基于无线通讯技术的校园节能监测分析与应用研究

孙 恒

（吉林建筑大学城建学院，吉林 长春 130114）

1 系统总体设计简介

基于无线通讯技术的校园节能监测管理系统是实现能源优化管理的前提和重要基础.本系统根据用户的能量传输以及能源的利用状态,通过无线通讯技术进行监测控制,为补充和完善用户水电管理系统,集中建立用户用电基本数据的专门统计规则和方法,准确有效地获取各种测量数据和运行参数.通过无线通信技术的远程系统,将所有能源消耗单位、重要设施和设备在使用过程中消耗的水能和电能数据反馈给能源管理与分析监测系统,进行分类统计;电力和用水的大用户以直观的图表形式显示.可以通过能量管理系统实现水、电能源的合理分配.利用能源管理分析监控系统根据能耗统数据被用来分析用户的能源消耗和能源效率.对用户的能源利用效率、消费水平、能源经济性和环境影响进行了监测、诊断和评价.找出了造成各种问题和能源浪费的原因,提出了进一步发挥高校能源管理和监督职能的建议和改进措施.

基于无线通信技术的校园节能监测与管理系统由测量仪器、数据采集与转换装置(简称网关设备)、数据传输网络、数据传输站、数据服务器和管理软件组成.该系统基于Internet技术和B/S软件体系结构.该系统具有能耗数据的实时采集与通信、远程传输、自动分类统计、数据分析、指标比较、图表显示、报表管理、数据存储、数据上传等功能,满足了校区的要求和节能管理.系统控制层(监控管理层)采用B/S结构,双机冗余热备工作方式,由能源管理系统软件、主备服务器、LED显示屏、打印机以及为系统设备供电的不间断UPS电源等组成.主要借助于校园网,部分辅以光纤网络,即有助于减少设备投资又能增强网络的安全性和稳定性.

图1 系统网络构架

2 无线通讯技术的校园节能监测管理系统的整体网络架构

基于无线通讯技术的校园节能监测管理系统的整体网络构架.系统主要由现场采集结点、CAN总线、LAN总线、网络控制器、校园网、校内能源管理中心等组成.同时,通过无线通讯技术将相关数据传输到其它能源管理中心.

3 无线通讯技术的校园节能监测管理系统总体设计原则

节能监测管理系统根据目前国内高校耗能建筑的特点以及节能管理系统数据采集的水平,提出如下的设计原则:

3.1 采用先进、成熟、实用的技术

目前校园节能管理系统技术的发展已经比较成熟,方案规划主要是面临21世纪的系统.因此,技术上需要追求科学先进,使用上要求既简便且有实用性,技术上则讲究成熟、可靠和安全,没有任何实验性质的应用.

3.2 系统应有集中统一的管理能力,便于系统管理

根据实际管理体系的要求,公共安全管理应该是集中统一的,所以,系统应具有多层次的集中统一管理中心,并实行科学合理的管理,使监控技术发挥出应有的作用和有效性.

3.3 系统需要具有开放性、可添加性、包容性和灵活性

安全作为主要核心,系统是开放的,可以与其他系统有机地结合在一起,并集成到一个整体.要求系统可以适合各种规模,具有较强的可添加性;可以随时适应系统的扩展需求.该系统具有较强的包容性和灵活性,能够适应其他产品的升级换代.

3.4 系统设计以及产品的选择需要规范化、标准化

系统的设计和产品的选择应满足标准化和标准化的要求.

3.5 系统必须安全、可靠且具有较强的容错性

系统设备的安全性和可靠性是一个非常重要的指标.为了避免操作人员的误操作,导致系统的异常运行,要求系统拥有较强的容错性和自测试功能.

4 系统的特点

基于无线通讯技术的校园节能监测管理系统应用拓展能力强,可满足高校在不同发展时期的众多需求,易于推广.同时,系统采用分布式部署,充分发挥了各个组件的处理能力,使系统效率、处理速度达到极限,其优势和效益表现在以下几个方面:

(1)能耗的精确采集和控制.本系统以房间(如:教室、实验室、办公室、学生寝室等)为对象,可以精确到三路的强电(如:照明用电、采暖用电、动力插座以及电磁阀用电)和二路弱电的数据采集与控制.

(2)大规模受控对象.该系统采用现场总线技术,可根据用户需求灵活配置受控对象.控制对象的数量可以满足大量校园监控节点的要求.

(3)可靠的安全性.当系统出现故障时,被控对象可自动恢复到正常供电,保证教学科研的正常运行.该系统具有防止过载和泄漏的功能,保证了机体和设备的安全.

