校园可视化能耗监控管理平台研究与开发

曾美霞，陈立定

（华南理工大学 自动化科学与工程学院，广州 510640）

在全球经济和科技迅猛发展的背景下，节能减排一直以来都是实践可持续发展战略的重要内容。我国的能耗比例构成中，建筑能耗已与工业能耗、交通能耗并列，成为我国能耗的三大“能耗大户”[5]。而且建筑能耗伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升正呈急剧上扬趋势。高校校园集教学、生活、科研于一体，建筑面积广、人数多、规模及能耗量大，它的节能问题也引起了各方面的重视。因此，在高校中建立可视化能耗实时监控与数据管理分析平台，对于加强校园能源的合理利用与分配，有效地实现节能，具有及其重要的意义。本系统采用VS2008的ASP.NET技术设计出了一个B/S模式的能耗管理系统，实践证明，本系统安全性高、可操作性强，界面友好，可在大型公共建筑上推广使用。

1 系统总体架构

校园可视化能耗监测管理分析系统是对校园能耗数据进行分析和管理的大型信息化平台。系统主要集成能耗监控系统和能源管理分析系统两大部分。系统的整体架构如图1所示。

图1 系统整体架构图Fig.1 System whole framework

能耗监控端主要是实时显示校园各栋楼层的能耗数据，一旦数据出现异常或者没有数据显示即时发出报警信息给系统操作人员；分析管理端通过各楼层在同一时间段的能耗量或者同一楼层在不同时间段的能耗数据进行分析，总结出校园能耗规律，同时及时采取有效的节能措施改善高能耗楼层的能耗总量。

2 能耗监控管理系统

2.1 用户权限管理

权限的控制能有效地防止非法用户访问系统资源和合法用户非法使用资源，是实现既定安全策略的系统安全技术。基于角色的权限控制模型目前已作为国际规范被广泛应用，但是它采用的是集中管理模式，系统权限的所有管理能力都集中在系统管理员身上，管理员必须承担所有管理责任，同时每当有用户的调动、加入或者离开，权限的管理都必须通过管理员来实现，这使得访问控制缺乏灵活性。因此，本系统采用了基于组角色的访问控制模型（GRBAC），它有效地改善了基于角色的权限控制模型中的不足之处，其模型图如图2所示。

图2 基于组的安全访问控制模型Fig.2 Security acess control model based on group

GRBAC模型包括五个元素：用户、用户组、权限、角色以及会话。在GRBAC中，用户组是权限的拥有者，一个用户归属于一个用户组就具有该用户组的权限。系统管理员具有最高权限，负责建立起初始的权限体系结构。系统管理员建立用户组，并未用户组指定权限和建立用户，同时为用户组指定具有管理员角色的用户。访问控制管理中，一个用户组可以对应多个用户，一个用户只能对应一个用户组。一个用户组可以对应多个权限，而一个权限可以对应多个用户组。在图中用不同的箭头表示。需要指出的是，图2中的用户组相当于RBAC模型中的角色，图中的角色特指用户是否为其权限的管理者。

2.2 能耗监控系统

能耗监控系统主要用于实时监测[3]高校内各楼层的能耗数据以及各设备的运行状态，包括区域用能监控与报警系统和设备状态监测与控制系统两部分。

2.2.1 区域用能监控与警报

实时监测各区域/房间的用能情况，监测界面的背景图为高校的平面图，通过点击楼层对应的图片就能链接到不同的楼层，进而显示该楼层各个房间的能耗数据以及楼层的总能耗。系统预设能耗报警的条件，当能耗量超过了正常值时系统发出警报，提醒操作人员进行相关操作；同时系统还能对不正常的能耗使用情况进行报警（如下班了未关空调或者照明还开着等），降低能源泄露所造成的浪费。

2.2.2 设备状态监测与控制

监测设备的实时运行情况，当设备出现故障时即时发出报警信息，降低设备维护成本；通过设定多种控制策略（温度、时间、人员流量等）根据不同情况及外部环境条件自动控制设备的开启数量，以此降低能耗，延长设备的寿命。

2.2.3 监控日志

在系统运行过程中，系统能自动生成监控日志，并将相应的信息存入数据库。通过Gridview控件绑定相应的数据库，系统管理员就能很方便地在可视化界面查看系统的历史报警信息、错误事件发生的时间、处理方法及处理结果等。

2.3 能源管理系统

2.3.1 用能统计分析

用能统计分析部分主要包括三个子模块，能耗分类分项对比[4]排名模块、设备能效比分析模块以及计费管理模块。在能耗分类分项对比排名模块中，用户可以通过时间、区域、设备类型、统计类型、能耗分类等多种不同的维度对所采集的能耗数据进行统计并对比排名。微软的Visual Studio开发工具提供了Chart控件，该控件是公开事件的图表对象，既可以动态地绑定数据，也能应用DataBindings等属性直接绑定到数据库[1-2]。此外，Chart控件还可以绘制条形图、饼状图、折线图等，能非常直观地展示不同区域设备的能耗比例。图3是根据用户自由选取房间号和特定时间段所形成的日耗电量条形对比图。图4是与图3对应的日耗电量折线对比图。

