基于数据分析的楼宇智能节电管理系统

刘宝林　李光辉　王修业　张定恩　董志超

摘要：城市中高层楼宇增加是城市内用电量上升的重要因素之一。使用计算机系统对建筑执行能耗量化管理从而控制降低建筑运营过程中所消耗的能量，降低建筑的运营成本，提高能源使用效率，已经成为用户最为关注的问题。已有的楼宇节电管理系统收集建筑内部的信息并通过启发式规则对楼宇的照明、动力、通风、空调、安防等系统进行协调控制及整合，以期达到节能的目的。这类型系统的缺点在于（1） 大部分楼宇缺少专职的节电管理机构，没有相关的电能使用及管理的方法。在各个楼宇与电力公司之间还没有形成一个有效的信息共享链，内外信息共享能力差，存在信息孤岛现象（2） 系统中的节电模型没有学习过程，不能根据建筑情况的变化，自动调整节电模式。面对这样的情况，该文提出一个基于数据分析的建筑楼宇智能节电系统，该系统（1） 使用正态分布拟合用户用能习惯，分析得到用户能耗较高的关键设备，发现设备的耗能过高原因；（2） 建立双向交换子系统实现楼宇与电力公司之间的信息交换，并根据电力公司生产计划及时调整楼宇用能策略。在天津动漫大厦实际运行结果显示，该文设计的智能节电系统可以有效的节省楼宇中的电力损耗。

关键词：智能楼宇；智能节电；系统整合；节电分析；数据分析

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）28-6723-04

1 導论

伴随着世界经济和社会的飞速发展，未来世界的能源需求也见持续增加，科学家预计到2020年，世界能源需求量将达到200亿吨原油当量。美国能源署（EIA）的报告指出，欧洲和北美洲两个发达地区能源消费量占世界总量的比例将呈现下降趋势。亚洲、中南美洲将保持上升趋势。面对如此激烈的能源竞争，我国不仅要打开国门购买能源，而且还要善用已有能源。

城市中高层楼宇增加是城市内用电量上升的重要因素之一。随着城市的能源供应越来越紧张，能源价格不断上涨，建筑楼宇用电节能问题成为人们所关注的焦点。在信息技术基础上建立的楼宇节电管理系统 ，以客观综合能源数据为依据，实现建筑楼宇电、气等能源消耗的监控、分析、控制，是节能降耗最根本的办法。已有的楼宇节电管理系统收集建筑内部的信息并通过启发式规则对楼宇的照明、动力、通风、空调、安防等系统进行协调控制及整合。这类型系统的缺点在于（1） 大部分楼宇缺少专职的节电管理机构，没有相关的电能使用及管理的方法。在各个楼宇与电力公司之间还没有形成一个有效的信息共享链，内外信息共享能力差，存在信息孤岛现象（2） 系统中的节电模型没有学习过程，不能根据建筑情况的变化，自动调整节电模式。面对上述两个问题，该文设计并实现了一个基于数据分析的建筑楼宇智能节电管理系统。该系统（1） 实现了一个楼宇节电管理工具，整合管理建筑楼宇内部所有用能设备的工作信息，为节电数据分析提供基础。（2） 使用双向互动子系统实现建筑楼宇与电力公司之间的信息交换，解决信息孤岛问题。（3） 使用回归模型等数据挖掘方法分析用户用电模式，找到用户能源损耗的关键节点，为用户提供最佳的节点策略。（4） 使用2.5D地图子系统，使得用户对楼宇和自身用能情况一目了然。

推广先进的楼宇智能节电系统用理念，改变传统的能源无科学依据的生产管理方式，是现代物业行之有效的重大管理措施。建设楼宇智能节电管理系统的基本目的就是要在提高楼宇节能管理信息系统的运行、管理效率的同时，找到用户用能环节中能源消耗最佳流程数据，为楼宇用户提供一个成熟的、有效的、使用方便的节电管控解决方案。

2 系统概述

本文设计并完成的楼宇智能节电系统主要分为4个子系统，包括：用能监测子系统、用能分析子系统、用节能服务子系统、双向互动子系统。图1显示了我们楼宇智能节电系统的总体框架图。其中的用能监测实现对楼宇内的各类节电设备、分布式能源、楼宇自动化等的在线监测，是其他子系统数据的来源。用能分析子系统实现对各类用电服务中能源使用情况的直接数学统计和可视化分析，使得客户可以直截了当的得到当前楼宇能源运行情况。系统中节能服务子系统可以根据专家知识库自动地制动楼宇内节能方案。双向互动子系统为电力企业和电力用户之间加起了一座沟通的桥梁，方便楼宇用户根据电力企业的发电计划安排楼宇内的用电服务。

在图1中，由黄色矩形标记的系统模块是大部分智能节电系统所共有的功能模块，由于文章的篇幅关系，在本文中不详细介绍。图1中深蓝色标记的子系统是我们基于双向互动的建筑楼宇智能节电系统独有的核心功能模块。我们将在下文中详细描述。

2.1 专家库子系统

专家库子系统是我们智能用电系统的核心模块，它制定了整个建筑楼宇中的各种节能计划在。在专家库子系统中我们定义了（1） 能耗诊断模型：能耗诊断模型通过统计各个用户的用能情况，通过回归算法分析各个用能环节与最终用能总量的关系，从而找到能耗较高的关键设备，发现设备的耗能过高原因，然后采取相应的节能增效措施，降低设备的耗能量。（2） 用能策略模型：系统利用能耗诊断模型的结果，建立用能策略模型，对建筑楼宇的长期、短期用能策略及用能方式、节能手段统一管理。

