智能安全用电节能计量管理系统在高校能源管理中的应用

2012-02-26北京建工建筑设计研究院

智能建筑与智慧城市 2012年5期

关键词：电表用电管理系统

文｜北京建工建筑设计研究院罗辉

北京城建设计研究总院有限责任公司乔丽莉

北京广发伟业电气有限公司仲冬华

智能安全用电节能计量管理系统在高校能源管理中的应用

文｜北京建工建筑设计研究院罗辉

北京城建设计研究总院有限责任公司乔丽莉

北京广发伟业电气有限公司仲冬华

建立资源节约型社会是我国经济和社会发展的一项长远的战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。本文从安全、智能、节能三方面对一套基于智能网络电表的、适合高校学生公寓使用的智能安全用电节能计量管理系统进行介绍。

1 用电的安全管理

作为密度较高的居住环境，学生公寓的安全问题非常重要，落实对学生公寓用电的安全管理势在必行。

随着公寓用电负载的多样化，白炽灯、电热毯、“热得快”、电炉等通过电阻实现发光发热、容易引起火灾的各类恶性负载电器大量进入公寓，给用电安全带来了极大的隐患；传统的专人巡检或限流功能已经无法满足公寓安全管理的需要。对恶性负载加以识别的功能经历了三个发展阶段。

（1）早期的识别方式，是在整个公寓内逐个房间地将正常负载全部接入，测定每个房间的视在功率及功率因数值，并以此数值为依据设置一个用电参数范围；当某个房间的用电参数超出此范围时，就判断该房间内使用了恶性负载。目前还有部分产品使用这种方式进行用电管理。这种识别方式的缺点是误差太大，以及由于学生公寓的负载多种多样，不同负载组合电气参数不同，而且学生随时可能新增加负载，测试工作困难重重，需要对每个房间进行独立测量。

（2）改进后的识别方式，同样以视在功率及功率因数作为识别依据，只不过由整体识别改为了单体识别，即每当用户启用一个负载时，系统就对视在功率及功率因数的变化进行检测，从而判断新增加负载的性质。这是目前国内绝大多数电控系统使用的识别方式。此种识别方式相比第一阶段有了一定的改进，但仍存在一定问题，比如无法区分用户同时启动的两个负载。

（3）智能安全用电节能计量管理系统，针对以上两种识别方式的缺点，以及近期随着电器行业的发展和国家强制性政策的实行，各电器厂家都对产品的功率因数进行补偿，使其功率因数达到了0.95以上，甚至接近1.0，导致通过功率因数进行识别很容易造成误判，将大多数正常负载判断为恶性负载的问题，采用了同时检测负载的有功功率、无功功率、交流正弦波形进行综合判断的方式，提高了判断公寓负载性质的准确性，避免了误判。

2 用电的智能化管理

随着科学技术日新月异的发展，基于全电子式计量以及现场总线的智能化远程能源综合管理系统获得了长足发展。

智能安全用电节能计量管理系统是由基表、管理终端机及服务器、通信设备及通信网络三部分组成的综合能源管理平台。

（1）基表构成

基表是整个系统的基本组成部分，采用了智能网络电表。该设备基于多功能基波谐波三相电能专用计量芯片进行研发，以该单片机为控制核心，具有数字化计量、用电状态监测等强大功能，支持远程及本地管理。其工作原理如图1所示。

基表的用电测量的流程是：由电流和电压互感器产生模拟量I（t）和U（t），而后由A/D转换器从中抽取各采样点离散值Ii（t）和Ui（t），最终由单片机内的数字乘法器据此完成瞬时功率计算。表内各用户共用一个A/D转换器和数字乘法器；一路信号采集完成后，由CPU控制选通下一路信号。根据香农采样定理，要使采样值能够完全复现被测信号，采样角频率ωs应不小于被测信号谐波角频率ω的两倍。若考虑到供电电压的五次谐波成分，则频率为50Hz的供电电压采样频率最低应为500Hz，即采样周期不长于2ms。也就是说对于周期为20ms的工频电压或电流来说，一个周期内至少应采集十个采样值。

（2）系统构成

电能智能化管理系统通过网络将各个基表采集到的数据汇集到管理终端，并根据不同的管理需求设置具体应用。系统网络拓扑结构如图2所示。

通信网络可以通过RS485总线、以太网、光纤等进行搭建。管理终端机及服务器通过安装上位管理软件，组成管理系统，可实现多点网络化管理，也可以通过各种接口与校园一卡通系统、楼宇自动化系统等进行集成。

