孟洋

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：簡要介紹了建筑能耗監(jiān)控的需求，結合工信部行業(yè)標準SJ-11662—2016《建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)技術要求》，分析了公共建筑設置能耗監(jiān)控系統(tǒng)傳感器網絡的技術要求，詳細闡述了能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)的組成、構建原則、標識體系、傳感器網絡系統(tǒng)分層要求、信息傳輸及接口、傳感器網絡服務層要求等，可供建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)的設計及實施提供參考。

關鍵詞：建筑；能耗數(shù)據；采集；傳輸；系統(tǒng)設計

0 言

面向建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器網絡技術重要性突出，應用景廣闊。在節(jié)能減排領域，建筑能耗占比顯著，對建筑能耗實施監(jiān)測及節(jié)能改造效果明顯，家也出臺了諸多相關政策、要求，如建科[2008]114 號《家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據采集技術導則》。一些標準對能耗監(jiān)測作了宏觀層面的要求，如GB/T50378—2006《綠色建筑評價標準》等綠色建筑設計、驗收及評價標準，提出建筑能耗監(jiān)測是*選項。因此，建筑能耗監(jiān)控相關技術標準的研制是實施節(jié)能減排政策、推進綠色建筑建設的關鍵。

本文對建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)傳感器網絡系統(tǒng)技術進行研究，可為相關傳感器網絡的設計、施工、驗收提供具體要求和參考。

1 建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡需求分析

構建建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)，需要從能耗指標、通用要求、接口要求、網關要求、建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)傳感器要求、建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)服務層要求等方面考慮具體技術要求，為建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)中能耗參數(shù)檢測和信息傳輸所設置的傳感器網絡系統(tǒng)提供技術指導。

2 建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡組成

建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)(體系)結構由感知層、承載層、服務層3個邏輯區(qū)域組成。

建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)感知層分布在建筑耗能設備群中，負責各類耗能信息的采集、匯聚、處理和控制，利用傳感器網絡節(jié)點獲得相應的能耗監(jiān)測數(shù)據。承載層將傳感器網絡節(jié)點的耗能數(shù)據由感知層向服務層的連接端口傳輸，可包括建筑物內的自建網絡、本地局域網、電信網、廣電網、互聯(lián)網等。

建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)服務層主要負責數(shù)據及消息管理、數(shù)據存儲、分析展示、診斷處理、信息展示功能。

3 建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡構建原則

建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)建立獨立的網絡，采用樹形網絡拓撲結構，在可靠性要求高的場所，設計為冗余樹形結構或網狀網絡。

網絡設計時，考慮共用建筑內設置的 BAS、P-SCADA或其他能源設備監(jiān)控系統(tǒng)所采集的數(shù)據，盡量利用這些網絡實現(xiàn)能耗數(shù)據的匯聚和傳輸。

建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡傳感器的化布置、設備選擇在已有建筑能耗系統(tǒng)評價的基礎上遵循按需布設、簡化、準確的原則實施配置。

感知層中各類介質傳感器的檢測精度與被檢測介質在建筑內所占能耗比重相匹配。

建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)承載層按照耗能設備、感知層傳感器結點的布置環(huán)境選擇有線、無線或混合的傳輸方式將感知層數(shù)據向服務層傳輸。無線傳輸方式可選用 GB15629.11—2003、ZigBee和無線網格網絡等通信技術，采用基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(NarrowBandInternetofThings，NB-IoT)License頻段，可采用帶內、保護帶或獨立載波等構建系統(tǒng)，發(fā)揮其覆蓋廣、連接多、成本低及功耗低等勢。

4 建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡技術要求

4.1感知層的接入應選擇通信可靠性高的網絡，遵循以下原則:

(1)在建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)中，以太網的接入交換機選用工業(yè)級產品或其他具有較高可靠性及穩(wěn)定性的產品。

(2)感知層網絡在網關接入時采用工業(yè)級產品。

(3)感知層網絡在無法采用以太網結構時，先選用支持Profibus或TIA/EIA-485-A通信類的產品。

(4)末端施工困難的場所或需采用無線通信的場所，選用工業(yè)級無線通信路由設備或租用性能可靠的帶寬無線公網，以確保系統(tǒng)通信可靠。

(5)在采用無線網絡接入時，先選用NB-IoT、GB15629.11—2003、ZigBee和無線網格網絡等通信技術。NB-IoT滿足萬物互聯(lián)及能耗數(shù)據傳輸需求，符合家政策導向(工信廳通信函[2017]351號文)，宜作為技術。

4.2承載層遵循以下原則:

(1)信息傳輸纜線選用雙絞線或光纜，雙絞線規(guī)格不低于6類線。

(2)網絡匯聚層交換設備采用有路由功能的三層網絡結構交換機，交換機的上行交換速率不低于 1000Mb/s。

(3)核心交換層的引擎和電源模塊采用冗余設計。

(4)核心設備之間滿足1000Mb/s以上的信息傳輸和交換能力。

4.3服務層遵循以下原則:

