基于集中控制系统的建筑电气节能技术

张海涛, 田 鑫, 陈志刚

(中联西北工程设计研究院有限公司, 陕西 西安 710082)



基于集中控制系统的建筑电气节能技术

张海涛, 田 鑫, 陈志刚

(中联西北工程设计研究院有限公司, 陕西 西安 710082)

结合光风发电并网系统实例,对光风发电并网的集中控制系统进行了设计,对电源电路、采集电路、复位电路、接口和显示屏等进行了硬件设计,并对集中控制系统的软件设计进行了介绍。通过软硬件模块的调试,可实现集中控制系统的监控,从电气控制系统角度提升了建筑节能。

集中控制系统; 电气节能; 硬件设计; 软件设计; 节能评价

张海涛(1976—),男,高级工程师,从事建筑电气技术及信息化方面的工作。

0 引 言

我国有较丰富的太阳能和风能资源,65%以上的面积拥有超2 000 h的日照时间,具有良好的太阳能光伏发电的条件,特别是中西部地区,日照的辐射量很大。风能资源可利用区域也超过75%,其中沿海风能资源特别丰富。如果将太阳能和风能集中设计到建筑中,进行光风电建筑一体化设计,对提高建筑节能有很大的帮助[1-6]。

集中控制是建筑节能技术的核心部分之一,控制和管理电气设备的效果能很大程度上提高建筑的节能效果[7-8]。本文对光风电节能建筑的集中控制系统进行设计,实现了系统的启动、运行监控、数据分析、检测预警等功能,通过对光风建筑的电气集中控制,更好地提升建筑的节能效果。

1 光风电系统结构

不带储能的光风电系统省去了储能装置部分,将光风发电系统与电网进行并网,减少了光伏发电和风能发电不易储能的问题。通常大型建筑的用电负荷大,光风发电系统的电量较小,可不必储存。光风发电系统由光伏电池、光伏列阵控制器、风能发电机及其控制器、整流器、逆变器和集中控制系统等组成,如图1所示。

图1 光风电系统结构

光风电系统是集太阳能、风能、传统电能为一体的智能电源控制系统,与传统的单一光伏建筑相比,具有成本低、稳定性高、可靠性好等优点,对系统的设计提出了更高的要求。

2 集中控制系统的设计

集中控制系统是光风电系统的核心,控制系统的整体运行状态,对节能效果和安全性能有重要影响。集中控制通常由集中控制器和监控机组成,目前多使用可编程序控制器和单片机。可编程序控制器编程较简单,但响应速度偏慢,不适用于数据较大的场合;单片机运算能力强,响应速度快,有较强的稳定性。因此,使用嵌入式单片机系统设计集中控制器,具备较稳定的硬件电路和控制系统,具有优良的性能、较长的使用寿命、精确的控制模块以及良好的人机交互界面。集中控制器结构如图2所示。

2.1 控制器设计

系统选用LPC2478微控制器,包含1个以太网媒体访问控制器,多个端口和接口,带振荡器和外部存储控制器,集成了LCD控制器,运算频率可达72 MHz,具有较高的响应速度,可以支持实时在线调试与仿真。

2.2 电源电路设计

设计提供5 V、3.3 V、±15 V电源,其中5 V、±15 V电源分别由外接电源接入,采用三端稳压芯片把5 V电源转换为3.3 V电源,供给微控制器使用。

2.3 时钟电路和复位电路设计

时钟电路用于显示系统时钟和实时时钟。系统时钟电路为系统提供工作时钟,实时时钟用于计时和报警。复位电路用于工作系统的按键复位和上电复位,通过SP704芯片产生复位信号,实现系统相关寄存器的初始化。

2.4 存储器电路设计

微控制器自带的存储容量有限,系统设计时需要考虑大运算和大数据情况下的处理性能,设计选用LPC2478自带动态和静态储存器接口,K4S561632A作为动态储存器,K9F2808U0C作为静态储存器,可以满足系统对较复杂运算的要求,也可以进行信息的储存和空间管理。

2.5 RS-232和RS-485接口设计

RS-232接口最大传输距离为15 m,通信方式为设备间的点对点传输,采用电平转换芯片对微控制器进行转换,RS-485传输距离约为1 200 m,传输性能好,结构简单。

2.6 JTAG接口电路设计

通过JTAG接口,可进行系统芯片内部部件的测试,通常有14针和20针两种接口,系统设计时选用20针接口。

2.7 显示屏电路设计

显示屏电路选用ADS7843触摸屏控制芯片,可以实现电极电压的切换。通过触摸屏可提供显示控制信号,也可以将信号数据转化为单色和彩色的显示数据。

2.8 采集器电路设计

采集器电路设计如图3所示。

图3 采集器电路设计

采用CHB-100SF电流传感器对电网电流进行采集,检测进入微控制器的电流。传感器的额定电流为100 A,输出电流为100 mA。检测信号经过调制电路后进入微控制器,经过转换模块后获得电流值。设计采用VSM025A电压传感器检测电网电压,经过转换模块后获取,将电压信号转变为电流信号,通过传感器输出到电阻,由电流信号转为电压信号。电压采集调制电路与电流检测调制电路基本一致。

