建筑机械设备电气工程自动化的供配电节能控制分析

阎保华，吕新华

（潍坊工程职业学院，青州 262500）

0 引言

电气工程自动化是一门综合性极强的学科，同时涉及电力电子、电机电器、机电一体化、信息与网络控制等多项应用技术，其主要特点在于可将软硬件与强弱电完全结合起来。近年来随着全球化经济体制的快速发展，各大城市都在积极进行着城区的建设与规划，一大批新型建筑开始投入施工，城镇的平均建筑面积也随之不断增大，城市化建设能力呈现逐年攀升的变化状态[1]。

建筑能耗主要是指建筑机械设备运行过程中的能源消耗量，包括家用电器、照明、炊事、热水供应、暖通空调等多方面消耗要素。根据国家的相关规定，建筑机械设备的供配电节能改造由可再生能源利用、能耗监测系统、照明系统、电气工程自动化、外围护结构五部分组成。其中，电气工程自动化是建筑机械设备供配电节能控制的改造重点，是节能潜力相对较大的实用研究方向。

1 建筑机械设备的电气工程自动化网络

建筑机械设备电气工程自动化网络可在中央控制设备与现场控制设备的支持下，对建筑设备的功能及特点进行详细说明，具体搭建方法如下。

1.1 中央控制设备

在建筑机械设备的电气工程自动化网络中，中央控制设备选择一级控制器运行方式时，需要从以太网及ARCNET网两方面同时考虑。中央控制设备的主要功能是接收电气工程自动化程序的协调与调度指令，从而使得网络子程序的控制需求得到满足。建筑机械设备中央控制器具备微型计算机的绝大多数执行功能，可在CPU与处理器元件的作用下，实现对自动化接口的转接处理。与此同时，该类型控制设备还具备与下级供配电节能元件相连的能力[2]。另外，由于控制器与后备电源的存在，在特殊情况下，中央控制设备可利用后备电源中的剩余电量进行建筑施工。表1为几种电气工程自动化中央控制设备的性能特点。

1.2 现场控制设备

现场控制设备可在建筑机械电气工程自动化网络中对子系统主机进行智能化调试，并能够按照中央控制设备的连接需求，对相关供配电节能数据进行随机化存储。若一级控制器出现运行故障，二级控制器可在常规控制范围内保持正常运行状态，从而实现供配电节能信息的网络化共享。现场控制设备具有ROM、随机存取存储器、CPU等多种应用型接口，在实施电气工程自动化方案时，处于该体系中的控制设备元件具有程序共享的能力。因此，所有现场控制设备都必须配置有独立的备用电源，在实施建筑机械设备施工时，现场控制设备可与中央控制设备一起，形成独立的供配电节能调试体系[3]。设v0代表最小的电气工程自动化控制系数，vn代表最大的电气工程自动化控制系数，n代表建筑机械设备的电气化权限量。联立上述物理量，可将电气工程自动化网络中的现场控制设备连接指令定义为：

表1 电气工程自动化中央控制设备的性能特点

式(1)中，X代表一级控制器的供配电调节系数，x代表二级控制器的供配电调节系数，H代表一级控制器的节能控制需求指标，h代表二级控制器的节能控制需求指标，c代表建筑机械设备的电气化执行权限，∆M代表单位时间内建筑机械设备的电气工程调试量。

1.3 建筑功能与特点说明

建筑机械设备电气工程自动化网络的应用工程由地面、地下两部分共同组成。其中，地面部分主要涉及办公楼、机床主机、柜式处理器等多个功能结构。由于建筑空间关联性的影响，办公楼之间始终保持一定的物理间距，且随着建筑工程占地面积的增大，楼宇之间的实际距离会呈现不断缩短的变化趋势。机床主机主要位于办公楼之中，可对相关建筑机械的运行能力进行记录，并可在传输导线的作用下，将这些信息反馈至相关应用设备结构体之中[4]。柜式处理器具备较强的物理适应性，可根据机床主机的连接形式，改变其自身的应用规划能力。地下部分则包含各类连接传输线，一般情况下，主要存在于个别建筑设备节点之间，可将相关电气工程自动化信息从一个设备位置传输至另一个设备位置。详细的建筑功能及其特点说明情况如表2所示。

表2 建筑功能及其特点说明情况

2 供配电节能控制方法

在建筑机械设备电气工程自动化网络的支持下，按照供配电平台搭建、控制执行功能软件连接、节能管理上机位调试的处理流程，完成建筑机械设备电气工程自动化的供配电节能控制分析。

