浅谈基于多能源的大型智慧园区综合能耗监测系统研究与应用

安科瑞 鲍静君

　　摘要：大型智慧园区已经成为多种能源消耗的重要区域，为了探索适用于大型智慧园区的综合能耗监测系统，建立了综合能耗监测系统整体框架，提出了综合能耗网络、能耗关系集合、能耗均衡度等概念，并以某大型智慧园区

　　为例对综合能耗监测系统的采集网络进行详细设计，为大型智慧园区综合能耗评估分析提供一种新的模式。

　　关键词:智慧园区；系统框架；多能源；能耗；监测；采集网络

　　1前言

　　进入21世纪以来，我国整体经济发展迅速，然而经济的快速发展伴随着能源供应日趋紧张。经过十几年高能耗推动的发展时期，能源供需失衡日益严重的现实已严重制约着我国社会经济的可持续发展。2012年8月6日，国务院以国发〔2012〕40号印发《节能减排“十二五”规划》将“节能改造工程、合同能源管理工程”列为“十二五”节能减排工作，并提出“建筑节能——形成600万吨标准煤的节能能力。绿色照明——形成2100万吨标准煤的节能能力。”的节能目标。预计到2020年，我国城市生活人口将达到总人口数的0.56以上，建筑能耗的大幅度增加将不可避免。目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的3大“耗能大户”，其中建筑能耗约占全社会能耗的三分之一。在建筑能耗中，共性问题是能耗总量大、增长速度快、能耗指标高、终端用能设备总体能效水平低等。大型智慧园区作为高能耗建筑的集中区域，亟需合理综合能耗监测系统对其综合能耗情况进行掌握，这对支持我国社会健康可持续性发展具有重要意义。

　　2大型智慧园区中综合能耗监测系统应用

　　维持大型智慧园区正常运转需要电、水、冷热等多种能源消耗，各种能源消耗具有消耗范围广、消耗时间不规律、消耗量大等特点。其中，大型智慧园区中的用电消耗主要包括：中央空调、照明、电梯、给排水、电加热负载，变压器和其他混合负载等，用水消耗主要包括生活用水、空调用水、景观用水、绿化用水，用冷热消耗主要为建筑内部供冷和供热调节。大型智慧园区中的综合能耗监测系统以园区内各用能设备运行和能耗特征为基础条件，依据各类用能设备运行中所采集的反映其能源传输、变换与消耗的特征，采用能效协调控制策略实现能源优化使用。系统将建筑内各用能系统的能耗信息予以采集、显示、分析、诊断，并在满足用户度的前提下能对各系统进行控制和优化管理，加强建筑能耗统计分析和能效管理的系统性、科学性，提高终端能源利用效率，减少能源支出成本。

　　综合能耗监测系统针对园区内各建筑用电、用水及冷/热量等进行能效综合管理，包括建筑能耗综合管理系统和水电冷热表采集系统。水电冷热表采集系统实现对园区各建筑各类用能数据的实时采集与上传；建筑能耗综合管理系统接收水电冷热表采集系统上传的用能数据，实现对园区各建筑各类用能数据的存储、计算及应用，系统采用B/S架构，将分析展现的结果通过园区局域网进行访问。

　　3主要研究内容

　　3.1综合能耗监测系统框架

　　如图1所示，综合能耗监测系统框架包括功能应用层、逻辑处理层、数据存储层、数据采集层、数据源五层架构。其中，功能应用层包括能源监测、能效分析、能效诊断、辅助决策以及档案维护、系统管理等用户功能，通过多维度、可视化的系统功能界面实现与用户的信息互动；逻辑处理层通过建立能耗评估模型，并利用数据挖掘、统计计算、多维分析等手段对能耗数据进行分析，为功能应用层提供直接的数据支持；数据存储层利用主流结构化数据库对能耗数据进行分类存储，提高逻辑处理层的处理性能；数据采集层利用终端采集设备实现对智能电表、智能水表和智能冷热计量表等远传终端的数据源采集，为整个综合能耗监测系统提供基础数据支撑。

图一

　　3.2相关定义

　　综合能耗监测系统数据具有多源性和层次性，为了更好的描述综合能耗监测系统的数据处理流程，本文做出以下相关定义：

　　能耗网络：能耗网络是以各种能源监测点为节点形成的网络关系，其表示形式G为：

　　G=

　　其中，C表示能耗网络中的能耗节点，V表示能耗值，Cijk表示第i种能耗中等级为j的第k个能耗节点，Vijk表示能耗节点Cijk的值。能耗网络能够很好的反应出实际中复杂的能耗节点关系，建立能耗网络对实现各种能耗的监测分析具有重要的作用。

　　能耗关系集合：能耗关系集合表示在能耗网络中有直接等级关系的节点集合，其表示形式为：

　　SetCijk=

　　其中，SetCijk-Father表示节点Cijk的关系父集，SetCijk-Son表示节点Cijk的关系子集，为了保证数据的完整性，用Cij+10表示节点Cijk的关系子集中未包含而Vijk中包含的能耗量。

　　能耗指数：能耗指数可以反应出能耗网络中一个节点的能耗量在该节点所在等级中所占的比例，若节点Cij+1l表示节点Cijk关系子集SetCijk-Son中的一个节点，则能耗指数P的计算式为：

