浅谈基于无线物联网的建筑能耗监测系统探讨

浅谈基于无线物联网的建筑能耗监测系统探讨

张颖姣

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:文章分析了智能建筑的能耗监测系统建设和应用现状，并对存在的问题和原因进行简要分析，在此基础上探讨一种基于物联网的智能建筑能耗监测系统架构参考模型，以期实现楼字中电力能源需求侧和供求侧的智能联动运行。

关键词:智能建筑；能耗监测；物联网

0引言

智能建筑，主要指以建筑物为平台，基于对各类智能化信息的综合应用，集架构、系统、应用、管理及优化组合为一体，具有感知、传输、记忆、推理、判断和决策的综合智慧能力，形成以人、建筑、环境互为协调的整合体为人们提供安全、高效、便利及可持续发展功能环境的建筑,智能建筑从具体建设实施方面，主要分为建筑安全与安防绿色和节能、高效和便捷三大类应用。

本文主要从绿色和节能角度出发，分析智能建筑能耗监测系统的应用现状及存在的不足，并给出一种基于物联网技术建设建筑能耗监测管理系统建设思路，以期探讨实现楼宇中电力能源需求侧和供求侧的智能联动运行，推动智能电网广泛应用发展。

1智能建筑能耗监测现状及问题分析

1.1智能建筑能耗监测现状分析

在人类生产活动中，各种资源的消耗，如水、电、煤石油、天然气等，其中一个重要场所就是楼宇建筑内，包括居民小区、写字楼、超市、旅馆、餐厅食堂、医院等，其能源消耗在整个社会能耗占有很大的比例，并且随着城镇化高速发展，比例逐年上升。

在我国，现阶段楼宇建筑能耗管理系统通常由BAS(建筑自动化系统)系统来实现的。BAS系统可以根据设置好的程序对电力、照明、空调等动力设备进行智能化的运行调节从而达到高效节能的目的。目前国内大中型公共及商业建筑基本配置了BAS系统，然而实际应用中大部分建筑BAS系统仅仅作为设备状态监视和自动控制使用，较少真正能够达到节能目标的系统，楼宇能效智能化监测管理不足。

1.2所存在的问题及原因分析

目前智能建筑的能耗监测及管理，主要存在以下三个问题。

1.2.1缺乏建筑大规模联网监测

早在2008年，机关和大型公共建筑的能耗监测系统作了具体规范。目前，全国不少城市也建立了大型公共建筑能耗监测平台，对重点建筑能耗进行实时监测，并通过能耗统计能源审计、能效公示、用能定额和超定额加价等制度，促使办公建筑和大型公共建筑提高节能运行管理水平。但目前的建筑能耗监测平台所覆盖的范围远远不够，尤其一此大型的写字楼、商业综合体等商业建筑，其BAS系统往往服务于单个大楼和物业，由于设备接口不统一、缺乏统一数据规范等技术或经济原因，无法接入统一的建筑能耗监测平台。

1.2.2缺乏建筑能耗大数据的统计分析

由于缺乏建筑能耗的大规模联网监测，无法形成有效的区域建筑能耗大数据采集和分析;建筑运行系统复杂而庞大，建筑能源数据管理混乱，不同系统数据之间缺乏有效沟通与对比。众所周知，只有当数据积累到一定量后，才可以从中进行大数据分析，找出海量数据中隐藏的有价值信息和运行规律，进而为建筑设备的节能优化运行提供模型和数据参考。

1.2.3缺少与智能电网输电、配电侧的联动

统一的建筑能耗监测系统，由于覆盖范围大，通常是以一个城市为主体，使得系统的建设成本高，投资大。目前在我国具有一定区域规模的建筑能耗监测系统主要由**部门对重要公共建筑用能进行监督。建筑用电侧与电力供应侧的发电、配电等环节缺乏有效的数据和系统联动在目前智能电网及能源互联网的建设背景下，建筑能耗作为需求侧管理的重要一环，需要纳入智能电网的系统建设中进行统一规划和建设。

2基于物联网的智能建筑能耗监测系统

随着物联网、大数据和云计算等新兴技术的发展，使得建筑能耗的大规模设备联网运行、海量数据采集、传输和分析从技术上恋得可能，无论从数据的存储设备还是高性能计算服务，使得系统部署的成本越来越低。本文正是探讨一种基于物联网的建筑能耗监测系统架构模型，以期为相关研发建设与智能电网应用提供助力。

