淺談建筑能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：簡要介紹了建筑能耗監(jiān)控的需求，結(jié)合工信部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ-11662—2016《建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)要求》，分析了公共建筑設(shè)置能耗監(jiān)控系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求，詳細(xì)闡述了能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成、構(gòu)建原則、標(biāo)識體系、傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分層要求、信息傳輸及接口、傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層要求等，可供建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計及實施提供參考。

關(guān)鍵詞：建筑；能耗數(shù)據(jù)；采集；傳輸；系統(tǒng)設(shè)計

0 前言

面向建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重要性突出，應(yīng)用前景廣闊。在節(jié)能減排領(lǐng)域，建筑能耗占比顯著，對建筑能耗實施監(jiān)測及節(jié)能改造效果明顯，家也出臺了諸多相關(guān)政策、要求，如建科[2008]114 號《家辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則》。些標(biāo)準(zhǔn)對能耗監(jiān)測作了宏觀層面的要求，如GB/T50378—2006《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》等綠色建筑設(shè)計、驗收及評價標(biāo)準(zhǔn)，提出建筑能耗監(jiān)測是*選項。因此，建筑能耗監(jiān)控相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研制是實施節(jié)能減排政策、推進綠色建筑建設(shè)的關(guān)鍵。

本文對建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)進行研究，可為相關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、施工、驗收提供具體要求和參考。

1 建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)需求分析

構(gòu)建建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要從能耗指標(biāo)、通用要求、接口要求、網(wǎng)關(guān)要求、建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)傳感器要求、建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)層要求等方面考慮具體技術(shù)要求，為建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)中能耗參數(shù)檢測和信息傳輸所設(shè)置的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)組成

建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(體系)結(jié)構(gòu)由感知層、承載層、服務(wù)層3個邏輯區(qū)域組成。

建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)感知層分布在建筑耗能設(shè)備群中，負(fù)責(zé)各類耗能信息的采集、匯聚、處理和控制，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點獲得相應(yīng)的能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)。承載層將傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的耗能數(shù)據(jù)由感知層向服務(wù)層的連接端口傳輸，可包括建筑物內(nèi)的自建專yong網(wǎng)絡(luò)、本地局域網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等。

建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及消息管理、數(shù)據(jù)存儲、分析展示、診斷處理、信息展示功能。

3 建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建原則

建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立獨立的網(wǎng)絡(luò)，采用樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在可靠性要求高的場所，設(shè)計為冗余樹形結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，考慮共用建筑內(nèi)設(shè)置的 BAS、P-SCADA或其他能源設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，盡量利用這些網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的匯聚和傳輸。

建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器的化布置、設(shè)備選擇在已有建筑能耗系統(tǒng)評價的基礎(chǔ)上遵循按需布設(shè)、簡化、準(zhǔn)確的原則實施配置。

感知層中各類介質(zhì)傳感器的檢測精度與被檢測介質(zhì)在建筑內(nèi)所占能耗比重相匹配。

建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承載層按照耗能設(shè)備、感知層傳感器結(jié)點的布置環(huán)境選擇有線、無線或混合的傳輸方式將感知層數(shù)據(jù)向服務(wù)層傳輸。無線傳輸方式可選用 GB15629.11—2003、ZigBee和無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)，采用基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NarrowBandInternetofThings，NB-IoT)License頻段，可采用帶內(nèi)、保護帶或獨立載波等構(gòu)建系統(tǒng)，發(fā)揮其覆蓋廣、連接多、成本低及功耗低等勢。

4 建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求

4.1感知層的接入應(yīng)選擇通信可靠性高的網(wǎng)絡(luò)，遵循以下原則:

(1)在建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，以太網(wǎng)的接入交換機選用工業(yè)級產(chǎn)品或其他具有較高可靠性及穩(wěn)定性的產(chǎn)品。

(2)感知層網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)關(guān)接入時采用工業(yè)級產(chǎn)品。

(3)感知層網(wǎng)絡(luò)在無法采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)時，先選用支持Profibus或TIA/EIA-485-A通信類的產(chǎn)品。

(4)末端施工困難的場所或需采用無線通信的場所，選用工業(yè)級無線通信路由設(shè)備或租用性能可靠的專yong帶寬無線公網(wǎng)，以確保系統(tǒng)通信可靠。

(5)在采用無線網(wǎng)絡(luò)接入時，先選用NB-IoT、GB15629.11—2003、ZigBee和無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)。NB-IoT滿足萬物互聯(lián)及能耗數(shù)據(jù)傳輸需求，符合家政策導(dǎo)向(工信廳通信函[2017]351號文)，宜作為技術(shù)。

4.2承載層遵循以下原則:

(1)信息傳輸纜線選用雙絞線或光纜，雙絞線規(guī)格不低于6類線。

(2)網(wǎng)絡(luò)匯聚層交換設(shè)備采用有路由功能的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交換機，交換機的上行交換速率不低于 1000Mb/s。

