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基于Acrel-5000的大型公共建筑能耗监测系统设计与应用 安科瑞鲍静君
摘 要 介绍了一种新型能耗监测系统的设计，系统构成以及系统的功能，Acrel-5000组态软件可以实现对现场设备的系统集成，数据的采集、传输以及存储，从而实现对大型公共建筑的分类、分项能耗计量功能。并以实例验证了该系统的功能与实用性。
关键词 能耗监测 Acrel-5000 系统集成
0 引言
北京市建委和市**2008年01月公布了去年北京实施能源审计的部分北京市国家机关办公建筑和大型公共建筑平均电耗、水耗。其中进行审计的20个单位的国家机关办公建筑，每平方米建筑面积年平均耗电量为85.4度(年平均85.4kWh/m2) ，人均年耗电量为3072.5度(年平均3072.5kWh/人)。国家机关办公建筑和大型公共建筑年耗电量约占全国城镇总耗电量的22%，每平方米年耗电量是普通居民住宅的10～20倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.5～2倍。
一方面，我国大型公共建筑能耗巨大，另一方面，我们也缺乏直接数据为决策的*提供基础和参考。住房和城乡建设部建科[2008]114号文(2008-06-24)《关于印发国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设相关技术导则的通知》实施，对于能耗监测系统作了具体规范。因此，必须建立大型公共建筑能耗监测平台，对全国城市建筑能耗进行实时监测，并通过能耗统计、能源审计、能效公示、用能定额和超定额加价等制度，促使国家机关办公建筑和大型公共建筑提高节能运行管理水平，为政府政策的制定和决策提供参考。
1 能耗监测系统构成
能耗监测系统是指通过对国家机关办公建筑和大型公共建筑安装分类和分项能耗计量装置，采用远程传输等手段及时采集能耗数据，实现建筑能耗的在线监测和动态分析功能的硬件系统和软件系统的统称[1]。其中，分类能耗是指根据国家机关办公建筑和大型公共建筑消耗的主要能源种类划分进行采集和整理的能耗数据，如：电、燃气、水等。分项能耗是指根据各类能源的主要用途划分进行采集和整理的能耗数据，例如，电量分项能耗应当包括：照明插座用电、空调用电、动力用电、特殊用电。
1.1 数据采集系统
能耗数据采集方式包括人工采集方式和自动采集方式。通过人工采集方式采集的数据包括建筑基本情况数据采集指标和其它不能通过自动方式采集的能耗数据，如建筑消耗的煤、液化石油、人工煤气等能耗量。通过自动采集方式采集的数据包括建筑分项能耗数据和分类能耗数据，由自动计量装置实时采集，通过自动传输方式实时传输至数据中心。
1.2 数据传输技术
建筑物能耗监测系统的自动计量装置所采集的能耗数据，通过RS485接口，并采用TCP/IP通信协议自动并实时上传给数据中心，以保证数据得到有效的管理和支持率的查询服务，同时数据传输采取一定的编码规则，实现数据组织、存储及交换的一致性。
1.3 数据中心
数据中心也就是数据库，接收并存储其管理区域内监测建筑的能耗数据，并对其进行处理、分析、展示和发布。数据中心具备设置数据更新的时间间隔，访问历史数据，报警，打印报表，实时与历史曲线，图表的绘制，并预留相应扩展功能。
1.4 系统结构
Acrel-5000能耗监测系统以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，为大型公共建筑的实时数据采集、开关状态监测及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统。该系统主要采用分层分布式计算机网络结构，如图1所示：站控管理层、网络通讯层和现场设备层。
图1 系统结构图
1)站控管理层
站控管理层针对能耗监测系统的管理人员，是人机交互的直接窗口，也是系统的*上层部分。主要由系统软件和必要的硬件设备，如工业级计算机、打印机、UPS电源等组成。监测系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类数据信息计算、分析与处理，并以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况。
