劉細鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要:在保證建筑使用舒適度的情況下,為對建筑電力能耗情況實時監(jiān)測與預測,本研究探索基于物聯(lián)網(wǎng)技術的建筑能耗感知預測系統(tǒng)的建設方法,提出系統(tǒng)架構及相關配置情況,闡述系統(tǒng)的典型應用,為能耗感知預測系統(tǒng)的研發(fā)提供思路,助力實現(xiàn)建筑運行過程中節(jié)約能耗、提高能源使用效率的目的,提高現(xiàn)代化城市管理能力。
關鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術 ;建筑能耗預測 ;能耗監(jiān)測系統(tǒng)
1引言
隨著經(jīng)濟的發(fā)展與人口數(shù)量的增加,人們對能源的需求也急速增長,統(tǒng)計結果表明,全國建筑全過程能耗與碳排放變化總體上呈現(xiàn)出一致性的階段性特點 ,2005 年~2019 年 ,我國建筑的全過程能耗由9.34億噸標準煤上升22.3億噸標準煤,年均增長率 6.3%,建筑全過程碳排放由 22.34 億噸二氧化碳增 長 到 49.97 億 噸 二 氧 化 碳 ,年平均增長率為5.92%,其中 ,2019 年建筑運行階段碳排放 21.3 億噸,占全國碳排放的21.6%,雖然年均增長率逐漸放緩,但是建筑運行過程中能源消耗依然占很大比重,因此,建筑物的能耗監(jiān)測與預警成為眾多學者的研究對象。胡瑩堅[1] 為避免地下室中布線困難等問題,開發(fā)了基于 LoRa 技術的建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng);陳輝[2] 以建筑物耗能特點為研究對象,在建筑物節(jié)能標準中提取影響能耗的主要因素,并建立神經(jīng)網(wǎng)絡算法對建筑物能耗仿真,提高建筑物能耗評估的智能度;侯驍虎[3] 以物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術與軟件開發(fā)技術為實現(xiàn)手段,結合當前國內外高校在能耗監(jiān)測應用系統(tǒng)開發(fā)與應用方面所積累的經(jīng)驗,為某高校開發(fā)了校園能耗監(jiān)測綜合管理平臺。開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電力能耗感知預測系統(tǒng),對建筑物電力能耗進行實時預測和監(jiān)控,存儲過往歷史數(shù)據(jù),預測用電高峰期與低谷期,實現(xiàn)電力資源的“削峰填谷",可以有效提高能源的使用效率,減少能源浪費。
2建筑能耗感知預測系統(tǒng)
2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術概述
21世紀以來,物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅速,已經(jīng)成為我國信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)技術主要通過前端設備的布置,將采集到的信號與網(wǎng)絡進行連接,通過有線或者無線方式將信號實時傳輸[4] ,實現(xiàn)對物體的有效定位、識別等功能。物聯(lián)網(wǎng)技術架構主要分為三層,即:感知層、網(wǎng)絡層和應用層[4] 。感知層依靠安裝布置在物體上的傳感器設備,對物體信息采集與發(fā)送,網(wǎng)絡層在接收到信息后,使用互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡等技術將信息傳送到應用層,通過應用層對信息進行智能處理,實現(xiàn)物體實時監(jiān)控或控制的智能化管理體系。
物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和通信技術的進步加快了我國智慧城市的發(fā)展進程,建筑能耗感知與預測作為智能建筑的重要分支,也將得到更加廣泛的應用。
2.2系統(tǒng)架構
建筑能耗感知預測系統(tǒng)主要依托于物聯(lián)網(wǎng)技術以及智慧城市管理平臺(見圖1),整體系統(tǒng)架構根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基本架構分為感知層、傳輸層和應用層三部分,應用層依據(jù)系統(tǒng)實際應用功能分為能耗數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)及能耗預測子系統(tǒng)兩部分。
本文研究對象為建筑物的電力耗能,能耗管理子系統(tǒng)對建筑物已發(fā)生的耗能進行有效記錄與存儲,能耗預測子系統(tǒng)根據(jù)傳感設備采集到的預測指標對建筑物能耗進行預測,便于建筑管理人員對能耗進行有效把控。
3系統(tǒng)功能
3.1能耗感知模塊
物聯(lián)網(wǎng)技術的本質是通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物與物之間的相互連接,并實現(xiàn)物與物之間的信息聯(lián)通和交互[5] 。建筑物能耗的實時感知依賴互聯(lián)網(wǎng)設備的布置,能耗數(shù)據(jù)通過傳感器設備采集后,利用無線通信技術傳輸?shù)椒掌?,服務器將?shù)據(jù)進行處理后存儲在后臺數(shù)據(jù)庫,并在能耗管理平臺展示能耗情況。
傳感裝置用于采集各類數(shù)據(jù),包括能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)用于建筑物能耗實時感知,環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)用于能耗預測。能耗感知模塊會對房間的能耗實時監(jiān)測對比,當房間內的耗能超過歷史消耗能耗的高值時,則會在系統(tǒng)頁面對建筑管理人員提示,建筑管理人員不僅可以查看能耗實時數(shù)據(jù),還可對歷史數(shù)據(jù)進行分類篩選、搜索等操作,便于管理人員的決策。
3.2 能耗預測模塊
能耗預測模塊配合能耗管理系統(tǒng),根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對建筑物未來能耗進行準確預測,合理優(yōu)化用電配置,減少建筑用電浪費和碳排放。本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術采集能耗預測所需指標 ,構建 BP(Back propagation 反向傳播)神經(jīng)網(wǎng)絡進行建筑物能耗預測,其基本流程如圖2所示,通過傳感器采集室外溫度等所需信息,將采集到的信息傳輸?shù)焦芾砥脚_,將模型數(shù)據(jù)擬合后便得到建筑能耗預測結果,將結果返回用戶界面。BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡,基于下降法進行求解[6] ,能夠模擬人的思維模式對機制進行學習,被廣泛地應用于建筑領域的能耗預
測。
BP神經(jīng)網(wǎng)絡包括輸入層、隱含層與輸出層,在本研究當中,輸入層指標包括建筑面積、室外溫度、空調維持溫度以及人員密度四個指標,經(jīng)過擬合后得到建筑物耗電量結果,即輸出層,其神經(jīng)元個數(shù)為一,而隱含層的神經(jīng)元個數(shù)是通過算法訓練過程中的不斷調整達到優(yōu)的。
本研究中算法的訓練數(shù)據(jù)為天津市中新生態(tài)城某幼兒園的歷史數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)集溫度覆蓋-8%至32℃,基本滿足全年所有工況。算法訓練完成后進行封裝,在進行能耗預測時將建筑面積、室外溫度、空調維持溫度以及人員密度四個指標輸入算法,算法經(jīng)過擬合計算后得到建筑能耗預測結果,并將結果返回用戶界面,如圖2結果輸出部分所示。
4系統(tǒng)典型應用
4.1 信息存儲功能