2.1系统参考模型

物联网是通过多个具备感知能力的传感设备，按约定的协议形成自组织、智能化的传感器网络，再通过智能化的计算和互联技术的支撑，实现信息的汇聚、整合、共享与智能处理。鉴于目前智能楼宇的感知、传输和记忆技术已经相对完善，在物联网三层模型(感知层、传输层、应用层)基础上，建议引入接入层和平台层概念，形成基于物联网的智能建筑能耗监测系统五层模型架构。系统架构初步设想如图1所示。

2.2系统组成

系统自下而上由设备层、接入层、传输层、平台层和应用层五个层次组成。其中:

设备层:由水、电、气等各种智能能量采集设备组成主要完成建筑能耗数据的采集和上传。同时智能设备还可以具备一定的控制功能，可以实现对用能设备运行的控制和调节。设备层设备通常是不同厂家采用不同的协议，主流的协议包括kNX、Modbus、BACnet、PLC、Zigbee等有线及无线协议。

接入层:接入层主要是智能建筑物联网网关设备，该设备主要完成底层各种通信协议设备数据的集中接入、协议统一转换，实现能耗数据的规范化。接入层网关作为边缘计算设备，具备一定的数据存储和计算能力。

传输层:传输层包括有线通信和无线通信。其中有线通信技术包括中长距离的广域网终(如各种宽带网终)和短距离的现场总线:无线通信层分为长距离的无线网络(如LORA、NBIOT、3G/4G/5G)、中短距离的无线局城网(WiFi)、超短距离的无线局域网(如Zigbee)。通过有线及无线方式，完成数据到存储中心的传输。

平台层:平台层主要提供智能建筑能耗数据的统一处理、分析，为上层应用程序以及其他业务系统提供数据调用访问的接口。平台除具备设备接入、设备管理、规则引擎权限及安全管理等基础功能外，还可提供大数据分析、人工智能等服务组件，为上层应用提供大数据分析挖掘等高性能海量数据处理服务。

应用层:应用层调用平台层提供的数据、逻辑等元素通过图像、表格、视频等方式对建筑能耗数据进行可视化管理。通过采集到的楼宇环境温湿度和水、电、空气、空调等能耗数据，准确地掌握楼宁能耗的分布情况、具体特点及通过能耗数据的分析，及时地掌握能耗浪费、能源流失情况建立大楼能效模型，为提高楼宇的节能提供决策依据。同时，对楼宇中的高功率电器材如空调、电视、电脑微波炉等进行电量能耗采集，准确实时地了解用户的能耗数据，发现用户的用能习惯，制定供能方案，调整供能策略减少不必要的能源浪费，实现因地制宜的节能降耗措施。应用层应对上提供开放接口，支持同能源供应企业综合能源服务商侧的调度系统、能源管理系统开展建筑用能评估优化等服务和系统对接，更大程度发挥数据价值，创造经济效益。

2.3其他建议

国家工业互联网解析节点以便于系统及设备间的互联互通;同时制定扶持奖励政策鼓励各商业建筑楼宇积极接入能耗监测平台，开展建筑能耗数据的开放共享，充分挖掘建筑能耗数据的经济价值和社会效益。

3安科瑞建筑能耗分析系统

3.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。用户可按照国家有关规定实施能源计算，分析现状，查找问题，挖掘节能潜力，提出切实可行的节能措施，并向县级以上管理节能工作的部门报送能源计算报告。

3.2应用场所

适用于公共建筑、集团公司、工业园区、大型物业、学校、医院、企业等不同行业的能耗监测与管理的系统设计、施工和运行维护。

3.3系统功能

3.3.1系统概况

平台运行状态，当月能耗折算、地图导航，各能耗逐时、逐月曲线，当日，当月能耗同比分析滚动显示。

3.3.2用能概况

对建筑、部门、区域、支路、分类分项等用能进行对比，支持当日逐时趋势、当月逐日趋势曲线、分时段能耗统计对比、总能耗同环比对比。

3.3.3用能统计

对建筑、区域、分项、支路等结构按日、月、年报表的形式统计对分类能源用能进行统计，支持报表数据导出EXCEL，支持选择建筑数据进行生成柱状图。

3.3.4复费率统计

复费率报表按日、月、年统计对单栋建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析。支持数据导出到EXCEL。