在能耗诊断模型中，我们定义M座楼宇中楼宇m拥有N个用能环节。每个环节的在时刻t的用能损耗可以用emnt来表示，其中[n∈[1，N]]。本系统以年为周期，小时为单位来评估楼宇的能耗，即[t∈[1，8760]]，其中24*356=8760。我们假设每个时间点上每个环节的用能损耗近L年服从正态分布，那么我们有8760个相互独立的服从正态分布的随机事件，[emnt～N（μmnt，σmnt）]。当系统收集近L年的数据并计算得到[μmnt]和[σmnt]后，我们可以根据这两个参数来分析时刻t楼宇m在用能环节n上的用能情况，当某个[emnt]不在[[μmnt-2σmnt，μmnt+2σmnt]]范围中时，我们认为这个[emnt]是一个异常能耗设备，应该检修或者采用新的用能策略。

在用能策略模型中，我们采用了专家知识库的形式，定义了若干用能策略模板。系统能够在能耗诊断模型结果的基础上，自动选择合适的用能策略模型。我们定义的策略模板有（1） 空调用能策略；（2） 风机用能策略；（3） 水泵用能策略；（4） 照明用能策略；（5） 电梯用能策略；（6） 清洁能源用能策略（7） 其它用能策略。

2.2 双向互动子系统

双向互动子系统主要的主要功能是（1） 实现建筑楼宇与电力公司之间的信息交换。本系统通过一个网络API接口与电力公司链接，获取电力公司的相关生产信息。同时系统也提供了API接口给电力公司的内部系统上传数据。（2） 依据电力公司的发电计划和检修计划指定楼宇内的临时用电策略。电力公司有时会发布局部限电和检修计划，这时我们的系统会制定相应的计划，并通知各个用户。（3） 当电网出现电力供应缺口时，由电网触发需求响应信号，本系统发出对大功率用能设备的调节控制指令，实现电网有序避峰或错峰，从而保证电网安全性。

2.3 地图可视化子系统

地图可视化子系统可从空间上显示智能楼宇及其重点监测用能设备的具体情况，给用户提供了解整个楼宇用电情况的最直观接口，使我们系统的特色功能之一。地图监控子系统还可以通过导航或者搜索选择显示所有类型或某种特定类型的用户及用能设备，选择某个接入用户或某个用能设备，进入具体展示相应的用能监测、用能分析、用能报表、节能服务、双向互动等界面。

地图可视化子系统的主要实现的功能有：（1） 三维地图展示：包括三维地图的基本功能：地图放大、地图缩小、地图移动、三维模型展示等。（2） 用户、设备搜索及定位：通过名称搜索地图上的楼宇、厂区、小区等用能对象，搜索完成后可以三维地图上进行定位。定位完成后可以进一步对用户、设备等用能情况进行查询统计，通过地图监测展现用户静态信息及动态数据。（3） 地图空间查询：将楼宇用能业务对象在地图上叠加显示为业务图层，可以直接在地图上进行选择，查看其用电、能耗等信息。（4） 图层控制：对三维地图上的楼宇业务对象图层进行控制其显示和隐藏，方便用户进行操作。（5） 异常告警定位：在其他功能有告警信息时，将信息推送到地图，直接在地图上进行定位，并且进行闪烁展示。（6） 用能数据展示：在地图可视化平台中以不同的符号样式、标注样式显示用户及用能设备的能耗数据、统计分析数据等。

地图可视化子系统的主要实现过程是：（1） 2.5维软件平台：由于楼宇中三维地图场景范围不是很大，对三维平台的性能要求一般，所以为了节约开发成本，我们使用了2.5维地图，提高访问速度和体验，降低成本。（2） 图表结合：系统将地图上的业务对象和采集平台采集到的数据进行挂接，使地图和业务数据进行无缝对接。

地图可视化子系统界面如下图所示。

3 系统应用实例

为了验证本文设计的系统的有效性，我们已经将智能节电系统部署在了天津滨海动漫园大厦。图3显示了我们系统在动漫园大厦上节能实施运行的结果。通过我们的系统，我们在2013年5月就为动漫大厦节能75KWH。图4显示了系统的能耗诊断子系统对动漫大厦各个耗能环节的评估情况。通过我们设计的系统，用户可以直接的检测建筑楼宇内各个耗能设备，并及时发现问题，提高能源使用效率。

4 总结

城市中高层楼宇增加是城市内用电量上升的重要因素之一。已有的楼宇节电管理系统仅仅使用启发式规则对楼宇的用能系统进行协调控制及整合，实际运行效果不佳。该文设计并实现一个基于数据分析的建筑楼宇智能节电管理系统。该系统的特点在于（1） 监控、管理建筑楼宇内部所有用能设备的工作信息，为节电数据分析提供基础。（2） 使用双向互动子系统实现建筑楼宇与电力公司之间的信息交换，解决信息孤岛问题。（3） 使用回归模型等数据挖掘方法分析用户用电模式，找到用户能源损耗的关键节点，为用户提供最佳的节点策略。（4） 使用2.5D地图子系统，使得用户对楼宇和自身用能情况一目了然。

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