监控主机：用于数据采集、处理和数据转发。为系统内或外部提供数据接口，进行系统管理、维护和分析工作。
打印机：系统召唤打印或自动打印图形、报表等。
模拟屏：系统通过通讯方式与智能模拟屏进行数据交换，形象显示整个系统运行状况。
UPS：保证计算机监测系统的正常供电，在整个系统发生供电问题时，保证站控管理层设备的正常运行。
2)网络通讯层
通讯层主要是由通讯管理机、以太网设备及总线网络组成。该层是数据信息交换的桥梁，负责对现场设备回送的数据信息进行采集、分类和传送等工作的同时，转达上位机对现场设备的各种控制命令。
通讯管理机：是系统数据处理和智能通讯管理中心。它具备了数据采集与处理、通讯控制器、前置机等功能。
以太网设备：包括工业级以太网交换机。
通讯介质：系统主要采用屏蔽双绞线、光纤以及无线通讯等。
3)现场设备层
现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表组成，采用具有高可靠性、带有现场总线连接的分布式I/O控制器构成数据采集终端，向数据中心上传存储的建筑能耗数据。测量仪表担负着*基层的数据采集任务，其监测的能耗数据必须完整、准确并实时传送至数据中心。
2 软件实现与系统功能
上位机软件为Acrel-5000能耗监测系统组态软件，该软件是对现场能耗数据进行采集与监测的专用软件，*大的特点是能以灵活多样的“组态形式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成对现场数据的采集与监测功能。Acrel-5000能耗监测系统具有友好的人机交互界面，可实时和定时采集现场设备各参量及开关量状态，并将采集到的数据上传给数据中心存储。系统还提供了实时曲线和历史趋势曲线分析，符合用户设计需要的报表、事件记录和故障报警等功能。整个系统可以实现所有回路能耗的采集和统计，实现了远程自动抄表、能耗监测功能。
(1) 运行状态监测：通讯异常报警提示。
(2) 用户管理：不同用户权限具备不同操作功能，各级权限的口令修改操作功能，具有权限防误功能。
(3) 能耗报表、棒图：实现了所有能耗报表的按时间查询，分为日、月、年报表等，任意分类、分项实时能耗棒图显示。
(4) 打印及导出：所有报表及界面可打印，或以EXCEL、WORD格式进行导出。
3 应用案例
上海浦东某图书馆是一个高能耗大型公共建筑，总建筑面积60885平方米,消耗的能源主要为电、水，还有少量的燃气、柴油等，柴油发电机是作为应急电源之用。该项目能耗监测系统采用三层网络结构，各楼层对用电进行分类、分项计量，各楼层及总供水管道、燃气、柴油管道都安装有测量仪表，以实现对能耗的实时采集与监控。所有的智能测量仪表均通过现场总线进行组网，在监控室对现场各回路能耗状况实现集中监控与管理。
该项目中采用研祥工业计算机作为监控主机，并附带液晶显示器、打印机等设备，山特UPS电源在整个系统发生供电问题时，可在一定时间内保证站控管理层设备的正常运行。数据采集终端采用高可靠性、带有现场总线连接的智能测量仪表。对于图书馆供配电系统，低压进线回路和重要回路安装ACR系列多功能电力仪表，普通馈线回路及照明配电箱中安装ADL系列导轨式电能表，仪表外形如图2所示[2][3]。
ACR系列 ADL系列：单相、三相
图 2 智能电力网络仪表
ACR系列多功能电力仪表具有的三相交流电量测量、复费率电能计量、四象限电能计量、2～31次谐波分析、电网质量分析、遥信输入、遥控输出及网络通讯功能，主要用于对电网供电质量的综合监控及电能管理，广泛应用于低压联络柜、出线柜、动力柜等场合。而ADL系列导轨式安装电能表除能采集基本电能参量外还具有体积小巧、安装方便等优点，ADL100单相电能表结构尺寸为4模数，与微型断路器一起安装于照明配电箱中，如图3所示，ADL300三相电能表为7模数结构，主要应用于动力柜中，安装方式如图4所示，极大的方便了用电自动化管理。
图3 ADL100应用安装示例
图4 ADL300应用于动力柜中
该能耗监测系统通过现场设备和通信系统提供的传输通道，完成对各用电回路、供水、燃气及柴油管道的数据采集，信息经分析、处理，以报表、图形等多种形式供值班员参考，使值班员能够便捷的掌握系统的运行及能耗状况，及时发现、纠正能源浪费现象，从而进行节能管理。在需要时，还可提供快捷的远程控制手段，完成对设备运行状态的改变以及事故情况的处理。
