、測(cè)量儀等設(shè)備；其次，采用數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)等智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分析和預(yù)測(cè)；最后，采用分布式控制等算法，用于對(duì)供配電系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制和優(yōu)化調(diào)度。

3.2 信息互通和集成方法

要解決控制系統(tǒng)的信息互通和集成問題，可采用如下措施：首先，建立統(tǒng)一的信息與數(shù)據(jù)規(guī)范格式；其次，構(gòu)建統(tǒng)一的信息平臺(tái)與數(shù)據(jù)中心，以達(dá)到信息共享與整合；最后，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、 云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，將建筑設(shè)備與供配電系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，提高信息共享與處理效率。

3.3 系統(tǒng)靈活性與智能化提升方法

要提高控制系統(tǒng)的靈活性和智能化水平，可以通過模塊化及可配置的設(shè)計(jì)方法，對(duì)建筑機(jī)械設(shè)備、電力系統(tǒng)等進(jìn)行快速配置。同時(shí)，可通過開放的平臺(tái)及接口設(shè)計(jì)，使建筑設(shè)施、供配電系統(tǒng)等進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的整合。

3.4 推廣新能源技術(shù)

加強(qiáng)探索新能源技術(shù)在建筑機(jī)械設(shè)備、 供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用等研究。通過引入節(jié)能技術(shù)和智能控制系統(tǒng)等降低能源的能耗，推廣綠色環(huán)保和低碳節(jié)能的生活理念，倡導(dǎo)節(jié)能減排，增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)和責(zé)任心。

4 電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的控制設(shè)備

4.1 電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的中央控制設(shè)備

中央控制設(shè)備是接受命令的核心，其可以按照具體的條件向用戶發(fā)送具體的命令，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)的子程式進(jìn)行精細(xì)的控制，確保程序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在建設(shè)工程中，以微機(jī)為核心的中央控制器能實(shí)現(xiàn)多種功能，控制設(shè)備聯(lián)動(dòng)性好，可以與下級(jí)供配電節(jié)能元件相連接。在發(fā)生突然斷電情況時(shí)，中心控制裝置能立即啟動(dòng)備用電源設(shè)備，維持中心控制裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備

采用現(xiàn)場(chǎng)控制裝置對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的主機(jī)進(jìn)行智能調(diào)試，并將供配電節(jié)能等方面的數(shù)據(jù)完全保存。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)控制器發(fā)生故障時(shí)，第二個(gè)控制器就會(huì)被激活，從而有效保證整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性。現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備包括ROM、CPU 等組件，這些組件構(gòu)成了現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的基本組成部分。其中，CPU 是最關(guān)鍵的組成部分，是現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的大腦，負(fù)責(zé)指揮和協(xié)調(diào)其他組件的運(yùn)行。采用自動(dòng)化運(yùn)行方案后，各類控制設(shè)備元素能夠保持密切聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)程序共享。要給各控制設(shè)備配備獨(dú)立的備用電源，并將其與中央控制設(shè)備連接起來，建立一個(gè)穩(wěn)定可靠的供配電節(jié)能調(diào)試系統(tǒng)。將現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備連接指令定義為B，如式（1）[1]：

式中，Vn、V0分別為電氣工程自動(dòng)化控制系數(shù)的最大值和最小值；n為電氣化權(quán)限量；X、x分別為一級(jí)、二級(jí)控制器供配電調(diào)節(jié)系數(shù)；H、h分別為一級(jí)、二級(jí)控制器節(jié)能控制需求指標(biāo)；c為建筑機(jī)械設(shè)備電氣化執(zhí)行權(quán)限；ΔM為單位時(shí)間內(nèi)的電氣工程調(diào)試量。

5 供配電節(jié)能控制的實(shí)現(xiàn)方法

5.1 供配電平臺(tái)的構(gòu)建

供配電平臺(tái)的主要組成為自動(dòng)化主機(jī)、高低壓配電柜、直流屏、EPS 等設(shè)備。如圖1 所示，為供配電平臺(tái)結(jié)構(gòu)[2]。

圖1 供配電平臺(tái)結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，在建筑信息通信線的聯(lián)動(dòng)作用下，UPS 設(shè)備與機(jī)械變壓器相連，對(duì)下級(jí)供配電元件進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)試，直流屏可以全面呈現(xiàn)建筑信息數(shù)據(jù)。低壓配電柜主要位于供配電平臺(tái)的頂層，可以與高壓配電柜進(jìn)行對(duì)接，并向其發(fā)出電量調(diào)試指令，與EPS 元件結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備能量的精細(xì)控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。芯片作為自動(dòng)化主機(jī)的關(guān)鍵組成部分，有多種形式。目前，STM32F103VBT6 芯片的使用比較普遍，它可以改變終端的控制位置，同時(shí)具有靈活、穩(wěn)定等特點(diǎn)[3]。