(3)核心交換層的引擎和電源模塊采用冗余設(shè)計。

(4)核心設(shè)備之間滿足1000Mb/s以上的信息傳輸和交換能力。

4.3服務(wù)層遵循以下原則:

(1)建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集能耗指標(biāo)，并通過應(yīng)用軟件系統(tǒng)實現(xiàn)建筑能耗的監(jiān)控，包括節(jié)能工作站和附屬打印、顯示設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用等功能的應(yīng)用軟件，節(jié)能知識存儲和節(jié)能措施等模塊。

(2)配備雙千兆網(wǎng)卡的企業(yè)級服務(wù)器、路由器或交換機、工作站以及防火墻、磁盤陣列、UPS電源等局域網(wǎng)設(shè)備。

(3)服務(wù)器具有熱備功能，熱備軟件可運行于NT、Linux和NCRUnix平臺，實現(xiàn)2臺服務(wù)器各自運行且相互熱備份，支持遠(yuǎn)程災(zāi)難實時復(fù)制備份恢復(fù)系統(tǒng)。

(4)各軟件子系統(tǒng)之間彼此獨立運行，便于系統(tǒng)維護，同時軟件接口具有致性、擴展性和兼容性。

5 建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息傳輸及接口要求

建筑物內(nèi)感知層中各個傳感器節(jié)點之間的信息傳輸方式先選用有線點對點星形傳輸方式，采用網(wǎng)關(guān)、交換機或現(xiàn)場控制器匯聚信息;線纜敷設(shè)困難時無線網(wǎng)關(guān)以星形方式匯聚各個傳感器節(jié)點所采集的信息。

承載層的信息傳輸方式。先選用建筑物內(nèi)或建筑物之間敷設(shè)線纜的方式傳輸信息。不具備線纜敷設(shè)條件，采用建筑物內(nèi)混合傳輸方式或建筑物之間的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

數(shù)據(jù)接口要求。傳感器與傳感器結(jié)點之間的軟件接口，包括數(shù)據(jù)格式和交互協(xié)議采用DDL、XML、API等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信接口。為保證能耗監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝裕瑢ㄖ?nèi)的能耗監(jiān)測設(shè)備進行統(tǒng)編碼。

通信接口要求。建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信規(guī)約先選擇TCP、UDP、CDT、OPC。此外，建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)傳感器包括建筑物空調(diào)系統(tǒng)運行監(jiān)控適用的溫度傳感器、濕度傳感器、水壓傳感器、風(fēng)壓傳感器、風(fēng)速傳感器、流速傳感器、CO2傳感器、照度傳感器、能耗計量傳感器(數(shù)字水表、燃?xì)獗?、?/span>量表)等。依據(jù)以上傳感器的檢測值，完成建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)計，并提供建筑總能耗、總用電量及各分類、分項能耗量的月、季、年統(tǒng)計量。

6 安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

6.1 系統(tǒng)概述

Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細(xì)分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

6.2 應(yīng)用場所：

（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、家辦公建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛le場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

6.3系統(tǒng)功能

（1）登陸界面

系統(tǒng)可以根據(jù)客戶要求定制個性化的系統(tǒng)登錄界面，登錄界面所用的圖片、 Logo等由用戶提供。

（2）綜合能耗展示

系統(tǒng)登陸成功進入主頁面，主頁面顯示該建筑的建筑圖片，建筑基本信息,建筑當(dāng)月分項用電餅圖和各種能源的消耗量。

（3）支路能耗概況

系統(tǒng)可以根據(jù)分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當(dāng)日和當(dāng)月的用能峰值（電能對應(yīng)大需量值）、當(dāng)日用能、當(dāng)月用能、當(dāng)年用能以及昨天同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。

（4）支路用能

系統(tǒng)可以統(tǒng)計各支路某段時間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。

（5）分項能耗概況

系統(tǒng)可以按照動力、空調(diào)、插座等分項進行能耗統(tǒng)計與顯示，支持用能餅圖顯示各分項過去31天的用能占比；堆積圖顯示各分項過去31天的能耗趨勢；分項用能前圖顯示被選中分項對應(yīng)能耗值前*位的支路。

（6）分項用能

系統(tǒng)可以統(tǒng)計各分項某段時間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能（這里的支路須通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中分類分項的配置。） 

（7）部門能耗概況

系統(tǒng)可以按照部門進行能耗統(tǒng)計與顯示，并進行日同比分析圖，餅圖顯示各部門過去31天的用能占比；堆積圖顯示各部門過去31天的能耗趨勢；部門績效考核對比圖顯示實際用能和用能目標(biāo)值，當(dāng)實際用能值大于目標(biāo)值時，實際值標(biāo)為紅色。

（8）區(qū)域能耗概況

系統(tǒng)可以按照區(qū)域進行能耗統(tǒng)計與顯示，日分項用能同比分析圖顯示不同區(qū)域的當(dāng)日與昨日能耗柱狀圖；餅圖顯示各區(qū)域過去31天的用能占比；堆積圖顯示各區(qū)域過去31天的能耗趨勢；區(qū)域用能前圖中顯示被選中區(qū)域?qū)?yīng)能耗值前*位的支路。