(1)建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)應通過無線傳感器網絡采集能耗指標，并通過應用軟件系統(tǒng)實現(xiàn)建筑能耗的監(jiān)控，包括節(jié)能工作站和附屬打印、顯示設備、數(shù)據采集、數(shù)據存儲、數(shù)據分析應用等功能的應用軟件，節(jié)能知識存儲和節(jié)能措施等模塊。

(2)配備雙千兆網卡的企業(yè)級服務器、路由器或交換機、工作站以及防火墻、磁盤陣列、UPS電源等局域網設備。

(3)服務器具有熱備功能，熱備軟件可運行于NT、Linux和NCRUnix平臺，實現(xiàn)2臺服務器各自運行且相互熱備份，支持遠程災難實時復制備份恢復系統(tǒng)。

(4)各軟件子系統(tǒng)之間彼此獨立運行，便于系統(tǒng)維護，同時軟件接口具有一致性、擴展性和兼容性。

5 建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)信息傳輸及接口要求

建筑物內感知層中各個傳感器節(jié)點之間的信息傳輸方式先選用有線點對點星形傳輸方式，采用網關、交換機或現(xiàn)場控制器匯聚信息;線纜敷設困難時無線網關以星形方式匯聚各個傳感器節(jié)點所采集的信息。

承載層的信息傳輸方式。先選用建筑物內或建筑物之間敷設線纜的方式傳輸信息。不具備線纜敷設條件，采用建筑物內混合傳輸方式或建筑物之間的網狀網絡傳輸方式。

數(shù)據接口要求。傳感器與傳感器結點之間的軟件接口，包括數(shù)據格式和交互協(xié)議采用DDL、XML、API等標準數(shù)據通信接口。為保證能耗監(jiān)控設備數(shù)據傳輸?shù)母咝裕瑢ㄖ鹊哪芎谋O(jiān)測設備進行統(tǒng)一編碼。

通信接口要求。建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)通信規(guī)約先選擇TCP、UDP、CDT、OPC。此外，建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)傳感器包括建筑物中央空調系統(tǒng)運行監(jiān)控適用的溫度傳感器、濕度傳感器、水壓傳感器、風壓傳感器、風速傳感器、流速傳感器、CO2傳感器、照度傳感器、能耗計量傳感器(數(shù)字水表、燃氣表、熱量表)等。依據以上傳感器的檢測值，完成建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)計，并提供建筑總能耗、總用電量及各分類、分項能耗量的月、季、年統(tǒng)計量。

6 安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

6.1 系統(tǒng)概述

Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據支撐。

6.2 應用場所：

（1）辦公建筑（商務辦公、家機關辦公建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

6.3系統(tǒng)功能

（1）登陸界面

系統(tǒng)可以根據客戶要求定制個性化的系統(tǒng)登錄界面，登錄界面所用的圖片、 Logo等由用戶提供。

（2）綜合能耗展示

系統(tǒng)登陸成功進入主頁面，主頁面顯示該建筑的建筑圖片，建筑基本信息,建筑當月分項用電餅圖和各種能源的消耗量。

（3）支路能耗概況

系統(tǒng)可以根據分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當日和當月的用能峰值（電能對應大需量值）、當日用能、當月用能、當年用能以及昨天同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。

（4）支路用能

系統(tǒng)可以統(tǒng)計各支路某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。

（5）分項能耗概況

系統(tǒng)可以按照動力、空調、插座等分項進行能耗統(tǒng)計與顯示，支持用能餅圖顯示各分項過去31天的用能占比；堆積圖顯示各分項過去31天的能耗趨勢；分項用能圖顯示被選中分項對應能耗值*位的支路。

（6）分項用能

系統(tǒng)可以統(tǒng)計各分項某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能（這里的支路須通過基礎數(shù)據中分類分項的配置。） 

（7）部門能耗概況

系統(tǒng)可以按照部門進行能耗統(tǒng)計與顯示，并進行日同比分析圖，餅圖顯示各部門過去31天的用能占比；堆積圖顯示各部門過去31天的能耗趨勢；部門績效考核對比圖顯示實際用能和用能目標值，當實際用能值大于目標值時，實際值標為紅色。

（8）區(qū)域能耗概況

系統(tǒng)可以按照區(qū)域進行能耗統(tǒng)計與顯示，日分項用能同比分析圖顯示不同區(qū)域的當日與昨日能耗柱狀圖；餅圖顯示各區(qū)域過去31天的用能占比；堆積圖顯示各區(qū)域過去31天的能耗趨勢；區(qū)域用能圖中顯示被選中區(qū)域對應能耗值*位的支路。

