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淺談基于多能源的大型智慧園區(qū)綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

更新時間:2021-02-18 點(diǎn)擊次數(shù): 1263次
劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:大型智慧園區(qū)已經(jīng)成為多種能源消耗的重要區(qū)域,為了探索適用于大型智慧園區(qū)的綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng),建立了綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)整體框架,提出了綜合能耗網(wǎng)絡(luò)、能耗關(guān)系集合、能耗均衡度等概念,并以某大型智慧園區(qū)
為例對綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)的采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計,為大型智慧園區(qū)綜合能耗評估分析提供種新的模式。
關(guān)鍵詞:智慧園區(qū);系統(tǒng)框架;多能源;能耗;監(jiān)測;采集網(wǎng)絡(luò)
 
1前言
        進(jìn)入21世紀(jì)以來,我整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,然而經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展伴隨著能源供應(yīng)日趨緊張。經(jīng)過十幾年高能耗推動的發(fā)展時期,能源供需失衡日益嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)已嚴(yán)重制約著我社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。2012年8月6日,wu院以發(fā)〔2012〕40號印發(fā)《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》將“節(jié)能改造工程、合同能源管理工程”列為“十二五”節(jié)能減排工作,并提出“建筑節(jié)能——形成600萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能能力。綠色照明——形成2100萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能能力。”的節(jié)能目標(biāo)。預(yù)計到2020年,我城市生活人口將達(dá)到總?cè)丝跀?shù)的56%以上,建筑能耗的大幅度增加將不可避免。目前,建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列,成為我能源消耗的3大“耗能大戶”,其中建筑能耗約占全社會能耗的三分之。在建筑能耗中,共性問題是能耗總量大、增長速度快、能耗指標(biāo)高、終端用能設(shè)備總體能效水平低等。大型智慧園區(qū)作為高能耗建筑的集中區(qū)域,亟需合理有效的綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)對其綜合能耗情況進(jìn)行掌握,這對支持我社會健康可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。
 
2大型智慧園區(qū)中綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用
        維持大型智慧園區(qū)正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要電、水、冷熱等多種能源消耗,各種能源消耗具有消耗范圍廣、消耗時間不規(guī)律、消耗量大等特點(diǎn)。其中,大型智慧園區(qū)中的用電消耗主要包括:空調(diào)、照明、電梯、給排水、電加熱負(fù)載,變壓器和其他混合負(fù)載等,用水消耗主要包括生活用水、空調(diào)用水、景觀用水、綠化用水,用冷熱消耗主要為建筑內(nèi)部供冷和供熱調(diào)節(jié)。大型智慧園區(qū)中的綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)以園區(qū)內(nèi)各用能設(shè)備運(yùn)行和能耗特征為基礎(chǔ)條件,依據(jù)各類用能設(shè)備運(yùn)行中所采集的反映其能源傳輸、變換與消耗的特征,采用能效協(xié)調(diào)控制策略實(shí)現(xiàn)能源化使用。系統(tǒng)將建筑內(nèi)各用能系統(tǒng)的能耗信息予以采集、顯示、分析、診斷,并在滿足用戶舒適度的前提下能對各系統(tǒng)進(jìn)行控制和化管理,有效加強(qiáng)建筑能耗統(tǒng)計分析和能效管理的系統(tǒng)性、科學(xué)性,提高終端能源利用效率,減少能源支出成本。
        綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)針對園區(qū)內(nèi)各建筑用電、用水及冷/熱量等進(jìn)行能效綜合管理,包括建筑能耗綜合管理系統(tǒng)和水電冷熱表采集系統(tǒng)。水電冷熱表采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對園區(qū)各建筑各類用能數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與上傳;建筑能耗綜合管理系統(tǒng)接收水電冷熱表采集系統(tǒng)上傳的用能數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對園區(qū)各建筑各類用能數(shù)據(jù)的存儲、計算及應(yīng)用,系統(tǒng)采用B/S架構(gòu),將分析展現(xiàn)的結(jié)果通過園區(qū)局域網(wǎng)進(jìn)行訪問。
 
3主要研究內(nèi)容
3.1綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)框架
        如圖1所示,綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)框架包括功能應(yīng)用層、邏輯處理層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)源五層架構(gòu)。其中,功能應(yīng)用層包括能源監(jiān)測、能效分析、能效診斷、輔助決策以及檔案維護(hù)、系統(tǒng)管理等用戶功能,通過duo維度、可視化的系統(tǒng)功能界面實(shí)現(xiàn)與用戶的信息互動;邏輯處理層通過建立能耗評估模型,并利用數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計計算、duo維分析等手段對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,為功能應(yīng)用層提供直接的數(shù)據(jù)支持;數(shù)據(jù)存儲層利用主流結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲,提高邏輯處理層的處理性能;數(shù)據(jù)采集層利用終端采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)對智能電表、智能水表和智能冷熱計量表等遠(yuǎn)傳終端的數(shù)據(jù)源采集,為整個綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
 
