浅析信息技术在能源管理系统中的应用与实施

张俊，刘慧明，陈淑红

（浙江慧控科技有限公司）

1 系统背景

当今，能源在人类社会中扮演的角色日益重要，各类水、电、气设备与分类能耗是工业设施、社会基础设施、各类建筑建设投资和日常运营成本的主要构成部分，设计一套能源管理系统，合理布局能源设施配置和管控功能可以显著提高设施与能源利用效率并降低成本[1]。

2 系统架构

1）能源管理系统架构

设计一套能源管理系统的体系架构，如图1所示。

图1 能源管理系统体系架构图

2）能源管理系统采用分层分布式系统体系结构，对建筑的电力、燃气及水等各分类能耗数据进行采集、处理，并分析建筑能耗状况。

3）系统依靠建筑能源模型作为运行核心。

4）数据采集层采用符合相关标准要求的建筑能源采集终端，统一采集电能量表、水表等能量计量表计，并通过通信网络稳定地传输到能源监管中心。

5）通过能源采集数据服务平台，与系统内各能源采集终端进行实时数据通信，完成对系统内能源采集终端的管理，同时，采集数据服务平台为实时信息组件提供数据支撑。

6）通过核心的实时信息组件，及时完成数据存储和统计分析计算，并将计算结果存储至关系数据库中。

7）将数据库内的信息映射成上层业务易理解、易操作的对象。

8）以能源模型为核心，实现可扩展、可配置的应用界面和用户交互，实现灵活多变的应用环境。

9） 基于建筑能源计量管理系统平台、图形化组件和实时信息组件，实现能源监控、能源监管与结算以及能源评价等应用子系统。

10）能源计量管理系统应提供通用标准的接口协议(Web Services、Modbus、OPC等)供3D能效管理平台集成[2]。

3 系统作用

1）能源信息的采集、存储、管理

能源管理系统对能源数据进行分析、处理和加工，能源调度人员和专业能源管理人员就能实时掌握系统状态，经过系统的合理调整，确保系统运行在最佳状态。

2）对能源系统采用分散控制和集中管理

能源管理系统将在公司全局角度审视能源的基本管理需求，满足能源工艺系统分散特性和能源管理需要集中的客观要求，以适应建筑群的战略发展需要。

3）建立客观能源消耗评价体系

实现在信息分析基础上的能源监控和能源管理的流程优化再造，满足能源设备管理、运行管理等的自动化，建立客观的以数据为依据的能源消耗评价体系，向管理要效益。

4）能源系统运行成本控制

能源管理系统的建设，对能源管理体制的改革将发挥重要作用。其基本目标之一是可以实现简化能源运行管理，减少日常管理的人力投入，节约人力资源成本，提高劳动生产率。

5）系统的故障处理

能源管理系统能迅速从全局的角度了解系统的运行状况，故障的影响程度等，及时采取系统的措施，限制故障范围的进一步扩大，并有效恢复系统的正常运行。

6）能源调度和平衡指挥系统

能源管理系统将通过优化能源管理的方式和方法，改进能源平衡的技术手段，实时了解建筑群的能源需求和消耗的状况，能有效地减少水、电、气资源浪费，提高资源回收率，采用综合平衡转换使用的系统方法，使能源的合理利用达到一个新的水平。

7）对能源数据的挖掘、分析、加工和处理

能源管理系统的建设，不仅可有效解决能源实时平衡管理和监控管理，还可以通过对大量历史数据的归档和管理，为进一步对数据进行挖掘、分析、加工和处理创造条件。

能源计量管理系统，采用区域权限管理方案。在系统中可构建不同的权限区域，并可将用户的权限限制到每个能源表内的数据信息。主要功能有：①可以根据建筑、单位、用能类别以及用能项等，建立多级管理权限区域；②在每个权限区域下，可以添加各种受限对象，包括数据信息、报表等；③可以在区域上建立用户组，并为用户组分配权限；④用户可以在多个区域上隶属于多个用户组，从而在不同的区域上拥有不同的权限。

区域权限管理方案，不仅可有效解决数据的安全，还可以对新人的交接提供很好的便利。

4 系统功能

1）信息处理子系统

信息处理子系统的基本功能是数据采集和过程监控。①计量数据日、月报表可根据选择的介质、日期查询日、月报表显示月份结算数据；②各耗能单位能耗数据小时、日、月、年等时间段内的统计、计算及能源结算，可以按照用户单位、楼层、整栋建筑及组织架构等方式查询能耗使用情况及能源结算，支持用户灵活配置能耗单位，对任意时间的数据，按测量点进行查询；③提供多种专业的报表格式供用户选择，包括简单列表、详细列表、简单组表以及详细组表，用户可根据需要方便的自定义报表的打印格式。

2）故障处理子系统

提供了包括通信中断、传感器短路、断路以及用能异常等各种情况的报警功能，并记录报警历史数据，以备查阅。系统能快速查询故障的性质和故障定位，并通过弹出窗口、报警声音、邮件通知和短信提醒等方式通知管理人员。

3）能源管理子系统

能源管理子系统的基本功能包括：①能源计划管理（计划编制、跟踪等）；②能源实绩管理（实绩分析、归档、查询、平衡分析、成本分析和对标分析等）；③能源质量管理（质量分析、质量跟踪、趋势评估和越限警告等）；④运行技术支持（运行方式管理、停复役管理和操作评估等）；⑤预测分析（在线预测决策、能耗预测分析、电力负荷预测等）。

5 案例解析

某办公大楼及工业园区企业分散，综合管理长期困扰物业。利用高科技信息技术作为平台，综合新技术、新工艺、配套技术和管理措施，形成安全、稳定、可靠、经济和高效的能源管理系统。