2.1 供配电平台的选择与搭建

建筑机械设备电气工程自动化网络的供配电平台由高压配电柜、低压配电柜、直流屏、EPS等多个设备结构体共同组成。其中，自动化主机可在建筑信息通讯线的作用下联合UPS设备与机械变压器，对下级供配电元件进行节能调试，并将建筑信息数据反馈至直流屏中[5]。低压配电柜位于供配电平台顶层，可对高压配电柜发出电量调试指令，并可借助EPS元件实现对建筑机械设备能耗量的节能化控制。一般情况下，自动化主机多选择型号为STM32F103VBT6的供配电调试芯片，能够根据低压配电柜、高压配电柜的连接表现形式，更改主机接线柱的实际控制位置。

图1 供配电平台结构图

2.2 控制执行功能软件

建筑机械设备电气工程自动化可对供配电节能设备的末端节电进行直接控制，且能够通过微处理器芯片，实现对I/O输出信号的调试。一般情况下，在整个节能调控过程中，供配电继电器与接触器始终保持兼性相连的应用状态。出于实效性考虑，控制执行功能软件必须同时具备建筑内照明设备、特殊用电设备、分散式空调、办公设备等多项自动化调试能力，且相应功能软件的设计与实现需要遵照建筑机械设备电气工程自动化的具体需求测量进行调试与编译[6]。图2反应了完整的控制执行功能软件连接流程。

图2 控制执行功能软件连接流程图

2.3 节能管理上机位

建筑机械设备电气工程自动化网络的节能管理上机位开发采用易控的软件操作平台，可在已知控制执行功能软件连接需求的基础上，建立全新的组态软件或人机界面。节能管理上机位能够独立完成供配电信息的监控与调试，它能从建筑机械设备中采集各类应用信息，并将其以图形、图像等比较直观的方式表现出来。通常情况下，在节能管理上机位节点的作用下，电气工程自动化 网络可对建筑机械设备进行实时监控，并可将各类信息分别存储于数据库软件之中。设s0代表最小的建筑机械设备自动化调试系数，sn代表最大的建筑机械设备自动化调试系数。在上述物理量的支持下，联立式(1)，可将节能管理上机位连接条件定义为：

其中，φ代表建筑机械设备的供配电节能系数，β代表特定的建筑工程耗能控制条件，l1、l2分别代表两个不同的建筑机械设备耗能量。至此，完成各项物理系数指标的计算与处理，在不考虑其他干扰条件的情况下，实现建筑机械设备电气工程自动化供配电节能控制方法的顺利应用。

3 实用能力分析

为验证建筑机械设备电气工程自动化供配电节能控制方法的实际应用价值，设计如下对比实验。以图3所示的建筑机械设备作为实验对象，分别利用实验组、对照组方法对建筑机械设备的电气工程能耗量进行控制，其中实验组采用电气工程自动化供配电节能控制方法，对照组采用传统节能控制方法。

图3 建筑机械设备

IPU指标能够反应建筑机械设备电气工程的运行电耗成本，一般情况下，IPU指标数值越大，建筑机械设备电气工程的运行电耗成本也就越低，反之则越高。下表记录了实验组、对照组IPU指标数值的具体变化情况。

表3 IPU指标数值对比表

分析表3可知，随着建筑物间距间距的增大，实验组IPU指标数值始终保持不断上升的变化趋势，整个实验过程中的最大数值结果达到了65.8%。对照组IPU指标则保持先上升、再稳定、最后下降的数值变化趋势，整个实验过程中的最大数值结果仅能达到41.5%，与实验组最大值相比，下降了24.3%。综上可知，应用建筑机械设备电气工程自动化供配电节能控制方法后，IPU指标数值会随建筑物间距的增大而不断上升，能够较好控制建筑机械设备电气工程的运行电耗成本。

TSR指标能够描述建筑物的用电能耗比情况，一般情况下，TSR指标数值越大，建筑物的用电能耗比水平也就越高，反之则越低。下表记录了实验组、对照组TSR指标数值的具体变化情况。

表4 TSR指标数值对比表

分析表4可知，随着建筑物间距值的增大，实验组TSR指标出现先上升、再稳定的数值变化趋势，整个实验过程中的最大数值结果达到了83.8%。对照组TSR指标则始终保持上升、下降交替出现的数值变化趋势，整个实验过程中的最大数值结果达到了65.8%，与实验组最大值相比，下降了18.0%。综上可知，应用建筑机械设备电气工程自动化供配电节能控制方法后，TSR指标数值也会随建筑物间距的增大而不断上升，能够促进建筑物用电能耗比水平逐渐趋于稳定。

4 结语

在电气工程自动化原理的作用下，建筑机械设备的供配电节能控制方法可联合中央控制元件与现场控制元件，搭建稳定的供配电平台，且由于控制执行功能软件的存在，节能管理上机位节点能够得到较好调试。从实用性角度来看，IPU指标数值与TSR指标数值的增大，能够在控制建筑机械设备电气工程运行电耗成本的同时，提升建筑物的用电能耗比水平，符合供配电节能控制的实际应用需求。