图3 电耗量条形对比图Fig.3 Bar chart of power consumption comparision

图4 电耗量折线对比图Fig.4 Polyline of power consumption comparision

设备能效比分析模块主要是对投入运行的设备能耗量进行统计，并分析历史能效比的变化，与该设备的标称能效比进行对比，当两者之间的差值很大时，根据建筑的外界环境和内部的能耗需求，对设备的选型进行优化。计费管理模块对区域的各类能耗用量进行统计，按照用户的需求生成各种形式的报表，并打印账单，为校园能耗管理制度的执行提供准确依据。

2.3.2 能耗评估审计

辅助执行用能审计与用能评级，分析各栋楼层的能耗情况，对各楼层或课室进行能耗建筑排名，排名依据为

其中：C为加权总能耗量；P为人均能耗量；α为人均能耗量的加权因子；S为面积评级用量；β为对应的加权因子。给予C值小的建筑适当的奖励，而C值大的建筑则给予通报批评等，从而激励学生或校园工作人员提高节能意识，间接地在一定程度上实现节能。

2.3.3 自适应的节能优化控制策略

该模块的主要功能体现在空调系统和照明系统上。系统运用人工智能优化技术，实时采集空调系统的各个运行参数和室外气象数据，当负荷变化时，自适应地调整空调系统的运行参数，协调控制各空调设备的运行状态，从而实现冷热源能量输出的最优化控制；同时系统利用数字化负荷随动控制理论，通过采集的空调系统各个设备的多种变化参数，对负荷进行随动跟踪，自动、准确、及时地对设备实现了实时优化控制。而本系统中的照明系统利用了市场上流行的智能照明控制装置（西门子的产品），通过光电感应开关测定工作面的照度，与设定值进行比较来控制照明的开关，最大限度地利用自然光，达到节能的目的。考虑到建筑物内越靠近窗的地方自然光的照度越高，人工照明提供的照度就越低，合成照度应维持在设定照度值，因此还需要解决人工照明的补偿问题。但是由于要补偿多少会随着光源的使用、光源的光输出衰减等而发生变化，这使得控制器很难精确地提供一个控制数值。为此，本系统采用了一个基于遗传算法的RI模型，通过该模型，系统在使用光电感应器测得室外阳光的垂直照度的条件下直接获得室内工作点的照度，进而自适应地调整照明设备的数量。

2.3.4 报表管理

报表管理模块的设计为管理员或其他操作人员查看及导出或者打印历史能耗数据信息带来了极大的方便。操作人员可以选择不同的时间段或不同楼层按年、月、日或者周查询。图5是将所选楼层在所选的时间段内的历史能耗数据导出到Excel表格的结果示意图。

图5 报表导出Fig.5 Report export

3 能耗计量系统

本系统的能耗计量部分采用了两级网络模式实现数据从计量表末端（水表、电表等）到可视化能耗监控界面的传递。

第一级为各计量表与数据采集器之间的数据通过M-Bus总线实现传输。M-Bus总线又称为用户仪表总线，是一种专门为消耗测量仪器和计数器传送信息的数据总线设计的。M-Bus总线在建筑物和工业能源消耗数据采集有多方面的应用。M-Bus总线具有布线简单、拓扑无关、在线供电、抗干扰强等特点，它的提出满足了公用事业仪表的组网和远程抄表的需要[6]，同时还能满足远程供电系统的特殊要求，可以在几公里的距离上连接几百个从设备，应用前景非常广泛。

系统的第二级网络为数据集中器与可视化能耗监控平台的数据通信。由于计量系统的集中器采用了模块化设计，因此与监控管理平台可以灵活地采用串口通信方式、无线接入网络方式、光纤以太网等多种数据传输形式。考虑到实际集中器设置焦点且与主站数据采集服务器连接距离较远，结合数据传输稳定性的需要，本系统采用了以太网方式进行第二级的数据通信，实现数据的传输。

4 结语

本系统采用B/S结构开发了校园可视化能耗监控管理平台。B/S结构是对C/S结构的一种改进，在该结构下，本系统的监控界面通过www浏览器实现，只有极少部分的事务逻辑是在前端（Browser）实现，大部分事务逻辑都是在服务器端（Server）实现，大大简化了客户端电脑载荷以及系统维护和升级的成本和工作量。系统结合DHTML、Javascript、SQL语言等多种技术实现了对实时能耗数据的采集、监测与管理，有效达到了节能目的。同时系统还提供了报警处理，历史数据存储，数据报表的导出与打印等多重功能。目前该系统已投入到广州某高校的能耗监控管理平台中使用。实践表明，该系统运行稳定，安全实用可靠，具有广阔的工程应用前景。

[1]Chris Ullman，Chris Goode.ASP.NET入门经典.C#编程篇[M].北京：清华大学出版社，2002．

[2] 张志强，陈永强.SQL Server 2005 Web应用开发[M].北京：清华大学出版社，2008．

[3] 鲍威尔.Ajax完全手册[M].北京：电子工业出版社，2009．

[4] 刘洋，杨海滨，马金星.基于能耗监测系统与建筑分项能耗模型的校园建筑能耗分析[J].中国建设信息，2012（16）：62-67．

[5] 郑明明，陈硕.建筑能耗监测平台的研究[J].建筑节能，2009，37（9）：65-66．

[6] 吴海峰，李德敏，邹剑.基于M-Bus的智能水表数据采集器的设计[J].通信技术，2011，44（10）：97-98，101．