智慧城市管理平臺后臺內置數(shù)據(jù)庫,存儲建筑能耗歷史數(shù)據(jù),便于管理者查詢使用的同時,可用于算法訓練優(yōu)化迭代。
4.2 信息查詢功能
可以按照時間段對能耗數(shù)據(jù)進行查詢篩選,同時,還可以按照能耗量篩選數(shù)據(jù),便于管理者分析歷史數(shù)據(jù),合理制定能源使用策略。
4.3 能耗異常預警功能
系統(tǒng)可對能耗實時感知,并與歷史平均數(shù)據(jù)進行對比,若出現(xiàn)過高或過低的異常情況,則在管理平臺中顯示警報,提示建筑管理人員對該建筑或房間的能耗情況進行調查。
4.4 能耗預測功能
構建BP神經(jīng)網(wǎng)絡,使用物聯(lián)網(wǎng)設備采集相關指標,自動預測耗電量,得到某一房間或建筑的預測耗能,給建筑管理人員的能源分配決策提供指導。
5 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺
(1)概述
Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺,建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標準,為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器,選配網(wǎng)關,自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務。
該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能,并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。
(2)應用場所
本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運維等領域。
(3)平臺結構
(4)平臺功能
電力集抄
電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預警及綜合展示,以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制,對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理;在數(shù)據(jù)資源管理方面,可以顯示或查詢供配電室內各設備運行(包括歷史和實時參數(shù),并根據(jù)實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印,提高工作效率,節(jié)約人力資源。
變壓器監(jiān)控
配電圖
能耗分析
能耗分析模塊采用自動化、信息化技術,實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理,使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機結合起來,運用先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術,進行離線生產(chǎn)分析與管理,實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調度,優(yōu)化能源介質平衡、有效利用能源,提高能源質量、降低能源消耗,達到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。
能耗概況
預付費管理
1)登陸管理:管理操作員賬戶及權限分配,查看系統(tǒng)日志等功能;
2)系統(tǒng)配置:對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數(shù)進行配置;
3)用戶管理:對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作;
4)售電管理:對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作;
5)售水管理:對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作;
6)報表中心:提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢,本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢,都支持excel格式導出。
預付費看板
充電樁管理
通過物聯(lián)網(wǎng)技術,對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能,包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能。
智能照明
智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術對安裝在城市各區(qū)域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測,也可以實現(xiàn)定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等,降低路燈設施的維護難度和成本,提升管理水平,并達到一定節(jié)能減掛的效果。
監(jiān)控頁面
安全用電
安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣,對引發(fā)電氣火災的主要因素(導線溫度、電流和剩余電流)進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析,并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員,指導企業(yè)實現(xiàn)第一時間的排查和治理,達到消除潛在電氣火災安全隱患,實現(xiàn)“防患于未然"的目的。
智慧消防
通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析,幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。優(yōu)化了原先針對“九小場所"和?;飞a(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白,適應于所有公建和民建,實現(xiàn)了無人化值守智慧消防,實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"、用電管理“精細化"的實際需求。
(5)系統(tǒng)硬件配置
6結論
綜上所述,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的進步和智慧城市的發(fā)展,基于物聯(lián)網(wǎng)技術構建建筑物能耗感知預測系統(tǒng),可以使建筑物能耗可視化、存儲歷史數(shù)據(jù)、賦能城市管理水平、提高建筑管理能力以及能源使用效率。
參考文獻
[1] 于佳怡,周銳,鐘偉.物聯(lián)網(wǎng)技術在建筑能耗感知預測系統(tǒng)中的應用探析
[1] 胡瑩堅.基于LoRa技術的建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)在人防地下室中的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代建筑電氣,2020,11(8):28-30.
[2] 陳輝.基于神經(jīng)網(wǎng)絡分析的建筑物耗能仿真模型分析[J]. 佳木斯大學學報(自然科學版),2022,40(1):13- 15+138.
[3] 侯驍虎 . 高校校園能耗監(jiān)測綜合管理平臺的設計與實現(xiàn)
[4] 企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.
作者簡介
劉細鳳,女,現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司