3.2相關(guān)定義
        綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有多源性和層次性,為了更好的描述綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程,本文做出以下相關(guān)定義:
        能耗網(wǎng)絡(luò):能耗網(wǎng)絡(luò)是以各種能源監(jiān)測點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系,其表示形式G為:
G=<C,V>
        其中,C表示能耗網(wǎng)絡(luò)中的能耗節(jié)點(diǎn),V表示能耗值,Cijk表示第i種能耗中等級為j的第k個能耗節(jié)點(diǎn),Vijk表示能耗節(jié)點(diǎn)Cijk的值。能耗網(wǎng)絡(luò)能夠很好的反應(yīng)出實(shí)際中復(fù)雜的能耗節(jié)點(diǎn)關(guān)系,建立能耗網(wǎng)絡(luò)對實(shí)現(xiàn)各種能耗的監(jiān)測分析具有重要的作用。
        能耗關(guān)系集合:能耗關(guān)系集合表示在能耗網(wǎng)絡(luò)中有直接等級關(guān)系的節(jié)點(diǎn)集合,其表示形式為:
        其中,SetCijk-Father表示節(jié)點(diǎn)Cijk的關(guān)系父集,SetCijk-Son表示節(jié)點(diǎn)Cijk的關(guān)系子集,為了保證數(shù)據(jù)的完整性,用Cij+10表示節(jié)點(diǎn)Cijk的關(guān)系子集中未包含而Vijk中包含的能耗量。
        能耗指數(shù):能耗指數(shù)可以反應(yīng)出能耗網(wǎng)絡(luò)中個節(jié)點(diǎn)的能耗量在該節(jié)點(diǎn)所在等級中所占的比例,若節(jié)點(diǎn)Cij+1l表示節(jié)點(diǎn)Cijk關(guān)系子集SetCijk-Son中的個節(jié)點(diǎn),則能耗指數(shù)P的計算式為:
 
        其中,VCij+1l表示節(jié)點(diǎn)Cij+1l的能耗值,Cij+1m∈SetCijk-SonVCij+1m表示節(jié)點(diǎn)Cijk關(guān)系子集中所有節(jié)點(diǎn)能耗值之和。
        定義四 能耗均衡度 能耗均衡度反應(yīng)出能耗網(wǎng)絡(luò)中個等級中的各個節(jié)點(diǎn)能耗是否均衡,其計算式E為:
 
        其中,PCij+1l表示節(jié)點(diǎn)Cijk關(guān)系子集中各節(jié)點(diǎn)能耗指數(shù)的平均值。顯然,能耗均衡度越小,說明節(jié)點(diǎn)Cijk關(guān)系子集中的各節(jié)點(diǎn)的能耗量越接近,反之亦然。
 
4 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
        綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)需要海量且數(shù)據(jù)支撐,因此監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計尤其重要。本小節(jié)以某大型智慧園區(qū)為例詳細(xì)描述監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則及實(shí)現(xiàn)方式。
4.1 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原則
4.1.1 主干線路先
        先,監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計先應(yīng)滿足主干線路先的原則,智慧園區(qū)主干線路的監(jiān)測數(shù)據(jù)往往直觀的展示了園區(qū)整體的能耗情況,能夠?yàn)閺膱@區(qū)整體上進(jìn)行能耗分析提供直接的數(shù)據(jù)支持。
4.1.2 重要區(qū)域先
        其次,監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計應(yīng)滿足重要區(qū)域先的原則,所謂重要區(qū)域直接影響智慧園區(qū)正常運(yùn)行的區(qū)域,例如智慧園區(qū)變配電站的用電監(jiān)測、供水站的用水監(jiān)測等。
4.1.3 經(jīng)濟(jì)性原則
        根據(jù)實(shí)際情況,對于不重要且可以通過計算得到節(jié)點(diǎn),可以盡量不安裝或少安裝表計,以便節(jié)省實(shí)施費(fèi)用。需要匯總的數(shù)據(jù)如果可以通過分表計計算得到,就無需再安裝總表計,
        例如:如果分表的數(shù)據(jù)可通過已經(jīng)安裝的總表和其他分表計算得到,也無需安裝表計。
4.1.4 節(jié)能潛力大先
        能耗監(jiān)測的目的是進(jìn)行節(jié)能,因此應(yīng)著重選取高耗能、節(jié)能潛力較大的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。高耗能設(shè)備般是指耗能量大、在用數(shù)量多、節(jié)能潛力較大的空調(diào)、各種泵類以及鍋爐、換熱壓力容器、電梯、起重機(jī)械等特種設(shè)備。
4.2 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計
        如圖 2 所示。
 