　　PCij+1l=VCij+1lCij+1m∈SetCijk-SonVCij+1m+VCij+10或PCij+1l=VCij+1lVCijk

　　其中，VCij+1l表示节点Cij+1l的能耗值，Cij+1m∈SetCijk-SonVCij+1m表示节点Cijk关系子集中所有节点能耗值之和。

　　定义四 能耗均衡度 能耗均衡度反应出能耗网络中一个等级中的各个节点能耗是否均衡，其计算式E为：

　　ECijk=Cij+1m∈SetCijk-SonPCij+1l-PCij+1l2

　　其中，PCij+1l表示节点Cijk关系子集中各节点能耗指数的平均值。显然，能耗均衡度越小，说明节点Cijk关系子集中的各节点的能耗量越接近，反之亦然。

　　4 监测网络设计

　　综合能耗监测系统需要海量且数据支撑，因此监测网络的设计尤其重要。本小节以某大型智慧园区为例详细描述监测网络的设计原则及实现方式。

　　4.1 监测网络设计原则

　　4.1.1 主干线路优先

　　首先，监测网络的设计首先应满足主干线路优先的原则，智慧园区主干线路的监测数据往往直观的展示了园区整体的能耗情况，能够为从园区整体上进行能耗分析提供直接的数据支持。

　　4.1.2 重要区域优先

　　其次，监测网络的设计应满足重要区域优先的原则，所谓重要区域直接影响智慧园区正常运行的区域，例如智慧园区变配电站的用电监测、供水站的用水监测等。

　　4.1.3 经济性原则

　　根据实际情况，对于不重要且可以通过计算得到节点，可以尽量不安装或少安装表计，以便节省实施费用。需要汇总的数据如果可以通过分表计计算得到，就无需再安装总表计，

　　例如：如果分表的数据可通过已经安装的总表和其他分表计算得到，也无需安装表计。

　　4.1.4 节能潜力大优先

　　能耗监测的目的是进行节能，因此应着重选取高耗能、节能潜力较大的设备进行监测。高耗能设备一般是指耗能大、在用数量多、节能潜力较大的中央空调、各种泵类以及锅炉、换热压力容器、电梯、起重机械等特种设备。

　　4.2 监测网络架构设计

　　如图 2 所示。

图2

　　5安科瑞能耗监控系统介绍

　　Acrel-5000能耗在线监测系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。用户可按照国家有关规定实施能源审计，分析现状，查找问题，挖掘节能潜力，提出切实可行的节能措施，并向县级以上人民政府管理节能工作的部门报送能源审计报告。

　　5.1平台结构

　　Acrel-5000能耗在线监测系统以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，根据现场实际情况采用现场总线、光纤环网或无线通讯中的一种或多种结合的组网方式，为大型公共建筑的实时数据采集及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测设备构成任意复杂的监控系统。开放性、网络化、单元化、组态化的采用面向对象的分层、分级、分布式智能结构。建立如下层次结构：

5.2平台功能

　　(1)系统可按使用年份统计建筑物各分类能耗——电、水、气、集中供热、集中供冷以及其它能源消耗量，自动折算成相应的标准煤消耗量，从而反映建筑物当年各分类能耗用能和综合能耗。系统以饼图形式展示建筑4大用电分项能耗的占比情况。系统以曲线图形展现各类能耗的消耗的消耗趋势，便于业主方实时直观掌握能源消耗情况。

　　(2)系统可以根据分类能耗的支路名称查询用能情况，显示当日和当月的用能峰值。显示当日用能、当月用能、当年用能与昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比较情况。以条形显示过去48小时、31天、12个月、3年的能耗情况。右上角显示过去15分钟曲线（电表显示功率曲线，流量表显示流速曲线）。

　　(3)系统依据建筑物能源消耗的分布情况进行能耗计量点的选取和设置，使得能耗监测系统可以覆盖整个建筑物。系统使用者可通过相关界面调取该建筑物各能耗节点的能耗统计报表，减少用能的“跑、冒、滴、漏”和计量误差。

　　(4)系统依据住建部分类分项能耗数据采集导则，将建筑物耗电分为照明插座、空调、动力和特殊用电进行计量装置选型和设置，并按用能区域或功能区域等划分并进行统计，以报表和同、环比棒图形式展现该区域的能源消耗。

　　(5)系统可针对能源消耗量大的设备或区域进行准确定位，便于管理层制定节能绩效考核制度，推动节能降耗的执行。为用能重要设备建立运行记录档案，长期跟踪记录设备运行过程中的能效分析评估结果，结合设备维护保养记录，为设备的运行维护提供依据。

　　(6)系统提供分级权限管理功能，对具备权限用户提供开放的信息维护接口，用户可自行对建筑和系统监测范围内计量点的信息进行增、删、改和查询，建筑物信息包括建筑类型、建设年代、建筑面积、建筑物人员数量等。系统还对无法自动采集的计量信息提供手动录入功能，便于使用者掌握建筑物总体能耗情况。

　　5.3数据上传

　　安科瑞能耗在线监测系统按照重要用能单位能耗在线监测系统技术规范定义的系统平台接口协议规范的要求，将用能企业的基础信息、计量器具信息、用能数据及能效数据上传至省级或国家平台，上传数据经过HTTPS协议加密传输。如果数据传输失败或超时（网络故障），将重发数据，直至接收成功反馈消息。

　　5.4能源计量表具选型

　　6 未来工作展望

　　本文结合目前大型智慧园区中多种能源消耗量大、结构复杂等特点，建立了综合能耗监测系统框架，并在能耗网络的基础上，提出了能耗关系集合、能耗指数、能耗均衡度等相关概念，提出了监测网络的设计原则并以某大型智慧园区为例详细阐述了监测网络的架构设计。未来的主要研究包括以实际数据为支撑，进行深入的实验，探索影响大型智慧园区能耗水平的主要因素，建立综合能耗评估机制，实现对大型智慧园区各种能耗水平进行客观的评估。