3 集中控制系统的软件设计

采用嵌入式μC/OS操作系统设计集中控制器。μC/OS是一种多任务的操作系统,具有良好的扩展性,可实现任务管理、内存管理和时间管理等功能,可采用C语言进行编写。μC/OS操作系统文件由应用层软件、内核代码、配置代码、移植代码组成。应用层软件将数据采集和分析、系统控制、传输通信等功能集合为一个模块。集中控制系统的软件结构如图4所示。

图4 集中控制系统的软件结构

集中控制系统的主逻辑流程如图5所示。在系统启动时需要先对日照强度、风力、输出电压等进行检测判断,如果符合要求,则启动光风发电系统,然后进行电网信号和逆变器信号的比对,若满足要求,则为建筑负载进行供电。集中控制系统按照无功补偿、安全防护等策略进行管控,通过实时数据的采集与融合分析,确定系统中各个设备的运行状态,统计运行数据等信息,以便事后查看。

图5 集中控制系统的主逻辑流程

集中控制系统采用以太网实现与上位机的通信,上位监控机采用监控软件进行系统运行参数的记录、分析和报警。对集中控制系统的调试需综合硬件和软件各模块,调制包括程序编写和执行以及各个模块的融合,以实现集中控制系统的监控功能。

4 节能评价

光风电系统节能评价是对环境指标(太阳辐射量、风能密度)、设备指标(使用寿命、维护管理)、转换效率指标和节能管理控制(最大功率跟踪策略、群控策略、无功补偿策略)等指标进行分级,按照重要程度进行分配权值。集中控制系统是节能管理控制的核心,其有效、稳定的运行,降低了建筑的能耗,节能评价结果处于优良水平。

5 结 语

本文对光风发电并网的集中控制系统进行了设计,通过软硬件模块的调试,可实现集中控制系统的监控,通过对建筑内电气系统进行集中控制,实现了光风电并网策略,降低了建筑能耗,为整体建筑的节能降耗提供了有力的保障。

[1] 胡兵.集中控制型消防应急疏散系统研究与设计[D].南昌:东华理工大学,2015.

[2] 田雨石.建筑电气设备自动化的节能技术研究与应用[D].吉林:吉林建筑大学,2015.

[3] 王国光,杨德才.新型建筑设备监控系统在工程中的应用[J].建筑电气,2014(12):21-24.

[4] 于胜群.医院工程空调系统节能集中控制方案[J].中国招标,2015(10):20-22.

[5] 乔玲敏,张伟东,周全,等.某商业建筑空调系统优化设计[J].暖通空调,2013(9):79-82.

[6] 臧大进,刘增良,曹云峰.水冷式集中控制空调系统节能研究[J].铜仁学院学报,2010(4):129-134.

[7] 曹祥红,王朋辉,张华.建筑物太阳能市电互补公共照明控制系统设计[J].建筑节能,2016(7):68-71.

[8] 郭富兵.浅谈高层住宅建筑节能技术[J].河南建材,2016(4):91-92.

【办刊宗旨】

以现代信息技术、先进制造技术和智能建筑技术为引导，引领建筑电气技术不断开拓自主知识创新，向着高效、节能和绿色的目标和方向发展。及时、全面地报道国内外建筑电气最新研究成果和行业信息，为建筑电气的研究与开发、产品制造与应用、工程设计等领域打造一流的技术交流和信息传递平台。

Building Electrical Energy-saving Technology Based on Centralized Control System

ZHANG Haitao, TIAN Xin, CHEN Zhigang

(China United Northwest Institute for Engineering Design & Research Co., Ltd., Xi’an 710082, China)

Combined by the light wind power grid-connected system example,this paper designed the centralized control system.The designs of hardwares were introduced including power supply circuit,data acquisition circuit,reset circuit,interface and display,etc.The software design of the central control system was elaborated.Through the debugging of hardware and software modules,the monitoring function of centralized control system was realized.From the perspective of electric control system,the building energy conservation is promoted.

centralized control system; energy-saving; hardware design; software design; energy-saving evaluation

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0016-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.004

2016-08-10

田 鑫(1979—),女,高级工程师,从事绿色、节能建筑技术及生态城市规划方面的工作。

陈志刚(1983—),男,工程师,从事建筑智能化技术方面的工作。