（9）參數(shù)查詢

查詢各回路戓支路某段時間內的參數(shù)，以曲線的形式反映趨勢（具體可以查詢的參數(shù)與安裝的儀表有關，查詢時不能跨月，且繪制曲線時以1分鐘為間隔），電力參數(shù)可以多選。

（10）數(shù)據檢查

系統(tǒng)可以統(tǒng)計某段時間內各回路與下級支路的用能差值，超過一定百分比后醒目顯示（紅色區(qū)域），確保計量體系的完整性、準確性。 

（11）非工作日用能分析

系統(tǒng)可統(tǒng)計各支路工作日與非工作日的能耗情況。此處的工作日和非工作日是在基礎數(shù)據中非工作日設置中配置的非工作日。

（12）能耗數(shù)據同比環(huán)比分析

系統(tǒng)可將各種類型（電、水、氣）和各主要耗能設備的能耗與去年同期值和上月值進行同比環(huán)比分析，檢驗節(jié)能效果，根據分析結果執(zhí)行節(jié)能績效考核，以及節(jié)能目標的修正。 

（13）分時段用能統(tǒng)計

在儀表帶有復費率統(tǒng)計功能的提下，系統(tǒng)可以采集電表內尖、峰、平、谷參數(shù)，并將數(shù)據存儲到數(shù)據庫中方便后期查詢。不同時段可以分別設置用電單價，統(tǒng)計報表會呈現(xiàn)出分時段電能值與電費。 

（14）日月年報表

系統(tǒng)提供方便的日月年報表統(tǒng)計功能，通過選擇不同回路，報表類型，查詢日期，生成對應報表。選中報表中的某一行數(shù)據，會自動顯示對應的柱狀圖。

（15）儀表網關斷線報警

系統(tǒng)通過能耗網關采集數(shù)據時，可以獲得儀表的通訊狀態(tài)。當系統(tǒng)判斷儀表通訊中斷時間大于10分鐘時或網關通訊中斷時間大于20分鐘時，系統(tǒng)會彈窗或者通過鈴鐺報警，顯示當通訊中斷的儀表或者網關。

（16）圖表導出

系統(tǒng)可將分析統(tǒng)計的曲線、棒圖、報表導出到Excel格式文件，以便于用戶數(shù)據二次利用。

（17）用戶管理

系統(tǒng)用戶權限管理采用分級模式，為系統(tǒng)管理員、后勤管理人員、設備維護人員三級，進行訪問權限管理，防止未授權的訪問，并對所有操作自動進行帶時標事件記錄，可建立良好的反事故措施。

（18）基礎信息配置與維護

系統(tǒng)可根據項目實際情況配置每塊智能儀表所屬的能耗類型和分項、歸屬區(qū)域、設備類型，這些數(shù)據將作為用能分析的基礎信息。

（19）人工錄入數(shù)據

系統(tǒng)提供數(shù)據手工錄入功能，可錄入儀表每天的抄表值與每天的用能值，用于后期報表統(tǒng)計。

（20）遠程訪問功能(C/S模式)

系統(tǒng)采用C/S架構設計，在任意一臺連接廣域網的計算機上安裝Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)客戶端軟件即可實時訪問該能耗監(jiān)測系統(tǒng)。

6.4 系統(tǒng)網絡結構

AcrelCloud-5000能耗管理云平臺采用分層組網架構，將系統(tǒng)分為設備層、網絡層、應用層。

設備層：設備層作為平臺數(shù)據來源的基礎，通過儀表與傳感器對參數(shù)進行監(jiān)測和計量。

網絡層：網絡層通過強大的協(xié)議轉換功能將采集到的設備層的數(shù)據傳遞到應用層，起到承上啟下的作用。

應用層：應用層對設備層的數(shù)據進行分類、存儲、統(tǒng)計分析，通過友好的人機界面為用戶提供質的體驗。

圖5 系統(tǒng)結構

6.5 能耗監(jiān)測系統(tǒng)產品選型

7 結束語
建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)技術是建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)中能耗參數(shù)檢測和信息傳輸?shù)年P鍵技術，可為傳感器網絡的配置及實施提供技術指導，并促進建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)向產業(yè)化方向發(fā)展，有益于提升建筑功能，高效便捷地提高建筑能源利用效率，降低建筑的 CO2 排放量。建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)技術的制訂和推廣應用，將在生態(tài)城市建設方面發(fā)揮顯著作用，相關技術可為構建能耗監(jiān)測傳感器網絡提供參考或借鑒。

【參考文獻】

[1]建筑能耗監(jiān)控傳感器網絡系統(tǒng)技術要求:SJ/T11662—2016[S].

[2]馬瑞紅. 建筑能耗數(shù)據采集與傳輸系統(tǒng)設計及實現(xiàn)．

[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版.