（9）參數(shù)查詢

查詢各回路戓支路某段時間內(nèi)的參數(shù)，以曲線的形式反映趨勢（具體可以查詢的參數(shù)與安裝的儀表有關(guān)，查詢時不能跨月，且繪制曲線時以1分鐘為間隔），電力參數(shù)可以多選。

（10）數(shù)據(jù)檢查

系統(tǒng)可以統(tǒng)計某段時間內(nèi)各回路與下級支路的用能差值，超過定百分比后醒目顯示（紅色區(qū)域），確保計量體系的完整性、準(zhǔn)確性。 

（11）非工作日用能分析

系統(tǒng)可統(tǒng)計各支路工作日與非工作日的能耗情況。此處的工作日和非工作日是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中非工作日設(shè)置中配置的非工作日。

（12）能耗數(shù)據(jù)同比環(huán)比分析

系統(tǒng)可將各種類型（電、水、氣）和各主要耗能設(shè)備的能耗與去年同期值和上月值進行同比環(huán)比分析，檢驗節(jié)能效果，根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行節(jié)能績效考核，以及節(jié)能目標(biāo)的修正。 

（13）分時段用能統(tǒng)計

在儀表帶有復(fù)費率統(tǒng)計功能的前提下，系統(tǒng)可以采集電表內(nèi)尖、峰、平、谷參數(shù)，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中方便后期查詢。不同時段可以分別設(shè)置用電單價，統(tǒng)計報表會呈現(xiàn)出分時段電能值與電費。 

（14）日月年報表

系統(tǒng)提供方便的日月年報表統(tǒng)計功能，通過選擇不同回路，報表類型，查詢?nèi)掌?，生成對?yīng)報表。選中報表中的某行數(shù)據(jù)，會自動顯示對應(yīng)的柱狀圖。

（15）儀表網(wǎng)關(guān)斷線報警

系統(tǒng)通過能耗網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)時，可以獲得儀表的通訊狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)判斷儀表通訊中斷時間大于10分鐘時或網(wǎng)關(guān)通訊中斷時間大于20分鐘時，系統(tǒng)會彈窗或者通過鈴鐺報警，顯示當(dāng)前通訊中斷的儀表或者網(wǎng)關(guān)。

（16）圖表導(dǎo)出

系統(tǒng)可將分析統(tǒng)計的曲線、棒圖、報表導(dǎo)出到Excel格式文件，以便于用戶數(shù)據(jù)二次利用。

（17）用戶管理

系統(tǒng)用戶權(quán)限管理采用分級模式，為系統(tǒng)管理員、后勤管理人員、設(shè)備維護人員三級，進行訪問權(quán)限管理，防止未授權(quán)的訪問，并對所有操作自動進行帶時標(biāo)事件記錄，可建立良好的反事故措施。

（18）基礎(chǔ)信息配置與維護

系統(tǒng)可根據(jù)項目實際情況配置每塊智能儀表所屬的能耗類型和分項、歸屬區(qū)域、設(shè)備類型，這些數(shù)據(jù)將作為用能分析的基礎(chǔ)信息。

（19）人工錄入數(shù)據(jù)

系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)手工錄入功能，可錄入儀表每天的抄表值與每天的用能值，用于后期報表統(tǒng)計。

（20）遠(yuǎn)程訪問功能(C/S模式)

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計，在任意臺連接廣域網(wǎng)的計算機上安裝Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)客戶端軟件即可實時訪問該能耗監(jiān)測系統(tǒng)。

6.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

AcrelCloud-5000能耗管理云平臺采用分層組網(wǎng)架構(gòu)，將系統(tǒng)分為設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

設(shè)備層：設(shè)備層作為平臺數(shù)據(jù)來源的基礎(chǔ)，通過儀表與傳感器對參數(shù)進行監(jiān)測和計量。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層通過強大的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能將采集到的設(shè)備層的數(shù)據(jù)傳遞到應(yīng)用層，起到承上啟下的作用。

應(yīng)用層：應(yīng)用層對設(shè)備層的數(shù)據(jù)進行分類、存儲、統(tǒng)計分析，通過友好的人機界面為用戶提供質(zhì)的體驗。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

6.5 能耗監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品選型

 7 結(jié)束語

建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)是建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)中能耗參數(shù)檢測和信息傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，可為傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置及實施提供技術(shù)指導(dǎo)，并促進建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，有益于提升建筑功能，高效便捷地提高建筑能源利用效率，降低建筑的 CO2 排放量。建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)的制訂和推廣應(yīng)用，將在生態(tài)城市建設(shè)方面發(fā)揮顯著作用，相關(guān)技術(shù)可為構(gòu)建能耗監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)提供參考或借鑒。

【參考文獻】

[1]建筑能耗監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)要求:SJ/T11662—2016[S].

[2]劉細(xì)鳳. 建筑能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)．

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.