5.1 用电监测

1）查询权限范围内任一电量表的实时电量，显示该电量表信息和24h的电能用量，包括电表地址、电表编号、用电类型、用电性质、隶属机构、安装地址、设备网络和当前电量。

2）显示权限范围耗能单位年累积量、当月累积量、即时用电功率、总有功、无功电量，最大和最小功率。

5.2 用水监测

1）查询权限范围内各水表的实时水量，显示设备信息和24h的水资源用量，包括水表地址、水表编号、用水类型（普通用水）、用水性质（生活用水）、隶属机构、安装地址、设备网络和实抄水量。

2）显示权限范围内耗水单位年累积流量、当月累积流量、瞬时用量。

3）提供多种专业的报表格式供用户选择，包括简单列表、详细列表、简单组表和详细组表，用户可根据需要方便的自定义报表的打印格式。

5.3 能耗对比分析

1）分类分项小时、日、月能耗对比；

2）分类分项能耗月同比：可消除季节变动的影响，用以说明本期能耗发展水平与去年同期发展水平对比而达到的相对发展速度，如本期2月比去年2月，本期6月比去年6月等；

3）能耗月环比：以选择的时间月份为基准，计算各月与前一个月对比，即2月比1月，3月比2月，4月比3月，…，12月比11月，说明逐月的能耗发展程度，比较周期采取最近12个月的分类分项能耗；

4）指定时间内，不同耗能单位、表计之间的对比见图2、图3、图4和图5；

5.4 管理层能耗监管

管理层是建筑能耗计量管理的决策机构，其功能包括以下几个方面：

1）可查看建筑总能耗值；

2）可选择所有耗能单位，查看建筑各耗能单位能耗汇总；

3）可查看建筑各个分类能耗；

4）可查看建筑各耗能单位分类能耗；5）可查看汇总能耗报表数据；

6）各耗能单位中各类各项能耗占总能耗的比例和对比。

5.5 硬件设备技术要求

1）智能电表

图2 相同起始时间的数据对比报表示意图

图3 不同起始时间的数据对比曲线示意图

图4 2009年与2010年用电量对比柱状示意图（按月）

图5 相邻年同月用电量对比分析图

具有RS485接口，RS485通信要满足DT/L 645—1997《多功能电表通信规约》（以下简称DT/L 645—1997）、DT/L 645—2007《多功能电表通信协议》（以下简称DT/L 645—2007）、Modbus要求，红外接口的电气和机械性能应满足DL/T 645—2007中的相关要求；相关技术参数包括：①额定频率：50Hz；②功率消耗：电压线路≤2W和10VA，电流线路≤0.6VA；③工作电压范围：（70%～120%)Un；④工作温度：－30～＋50℃；⑤极限工作温度：－40～＋60℃；⑥相对湿度：≤85%。

2）智能远传水表

通信接口形式为RS485接口，采用M-Bus协议或符合CJ/T 188—2018《户用计量仪表数据传输技术条件》（以下简称CJ/T 188—2018）的规定；具有断电数据保护功能，当电源停止供电时，冷热量计表能保存所有数据，恢复供电后，能够恢复正常计量功能；技术参数包括：①温度测量范围：0～90℃，分辨率0.01℃；②温差范围：4～95℃；③监测参数：供回水温度、累积流量、累积计冷（热）量和瞬时流量等；④使用环境温度：0～＋50℃；⑤相对湿度：≤90%（无结露）；⑥供电电源：AC220V（交流电），50Hz。

3）能源数据采集器

高速的ARM9处理器；10M/100M自适应以太网接口，2kV电磁隔离；支持静态或动态IP获取；独立的Console串口，RS232电平；4～8个RS485工作串口，15kV ESD（静电释放）保护；RS485工作串口的波特率：1200～115 200bps；RS485工作串口的校验为：无、奇、偶可设定；RS485工作串口的数据位：7、8、9可设定；内嵌大容量存储介质(2GB)，支持FAT16、FAT32文件系统；内置硬件看门狗；蜂鸣器报警提示；硬件恢复缺省网络参数；电压范围9～24V直流；系统功耗低，全速允许功耗小于8W；工作温度：-20～+70℃；湿度：5%～95%，无凝露；坚固的金属外壳；专为工业环境设计，提供轨道附件（Din Rail）。

4）完善的功能

自动恢复网络连接，建立可靠的TCP（传输控制协议）连接；支持同时与4个服务器连接和通信的功能；RS485串口波特率可设置为1200～115 200bps的常用值；支持对多种类型用能计量装置的数据采集，包括电能表（含单相电能表、三相电能表、多功能电能表）、电力监测仪、电量计测模块，水表、燃气表、冷热量计、流量计等；支持多种仪表通信协议，包括Modbus-RTU协议、多功能电能表通信规约DL/T 645—1997、CJ/T 188—2018 协议等；至少支持128台设备、600个采集点的数据采集；支持根据数据中心命令采集和主动定时采集2种数据采集模式，且采集周期可从1min至2h灵活配置。拥有2GB专用存储空间支持至少3个月以上的用能数据备份；支持断点续传功能，由于传输网络故障等因素未能及时将采集的能耗数据定时远传，待传输网络恢复正常后数据采集器可将采集的历史能耗数据实现断点续传。支持对数据采集系统故障的定位和诊断，并支持向数据中心上报故障信息的功能；配套可视化的数据服务与管理软件。

除上述功能外，还符合《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统》技术导则对数据采集器的其他功能要求。

5）灵活的配置方式

可通过WEB 浏览器配置系统和运行参数，可通过超级终端通过独立的Console串口配置系统和运行参数；可通过数据采集管理软件配置系统和运行参数。

6 结语

优化能源介质的传输、合理安排能源介质的转换、动态评估能源系统的运行状态，是解决能源系统安全运行和经济运行的必然要求。