(4)便利的扩展升级.受控对象的扩展只需要在监控工作站上进行设定并在相应受控对象处安装智能终端(RTU)就能完成;系统的功能扩展只需要在监控工作站上进行设定;系统的对外扩展只需要在监控工作站上加入驱动程序就能与校园一卡通系统连接,方便身份识别,从而实现更多的管理功能.

(5)灵活的控制模式.由于采用了多级网络控制技术,可以实现集中、分散和混合(集中+分散)等多种灵活的控制模式,从而能满足新校区的实际需求并提供最佳的系统配置方案.

(6)先进的照明节电.以每栋楼(或每层楼或每间房间)为单位,配备先进的智能照明节电器,该智能照明节电器能与节能管理系统融为一体.

5 系统的模块组成

5.1 无线通讯技术的校园节能监测管理系统针对电力节能的应用

5.1.1 建筑照明节能系统

对建筑物内的照明进行分类,如公共照明 (走廊、楼梯、厕所等)、教室照明、办公室照明、应急照明等.实验室照明、自习室照明等.根据其应用功能来划分控制逻辑关系,对建筑照明系统进行有效的节能监控.系统中教室可以与课表联动,在无课时关闭教室照明,而对办公室仅在办公时间给予照明权限.

5.1.2 电力系统监控

对电力系统的设备进行实时监控,对于时间上功率不平衡的区域,可采用切换回路的方式进行节能.电力系统的整体用数据通过数据采集器(DTU)上传到数据服务器,由系统管理软件综合分配电力负荷,实现校区整体用电的节能控制.

图2 电力系统配线示意图

5.2 无线通讯技术的校园节能监测管理系统对电采暖节能的应用

在采暖期内,对电采暖区进行分类管理.优化温度分区管理,最大限度的做好建筑保温和利用建筑蓄热.温度采集点也是分类分布的,其回路控制逻辑由管理系统优化策略统一调配,实现总体节能.

5.3 无线通讯技术的校园节能监测管理系统对用水节能的应用

在给水出口和用水终端安装水流和水压检测装置,对管网内的水流量和水压进行实时监测,当水流长时间流动过快或水压降低过快的管网进行现场维护,对“长流水”和“漏点”位置及时维修,达到节约用水的目的.但其判断故障的策略由现场使用经一段时间的试运行统计确定,达到实用、有效、节能的目标.校区的整体用水量以月为单位上传到中心数据库.

6 无线通讯技术的校园节能监测管理系统的软件结构与功能

本系统的软件主要包括WEB浏览和系统软件、无线数据接收软件、DTU采集软件、数据导入中间件软件.能源管理客户端软件等.软件全部采用图形化的中国人机界面,具有Windows操作风格,模块化结构,使用方便,配置灵活,易于扩展.软件组成图如图所示.各软件主要功能如下:

图3 校园能源管理系统软件组成

(1)数据浏览软件.该软件主要是给校园内网web发布实时能源数据,并生成按日、月、年打印或显示各类消耗的报表.为学校相关部门和学校决策层提供科学的依据.

(2)将数据导入中间件软件.该软件主要完成从学校MIS系统或监控系统的现有部分获取所需数据,并导入到能源管理系统数据库中供能源管理系统使用.数据中间件不影响其他现有系统,而只从现有学校系统中读取能量管理系统所需的信息,不向系统写入任何信息.因此,系统的数据流向是单向的,可以充分保证其他系统的安全性.针对不同的数据获取系统,需要定制和开发不同的数据中间件,以满足学校的需要.

(3)DTU采集软件.该软件满足了建筑能耗分类、分类和分计量的要求.实现对校园建筑电、水分类计量及电能的分项计量.

(4)无线数据接收软件.该软件将建筑能耗分项计量数据通过GPRS远程上传至更高级别能源管理中心.

(5)能耗管理客户端.该系统实时监测各供电线路的电压、电流、功率等参数,分析各供电线路在线需求,识别有效负荷和无效能耗,从而实现建筑物的有效节能.

结束语

利用能耗测量技术和计算机技术相结合,通过使用基于无线电台通讯以及基于GPRS通讯两种无线通讯技术两种技术实现数据传输方式,达到针对供电、供热、供水与环境监测等，对管网系统进行远程的实时信息数据采集、实时信息传输、实时信息处理,直观快速地反映管网的实时运行状态,通过远程控制,能够及时对管网系统进行合理的实时调度以及管理,从而实现管理的现代化.在确保生产人员安全的前提下,能够利用电子信息技术有效地提高生产效率.