智能建筑电气监测与控制系统设计研究

刘富强

（中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054）

0 引 言

随着电气技术、网络技术及控制技术的不断发展，智能控制成为未来建筑发展的重要方向之一，特别是商业大楼、图书馆、体育馆等公共建筑对电气智能化的要求更高且多样。智能建筑电气系统是现代技术发展的产物，其系统结构复杂，涵盖了建筑电气技术、电子技术、自动控制、计算机科学等学科内容，属于复杂的系统工程。优良的智能建筑电气系统可以很好的提高建筑服务品质，提供更舒适、安全的办公和生活环境[1]。文中针对建筑智能电气系统，阐述了其主要构成结构，并对其涉及的关键子系统进行了分析。

1 智能建筑电气系统结构

智能建筑的电气系统主要由3大子系统构成，包括楼宇自动化子系统、通信子系统、办公自动化子系统，系统集成中心负责连接和控制3个子系统，智能建筑电气系统结构如图1所示。其中，楼宇自动化系统是整个建筑智能化控制的基础设施，主要负责控制或管理智能建筑中的各类机电设备，如供配电设备、安防设备、给排水控制及照明等[2]。该系统利用现代网络技术和计算机技术，完成对各个子设备的集中管理和分级控制，将各子设备之间产生关联。

图1 智能建筑电气系统结构

通信子系统是整个智能电气系统的重要组成部分，负责实现各子设备间的信息传递，除了负责完成采集数据的传递外，信息系统同时要具备传递图像、语言、文字的功能。通信系统主要分为有线通信和无线通信两个主要通信方式。办公自动化系统的主要任务是办公管理、信息公告、会议管理及线上服务等，具备多个功能模块的划分，实现整个办公系统的自动化和智能化，同时保证整个办公系统的安全性和实时性。

2 供配电系统

2.1 负荷等级划分及核算

住宅建筑的电气载荷按设计要求划分为了3个等级。以一类高层建筑为例，其供配电和消防应急照明要求等级均较高，对于一类高层办公楼，1～9层的楼梯、饮用水泵、污水泵、通道照明灯灯供电设备，需要按照一级载荷标准进行设计，10～13层的电梯、消防通道及住宅通道需要按照二级载荷标准设计，其他供电电气设备可按照三级载荷标准设计。对于大功率设备的载荷计算问题，一般需要对载荷的有功功率Pjs、无功功率Qjs、视在功率S核算，计算公式为[3]：

2.2 供配电监测

供配电监测主要包括电能统计、供电回路状态监测以及电气设备状态监测。电能统计主要指对用电量数据的采集，对于10 kV高压侧电路，其用电计量由专门的电业部门负责。低压侧用户端配置计量表，并根据用户需求对配电箱电表进行分表配置。供电回路状态监测主要是实现对电路回路的电压电流信息进行采集，为电能统计提供参考数据，并监测电路回路的状态，及时发现和排除线路故障。电气设备状态监测主要是实现对各类高压供电设备的状态监测，当有设备发生故障时，能够及时发现故障状态，并发出报警信号，对各类故障进行类型、位置等信息的辨别。

3 照明控制系统

照明控制系统是建筑电气系统中耗电量最大的子系统之一，对于改善照明环境和实现照明节能具有重要意义。照明控制系统需要根据照明目的和环境因素进行科学控制，照明控制可以分为两大类，包括环境照明控制和节能照明控制，根据照明具体需要，实现照明在舒适度和节能两个方面达到均衡。主要的照明控制方案包括波动开关控制、定时控制、断路器控制、光电感应控制及智能控制等方法。波动开关方式是使用率最高的方式之一，可实现对单个或多个灯具的同时控制，也可在楼梯过道处设置双开关或多开关联动控制。波动开关电路复杂且线损较高。定时控制是根据照明时间需求，对灯具进行定时的开启和关闭，实现了照明节能，但照明时间不够灵活，无法自适应环境的变化。光电感应控制主要是通过实际照度与预设照度的对比值进行照明开关的控制，具有较好的节能效果。智能控制是以声、光、红外感应、视频图像等信息为输入量，通过人工智能算法对照明进行综合评估，实现输出照度、舒适度、节能等指标的最优控制，是未来照明发展的重要方向之一。

实际上，智能照明控制方案主要可以分为两大类，一类为直接数字控制，另一类为总线分布式控制。直接数字控制方案是将智能照明与其他智能系统一起接入集中监控系统，集中监控系统利用接触器来控制供电回路的开合。此类控制方案结构简单，但系统工作可靠性偏低。总线分布式控制方案将接触器进行模块化设计，通过现场总线与智能开关连接。该方案线路集成度高，且具有较高的运行稳定性，易于系统扩展，在智能建筑中得到广泛应用。总线分布式智能照明控制结构如图2所示。

图2 总线分布式智能照明控制结构

4 安防监控系统

智能建筑安防系统主要包括视频监控、门禁系统、紧急报警按钮及电子巡更等部分。其中，视频监控系统是最为直观的监控手段，主要由视频图像采集前端、图像传输线路、控制器、显示和存储等部件构成[4]。监控摄像机被安置在监控区域，实时对监控区域进行图像采集，并将获得的图像音频信息传输至控制中心。

门禁系统是目前智能建筑必备的安防设施之一，主要包括前端感应装置、执行装置、后台控制和存储设备。控制方式分为单向感应和双向感应两类，智能建筑的门禁系统一般具有智能管理策略，既能进行在线实时控制，也可以进行离线状态下运行。授权用户一般会分配一张智能卡或者其他能够识别身份的软件识别码。门禁系统会对每次访问的时间、位置、卡号等信息进行记录和存储，并对用户请求进行辨别和响应。

紧急报警按钮主要被安置在一些特殊场合位置，在发生紧急情况时，可以触发报警按钮，以便控制中心的安防人员第一时间获得报警信号。一般紧急按钮分布在出入口、机房、岗亭、电梯、卫生间等位置。

电子巡更系统可对巡更点、巡更状态及人员进行电子表示，用于保证巡更路线的落实和对巡更值班制度的监督，并将巡更过程中发现的问题进行反馈，电子巡更点一般可分为建筑内和建筑外两部分。

5 结 论

文中在分析建筑智能电气系统结构的基础上，对其供配电监控系统、照明系统和安防系统进行了具体描述，智能电气对实用性、稳定性、智能化具有较高的要求，需要综合整个建筑的多方面使用需求，构建一套复杂的智能控制系统。智能建筑将成为未来建筑的重要发展方向之一，我国目前智能建筑起步相对较晚，建筑智能化水平相对偏低，仍留有很多智能化电气方面的问题有待进行进一步的研究。