圖2
 
5安科瑞能耗監(jiān)控系統(tǒng)介紹
        Acrel-5000能耗在線監(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(chǔ)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(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計,以直觀的數(shù)據(jù)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(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣,有效節(jié)約能源,為用戶進(jìn)步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照家有關(guān)規(guī)定實(shí)施能源審計,分析現(xiàn)狀,查找問題,挖掘節(jié)能潛力,提出切實(shí)可行的節(jié)能措施,并向縣級以上人民政fu管理節(jié)能工作的部門報送能源審計報告。
5.1平臺結(jié)構(gòu)
        Acrel-5000能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)以計算機(jī)、通訊設(shè)備、測控單元為基本工具,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采用現(xiàn)場總線、光纖環(huán)網(wǎng)或無線通訊中的種或多種結(jié)合的組網(wǎng)方式,為大型公共建筑的實(shí)時數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺,它可以和檢測設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。開放性、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的采用面向?qū)ο蟮姆謱?、分級、分布式智能體化結(jié)構(gòu)。建立如下層次結(jié)構(gòu):
 5.2平臺功能
        (1)系統(tǒng)可按使用年份統(tǒng)計建筑物各分類能耗——電、水、氣、集中供熱、集中供冷以及其它能源消耗量,自動折算成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量,從而反映建筑物當(dāng)年各分類能耗用能和綜合能耗。系統(tǒng)以餅圖形式展示建筑4大用電分項(xiàng)能耗的占比情況。系統(tǒng)以曲線圖形展現(xiàn)各類能耗的消耗的消耗趨勢,便于業(yè)主方實(shí)時直觀掌握能源消耗情況。
        (2)系統(tǒng)可以根據(jù)分類能耗的支路名稱查詢用能情況,顯示當(dāng)日和當(dāng)月的用能峰值。顯示當(dāng)日用能、當(dāng)月用能、當(dāng)年用能與昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。以條形顯示過去48小時、31天、12個月、3年的能耗情況。右上角顯示過去15分鐘曲線(電表顯示功率曲線,流量表顯示流速曲線)。
        (3)系統(tǒng)依據(jù)建筑物能源消耗的分布情況進(jìn)行能耗計量點(diǎn)的選取和設(shè)置,使得能耗監(jiān)測系統(tǒng)可以覆蓋整個建筑物。系統(tǒng)使用者可通過相關(guān)界面調(diào)取該建筑物各能耗節(jié)點(diǎn)的能耗統(tǒng)計報表,減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計量誤差。
        (4)系統(tǒng)依據(jù)住建部分類分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集導(dǎo)則,將建筑物耗電分為照明插座、空調(diào)、動力和特殊用電進(jìn)行計量裝置選型和設(shè)置,并按用能區(qū)域或功能區(qū)域等劃分并進(jìn)行統(tǒng)計,以報表和同、環(huán)比棒圖形式展現(xiàn)該區(qū)域的能源消耗。
        (5)系統(tǒng)可針對能源消耗量大的設(shè)備或區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確定位,便于管理層制定節(jié)能績效考核制度,推動節(jié)能降耗的有效執(zhí)行。為用能重要設(shè)備建立運(yùn)行記錄檔案,長期跟蹤記錄設(shè)備運(yùn)行過程中的能效分析評估結(jié)果,結(jié)合設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)記錄,為設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。
        (6)系統(tǒng)提供分級權(quán)限管理功能,對具備權(quán)限用戶提供開放的信息維護(hù)接口,用戶可自行對建筑和系統(tǒng)監(jiān)測范圍內(nèi)計量點(diǎn)的信息進(jìn)行增、刪、改和查詢,建筑物信息包括建筑類型、建設(shè)年代、建筑面積、建筑物人員數(shù)量等。系統(tǒng)還對無法自動采集的計量信息提供手動錄入功能,便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。
5.3數(shù)據(jù)上傳
        安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)按照重要用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范定義的系統(tǒng)平臺接口協(xié)議規(guī)范的要求,將用能企業(yè)的基礎(chǔ)信息、計量器具信息、用能數(shù)據(jù)及能效數(shù)據(jù)上傳至省級或家平臺,上傳數(shù)據(jù)經(jīng)過HTTPS協(xié)議加密傳輸。如果數(shù)據(jù)傳輸失敗或超時(網(wǎng)絡(luò)故障),將重發(fā)數(shù)據(jù),直至接收成功反饋消息。
5.4能源計量表具選型
 
 
6 未來工作展望
        本文結(jié)合目前大型智慧園區(qū)中多種能源消耗量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),建立了綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)框架,并在能耗網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,提出了能耗關(guān)系集合、能耗指數(shù)、能耗均衡度等相關(guān)概念,提出了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則并以某大型智慧園區(qū)為例詳細(xì)闡述了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計。未來的主要研究包括以實(shí)際數(shù)據(jù)為支撐,進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn),探索影響大型智慧園區(qū)能耗水平的主要因素,建立綜合能耗評估機(jī)制,實(shí)現(xiàn)對大型智慧園區(qū)各種能耗水平進(jìn)行客觀的評估。
 
【參考文獻(xiàn)】
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版
 
作者簡介:劉細(xì)鳳,女,本科,現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)榫C合能耗監(jiān)測系統(tǒng)。

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