表1 图书馆能耗统计数据查询表
图5 图书馆能耗监测系统主界面
图5为图书馆能耗监测系统的主界面，可以查询各类能耗的使用状况，表1给出了图书馆能耗数据查询表，很清楚的显示出各类能源的使用情况。图6为系统给出的图书馆照明、空调及插座等用电量的饼图，很直观地显示出分项用电量的百分比。而图7是根据系统采集的所有分类能耗数据，由系统绘制出的分类能耗柱形图，可以形象的看出分类能源的使用情况。
图6图书馆年分项用电量饼图
图7图书馆分类能耗对比图
5结束语
随着能源的日益紧张，节能降耗成为大型公共建筑智能化建设的必然选择，本文介绍的能耗监测系统，不仅能监控供配电系统的运行状况，还能监测用水量、燃气等其它能源的使用状况，并能根据采集到的能耗数据绘制出各种报表、分析曲线、图形等，便于分析研究，为智能建筑的节能技术提供参考。该系统运行安全、可靠，并附有事件记录及故障报警等功能，极大地方便了用户的使用。随着社会的发展，能源的日益紧张，实现对分类能耗、分项能耗的远程监测与管理成为智能建筑发展的必然趋势。
文章来源于：《智能建筑电气技术》2009年5期。
参考文献
1. 关于印发国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设相关技术导则的通知. 2008. 6
2. 任致程 周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南. 北京. 中国电力出版社. 2007. 4
3. 蒋伟. 胜利油田物探院低压配电系统改造[J]. 智能建筑电气技术, 2008, 2 (2)
电能管理系统改造方案介绍 安科瑞鲍静君
摘 要 采用Acrel-3000电能管理系统对某厂配电系统进行了改造，实现了各配电回路的远程监控和集中管理，能自动计算出单位产量能耗用电，为科学的节能管理提供了依据。介绍该电能管理系统的结构、功能及软件实现。特别介绍了ADL导轨式安装电能表的特点及其通讯电缆的接线方式。
关键词 电能管理系统 电能表 导轨式安装 RS485通讯
1 前言
为响应**制定的一系列促进节能减排的政策措施，全国各行各业都积极采取措施节能节电，取得了积极进展。然而电力节能方案的实施、用电节能设备的广泛采用是否真的起到了节能的作用，必须用合理的考核管理机制进行科学的判断。
某公司厂房共有一期配电房1个、二期配电房2个，提供全厂的生产、照明、空调用电及其它用电等。原有配电系统只在全厂总进线回路上装有电力部门的电度表，管理者只能从每个月电力部门提供的用电总数值得知本月电量能耗，至于电能都用在了什么地方，有没有电能浪费，节能措施有没有收到应有的效果，企业管理者不是很清楚。亟待一个合理的电能考核机制来实现电能的科学管理。
针对以上问题，并根据客户要求，对原有配电系统进行了改造，改造后的Acrel-3000电能管理系统，不仅能实现对各配电回路的远程监控和集中管理，而且还实现了根据各监控设备进行分类电能统计、复费率电能统计、8小时班组能耗统计、日能耗统计和月耗电能统计，自动计算出单位产量能耗用电，为科学地节能管理提供了依据。
2 项目分析
该电能管理系统是在原有变配电柜基础上增加带通讯接口的电能表，将电量参数远传至监控中心，从而实现集中远程监控和管理的一个低压配电改造项目。
要实现对每一台机器用电量的统计，及对每一出线回路电能数据的采集，必须在每一出线回路安装一块电能计量表，但目前市场上的电能计量表普遍采用传统的壁挂式安装方式，体积大，安装不方便。该公司原有配电系统的配电柜均为抽屉柜，在原有抽屉柜面板上已经安装了电流表和信号指示灯，安装空间非常狭小，不可能在抽屉面板上增加任何传统的电能表。抽屉内部安装的元器件已非常紧密，再安装传统电能表或数字式电力网络仪表都是不可能的。
如果从每个回路互感器引出测量线路，重新制作新电表箱放置在配电柜旁边，将电能表集中安装在电表箱里呢？这种方法会使电表箱到配电柜的线缆特别多，鉴于该公司厂房配电回路数较多，安装接线比较麻烦，且以后的检修维护也会比较困难，增加如此多的电缆线和新增加的电表箱也会增加了用户的经济成本，因此这种方法是不可取的。