（3）系统主要功能

智能安全用电节能计量管理系统除具备基本的远程数据传输、远程控制、限流、自动定时断送电、实时状态监测等功能外，还具备其他一些特色功能。

①电能源的纯商品化管理

系统可将电能源作为纯粹的商品进行管理——可买可退，可整电量或金额购买，可选择预付费或后付费等多种结算类型，可透支，此外，系统还可预先设置免费使用底数，设置峰谷、平尖或阶梯等多种费率及电价，进行欠费限制等。

②自动催费提醒功能

系统可通过设备报警、软件报警、语音电话、短信等多种方式自动提醒学生及时买电充值。

③多回路功能

系统可对同一公寓的多个回路，如空调、插座、照明等各回路进行各自独立的控制、统一计费。

④智能用电管理功能

系统具有智能用电管理功能，包括在线控制、定时自动断/送电、限流、恶性负载的识别及有条件放行、支持夜间手机充电及夜灯等小负载使用等。

⑤状态查询及事件记录功能

系统可以实时或定时监测每个用户的用电状态，包括累计用电量、剩余电量、电流、电压、有功/无功功率、功率因数、通断状态等，并可以自动记录十次断电事件，包括断电时间及断电前的用电状态。

⑥免费基础电量功能

系统可根据学校能源管理方案给每个用户或房间设置免费基础电量，定时自动增加。

⑦档案管理及统计查询功能

系统可建立设备档案、分区档案、用户档案、学籍信息等内容丰富、管理方便的各类档案；可按用户或时段进行售电量、用电量等各种能耗数据的统计查询，为制定高校能源管理政策提供详尽的参考数据。

⑧系统保护功能

系统在结构上采用模块化设计，强弱电系统完全隔离，并配置了大量的保护电路及防磁、防雷电路，通信模块引入了独立设计，并且凭借双CPU与双存储器协同工作保证稳定性及持续性。

⑨分级授权管理功能

系统支持各部门通过互联网访问服务器，进行能源管理工作；可为各管理员及操作员设置不同的权限，并自动记录各管理员及操作员的操作。

⑩系统集成功能

系统默认集成水、电、气、暖等多种能耗管理功能；并配备标准化接口及数据协议，可与一卡通、楼宇自控等各种系统进行整合。

3 系统的节能效果

3.1 高校节能的经济、社会效益

（1）经济效益简析

我国高校在校学生人数在2700万以上（2009年5月数据），高校是生活能耗相当高的场所。据有关资料介绍，如果全国2000多所高校都建成“绿色大学”，一年就可节约资金210亿元，节水量将超过12个亚洲最大的人工湖——北京密云水库的总水量。高校节能既是必须的，又有很大的潜力。

（2）社会效益简析

高校是育人之地，是国家培养各类高级人才之地。据统计，我国高校每年有640万毕业生走向社会；在高校开展节能教育，实施节能工作，将对高校师生形成深远的影响，带来巨大的社会效益。

3.2 智能安全用电节能计量管理系统节能效果简析

智能安全用电节能计量管理系统于2001年开始研制，于2005年获国家专利，此后又根据用户需求，在技术上进行了改进，在功能上进行了扩展，成为了“四表远程智能监控系统”，已被全国近百所高校选用。

（1）基表采用集成化管理，电表自身功耗小，节能效果显著。表1为KD型多用户集中式智能网络电表和普通IC卡电表的自身功耗比较表。由表中可见，KD型多用户集中式智能网络电表的自身功耗仅为等户数普通IC卡电表的1/8。

按我国高校在校学生人数为2700万，每五人共用一个宿舍，教职工与学生的比例为1∶12计算，如果全部采用此种多用户智能网络电表，仅电表本身的空载功耗一项，平均每年约可比采用电子卡式单表节约5202.2万度电，按每度电0.55元计算，每年约可节约2861.2万元。

（2）由于智能安全用电节能计量管理系统计量精确，管理功能科学、完善，采用该系统可提高人们的节能意识。国内某著名高校介绍的研究生院新园区，建设用地总面积1075亩，总建筑面积338557m2，共有包括教学用房、学生公寓、教工宿舍及配套用房、附属用房等在内的约25组建筑；采用智能安全用电节能计量管理系统对各建筑群进行分类管理，在公寓部分采用恶性负载系列产品，在实验室、教学用房、办公室等采用普通预付费系列产品，针对应急照明、电器、空调机组等公共用电设备采用后付费系列产品，共有计量点12000余户。采用该系统后，与使用前相比，公寓部分平均每月每户节约电量25.6度，实验室及教室平均每月每户节约电量32.8度，公共用电平均每月每点节约30.5度。