3.3.5同比分析

对建筑、分项、区域、支路等用能按日、月、年以图形和报表结合的方式进行用能数据同比分析。

3.3.6能源流向图

能源流向图展示单栋建筑指定时段内各类能源从源头到末端的的能源流向，支持按原始值和折标值查看。

3.3.7夜间能耗分析

夜间能耗以表格、曲线、饼图等形式对选择支路分类能源在指定时段工作时间与非工作时间用能统计对比，支持导出报表。

3.3.8设备管理

设备管理包括，设备类型、设备台账、维保记录等功能。辅助用户合理管理设备，确保设备的运行。

3.3.9用户报告

用户报告针对选定的建筑自动统计各能源的月使用的同环比趋势，并提供简单的能耗分析结果，针对用电提供单独的复费率用能分析，报告可编辑。

4.系统硬件配置

应用场景	型号	图 片	保护功能
建筑能耗管理系统	Acrel-5000web

	采用泛在物联、云计算、大数据、移动通讯、智能传感等技术手段可为用户提供能源数据采集、统计分析、能效分析、用能预警、设备管理等服务，平台可以广泛应用于多种领域。
智能网关	ANet-1E2S1		采用嵌入式硬件计算机平台，具有多个下行通信接口及一个或者多个上行网络接口，作为信息采集系统中采集终端与平台系统间的桥梁，能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总，并使用相应的规约转发现场设备的数据给平台系统。
高压重要回路或低压进线柜	APM810

	具有全电量测量，电能统计，电能质量分析及网络通讯等功能，主要用于对电网供电质量的综合监控诊断及电能管理。该系列仪表采用了模块化设计，当客户需要增加开关量输入输出，模拟量输入输出，SD卡记录，以太网通讯时，只需在背部插入对应模块即可。
APM520		三相全电量测量，2-63次谐波，不平衡度，支持付费率，越限告警，SOE,4-20mA输出。
低压联络柜、出线柜	AEM96

	三相多功能电能表，均集成三相电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上24时、上31日以及上12月的电能数据统计。具有63次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和继电器输出可实现“遥信”和“遥控”功能，并具备告警输出，可广泛应用于多种控制系统，SCADA系统和能源管理系统中。
动力柜	ACR120EL

	测量所有的常用电力参数，如三相电流、电压，有功、无功功率，电度，谐波等，并具备完善的通信联网功能，非常适合于实时电力监控系统。
DTSD1352

	DIN35mm导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和电力行业标准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，并且具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。
AEW100

三相全电量测量，剩余电流、2-63次谐波，支持付费率，量值、电缆温度，可选2G/4G通讯。

照明箱

DTSD1352

	DIN35mm导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和电力行业标准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，并且具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。
DDSD1352

	DDSD1352单相电子式电能表主要用于计量低压网络的单相有功电能，同时可测量电压、电流、功率等电量，具有红外通讯功能，并可选配RS485通讯功能，方便用户进行用电监测、集抄和管理。可灵活安装于配电箱内，实现对不同区域和不同负荷的分项电能计量，统计和分析。
DDS1352

	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量，红外及RS485通讯，电流规格10（60）A，有功电能精度1级。无功精度2级，尺寸:1P
ADW300/4G

	计量低压网络的三相有功电能，具有RS485通讯和470MHz无线通讯功能，方便用户进行用电监测、集抄和管理。可灵活安装于配电箱内，实现对不同区域和不同负荷的分项电能计量，统计和分析。
ARCM300T-Z-4G

	三相全电量测量，剩余电流、2-63次谐波，支持付费率，量值、电缆温度，可选2G/4G通讯。
给水管道	水表		计量流经给水管道用水的体积总量，适用于单向水流，采用电子直读技术，通过RS485总线直接输出表盘数据。

5结语

楼宇建筑作为智能电网与能源需求侧，楼宇建筑用能占据整个能源消耗很大部分。在物联网技术迅猛发展的今天，利用物联网技术改造传统楼宇能效管理，建立基于物联网的楼宇能耗监测系统，分析楼宇能量消耗的客观规律以及可能影响因素，实现能耗降低、节约成本，实现对生态环境的保护和提高生活舒适度;同时加强对建筑能效的统一监测管理，对减少需求侧电力能源浪费、实现电力供需平衡充分挖掘建筑能耗数据的经济价值和社会效益，有着非常重要的作用和意义。

参考文献

中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50314-2015，智能建筑设计标准[S].北京:中国计划出版社,2015.

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审核编辑 黄宇