5.2 控制執(zhí)行功能軟件

建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的調(diào)控能力，能夠直接調(diào)節(jié)供配電節(jié)能設(shè)備的末端節(jié)電，通過微處理器芯片精確調(diào)試I/O 輸出信號(hào)。在節(jié)能調(diào)節(jié)時(shí)，電源和配電繼電器與接觸器相容，并確保了二者之間的連接穩(wěn)定。為提高系統(tǒng)的有效性，必須對(duì)系統(tǒng)的控制與執(zhí)行功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并對(duì)照明設(shè)備、分散式空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試。為保證控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行，必須根據(jù)施工機(jī)械裝備的實(shí)際要求進(jìn)行相應(yīng)的程序編制和調(diào)試。

5.3 節(jié)能管理上機(jī)位

適配易控的軟件作業(yè)平臺(tái)，充分實(shí)現(xiàn)對(duì)控制與執(zhí)行功能的融合，并通過構(gòu)建配置軟件或適配高互動(dòng)性的人機(jī)交互接口，為機(jī)器和人搭建一座交流的橋梁。在合理的配置方式下，節(jié)能管理上位機(jī)能對(duì)供配電信息進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，從建筑機(jī)械設(shè)備中獲取有用信息，并生成圖形或其他信息表達(dá)形式，將實(shí)際情況進(jìn)行直觀的呈現(xiàn)。通過對(duì)施工機(jī)械的能源管理，能夠?qū)κ┕C(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)生成的信息進(jìn)行全面的保存。

6 自動(dòng)化供配電節(jié)能控制方法的應(yīng)用效果分析

選取特定的建筑機(jī)械設(shè)備，將其劃分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組使用自動(dòng)化供配電節(jié)能控制方法，對(duì)照組使用傳統(tǒng)節(jié)能控制方法。然后分別對(duì)其電氣工程耗電量進(jìn)行比較分析。在測(cè)試分析中，采用IPU 指數(shù)能更好地反映電氣工程的實(shí)際運(yùn)營能耗。IPU 指數(shù)越大，代表電力費(fèi)用越低；如果IPU 指數(shù)降低，則說明電力消耗費(fèi)用增加。兩組的IPU 指數(shù)如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)組與對(duì)照組的I PU指標(biāo)數(shù)值

由圖2 可知，實(shí)驗(yàn)組IPU 指標(biāo)數(shù)值隨著建筑物間距的增大而增大，其IP 指數(shù)最大為65.9%。對(duì)照組IPU 指數(shù)呈現(xiàn)出先升高，后逐漸降低的趨勢(shì)，其IPU 指數(shù)最大為41.7%。實(shí)驗(yàn)組IPU 指標(biāo)數(shù)平均值較對(duì)照組高出23.75%。由此可知，采用自動(dòng)化供配電節(jié)能控制能夠?qū)PU 指標(biāo)進(jìn)行有效的優(yōu)化，并且隨著建筑物間距的增大，該指標(biāo)的數(shù)值也增大，從而可有效控制電氣工程的運(yùn)行電耗成本，獲得更顯著的節(jié)能環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。在測(cè)試過程中，TSR 指數(shù)也是一個(gè)重要的參數(shù)，其能反映建筑的電能消耗。圖3 為實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的TSR 指標(biāo)數(shù)值。

圖3 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的TSR指標(biāo)數(shù)值

如圖3 所示，實(shí)驗(yàn)組TSR 值隨著建筑物間距的增大而呈現(xiàn)階段性的變化。其現(xiàn)上升后再趨于穩(wěn)定，該組的最大TSR 指標(biāo)數(shù)值為84.1%。對(duì)照組的TSR 指數(shù)的變化較為復(fù)雜，呈上升與下降的交替變化。該組最大值為65.9%，比實(shí)驗(yàn)組低18.2%。實(shí)驗(yàn)組TSR 指標(biāo)數(shù)值平均值較對(duì)照組高出32.35%。

綜上，應(yīng)用研究措施后，TSR 指標(biāo)數(shù)隨建筑物間距的增加而增大。建筑物的電力消耗比例明顯提高，建筑物的機(jī)械和電氣設(shè)備的能耗得到了有效控制。

7 結(jié)語

本文提出了針對(duì)建筑機(jī)械設(shè)備的供配電節(jié)能控制措施，并詳細(xì)闡述了自動(dòng)化供配電節(jié)能控制分析的實(shí)現(xiàn)方法。在應(yīng)用該方法后，電力系統(tǒng)的IPU 指數(shù)和TSR 指數(shù)都得到了顯著提高。實(shí)驗(yàn)組IPU 與TSR 指標(biāo)數(shù)值平均值較對(duì)照組分別高出23.75%、32.35%。表明節(jié)能控制策略在改善電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、減少電力系統(tǒng)能耗方面發(fā)揮了積極的作用。建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程的運(yùn)行電耗成本較低，符合節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的工程理念，可提高建筑工程的各種效益。