综合考虑仪表安装、调试及后期维护等多种因素，*终选用ADL系列导轨式安装电能表。该系列仪表可以很方便地安装在配电柜背面的导轨上，不需要对配电柜重新开孔，也不用将大量的电缆引出到新的电表箱中，安装方便又节约了大量电缆和电表箱的成本，而且这种一对一式的测量，对于将来系统的检修维护也是非常清晰方便的。
ADL系列导轨式电能表均带有标准的RS485通讯接口，采用Modbus RTU标准通讯协议，通过仪表的通讯接口将仪表组网，*终实现在监控中心进行集中监控和管理。
3 ADL导轨式安装电能表
ADL系列导轨式安装电能表包括单相复费率电能表和三相复费率电能表。该系列电能表体积小巧，外形美观，结构模数化，可安装于35mm标准导轨上。图1为ADL系列仪表外形及安装方式。
图1 ADL系列仪表外形及安装方式
ADL系列导轨式安装电能表支持一次接入和二次接入两种接线方式，不仅可用于低压配电柜，还可以用在终端配电箱，电流表*大规格为20(80)A。
ADL系列导轨式安装电能表不仅在外形和接线上具有灵活方便的特点，而且在功能和性能上也具有下述优点：
a. 计量正反向有功电量，功率潮流方向自动识别并指示，具有4费率及总电能计量功能。
b. 分时复费率功能，日时段可设4费率、8时段，时段内的*小时间单位为1min。
c. 按月冻结转存功能，可统计上上月、上月及本月的总用电量和分时电量，用于月用电费的结算及监测用电情况。
d. 实时监测功能，测量显示电压、电流、频率、功率、功率因数。
e. 输出接口。带光电隔离的电量脉冲数据输出接口，可用于校表和实现DCS（集散控制系统）远传，RS485通讯接口可以实现远程抄表和负荷监测。
4 系统构成
该电能管理改造系统采用分层分布式计算机网络结构，即间隔层、通讯层和站控层，如图2所示。
图2 电能管理系统结构示意图
仪表之间采用屏蔽双绞线进行总线型连接，通过通讯扩展卡进入监控主机。图3所示为ADL仪表通讯电缆接线示意图。通过对配电系统的二次设备进行组网，经由通讯网络到达监控主机，将分散的配电所的现场设备连接为一个整体。
图3 ADL仪表通讯电缆接线示意图
监控中心配置监控计算机、打印机、UPS电源及必要的辅助设备，Acrel - 3000电能管理软件完成对各台电能表的远程采集和数据的集中处理。
5 软件实现及系统功能
5. 1 软件实现
上位机软件采用Acrel - 3000组态软件，通过软件进行设备配置、数据库变量配置、界面设计等，完成了在上位机软件监控及电能管理的功能。
5. 2 系统功能
整个系统实现了对一期配电房和二期配电房所有回路电能的采集和统计，远程自动抄表、电能统计等功能，包括：
a. 远程电量参数测量，包括实时电能、分摊电能、总电能以及按各监控设备统计电能。
b. 运行状态监测，通讯异常报警提示。
c. 用户管理，不同用户权限具备不同操作功能，各级权限具有口令修改操作功能和权限防误功能。
d. 电能报表，实现了所有电能报表的按时间查询，分为分钟、小时、班组、日、月五种类型，包括总、尖、峰、平、谷复费率电能及用电量。
e. 电能柱形图，任意回路电能实时电能柱形图显示，包括总、尖、峰、平、谷电能。
f. 汇总表，所有监控设备电能汇总，按时间段查询，自动计算任意时段用电量。
g. 单位能耗，自动计算单位产量能耗，并可打印及导出。单位产量能耗计算界面如图4所示。
h. 打印及导出，所有报表及界面均可打印，或以EXCEL、WORD格式导出。
图4 单片能耗报表
6 结束语
该系统已调试完毕并验收，目前已成功投入运行，系统软件画面刷新时间小于1s，遥信处理准确率大于99.9％，整个系统运行安全、稳定，极大地方便了用户的使用。
ADL导轨式电能表的应用对于准确计量电能、节省安装空间、节约工程成本，均具有现实意义，对比传统的壁挂式电度表，其体积小巧、外形简洁、接线方式灵活、安装方便，为电能管理系统的改造简单化、集中化提供了方便。
该系统完全按照客户要求对各个监控设备进行分别计算，计算共同设备的电能分摊数及单位产量能耗数，并做了分钟、小时、日、月4种类型报表。方便的电能数据库报表极大地减少了用户进行电能抄表人力的投入，为管理者进行内部计量考核提供了直观的依据，为进一步的节能管理及节能措施的实施打下了基础。
参考文献
1 任致程， 周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南. 北京. 中国电力出版社， 2007