数字化升级中楼宇智慧能耗管理系统设计
2023-01-03南京信息职业技术学院胡峰陈恺
南京信息职业技术学院 胡峰 陈恺
智慧能耗管理系统充分运用现代化物联网技术、人工智能技术手段，以云平台媒介，辅以数据挖掘、现代统计学分析、运筹优化等技术手段，实现从楼宇实时用能监测、用能数据智能分析、智能告警到智能调节的能耗数据反应链的监管[1]。真正意义上可实现实时监测与测量能耗信息，是节能减排目标实现的有力保障。
当今社会下，节能减排已然成为最受关注的社会热点问题之一，双碳战略作为国之大计不仅是我国体现大国担当的重要举措，也是为了契合我国的国家安全与可持续发展战略，对人类的生存环境、对各行各业有着深远的影响。
当今城市内的很多楼宇在外观结构上相比以往已经有了质的飞跃，而内部电器的智能化程度并不是很高，很多设备在非必要环境下依然持续运行，产生较多的冗余用电情况；同时目前大部分楼宇对于用能监管情况的体制比较落后，这是现代楼宇实现智能化进程中的一大障碍，所以建设一套体系完整的楼宇能耗管理系统是非常有必要的。
1 课题研究基础和意义
近年物联网技术飞速崛起，为建设智慧能耗系统提供了良好的技术基础和研究环境，以及非常可观的市场前景，推进楼宇的智慧能耗系统是现代化楼宇发展的必然结果。智慧能耗系统利用传感器在各个用能节点将能耗数据进行采集，发送回云端服务平台进行存储与分析，实时对整个用能过程进行监控，根据各节点不同状态下的用能需求，智能化调节各个节点的用能方案，挖掘节能的潜力[2]，对能源管控实现自动智能化管理，减少了能源管理的人力成本，降低不必要的能源消耗，最大限度的提高能源利用率，提高环境质量，最终达到节能降耗的目的。
但目前我国现代楼宇数量不断增加，楼宇内部的能耗设备的规模也进一步大幅度提升，传统的平台已经难以满足简单的数据采集、通信、存储、分析工作，并且存在灵活性较差、鲁棒性较差、系统部署相对复杂等问题[3]，所以本课题提出在云组态管控架构下，搭建一种新型的楼宇能耗管控系统。
2 系统功能需求分析
智慧能耗系统主要针对写字楼中常涉及到的灯具、空调及电梯等重耗能设备，根据功能拆分梳理，保证不同模块的边界，在各模块中完成各种任务的开发然后与实际设备进行对接。整个系统按主要包含以下几个模块：
（1）能耗数据采集模块。能耗数据采集功能是系统最基本的功能了，能够明确各设备的耗能情况，一般包括电能耗和水能耗监测。
（2）能耗数据分析模块。可对历史用能情况进行查询，以图表对比的方式呈现耗能趋势；进行综合用水、用电等数据的分析。
（3）能耗诊断优化模块。自动检测各设备状态并自动生成报表，根据预设的诊断依据检测设备耗能情况给出诊断结果，对耗能设备进行优化控制，诸如自动灯控、自动中央空调。
（4）告警模块。对不正常的操作以及能耗使用事件进行告警，包括时间、告警级别、告警类型、告警内容。
3 能耗管控系统详细设计与实现
3.1 系统总体设计
整个系统的框架图如图1所示，在这个系统架构设计中分为应用层、平台层、网络层和感知层4个层面。应用层是用户直接接触的前台层次，所有的图表数据显示以及用户操作都在该层完成，主要使用HTML5、VUE等技术在B/S网络架构下进行开发，对不同的用户终端都有良好的兼容性；平台层为软件的后台层次，所有的数据分析存储、诊断报告和优化方案的生成、告警的生成都在该层完成，使用Java语言对其进行开发；网络层是链接软硬件的纽带与桥梁，利用无线或有线等实时通信技术进行数据的传输，保障整个系统的顺利运行；感知层为最底硬件层，通过智能水流计、气流计、电能计等传感器设备收集耗能设备数据和控制调节耗能设备的能耗[4]。
图1 整体系统架构图Fig.1 Overall system architecture
3.2 耗能数据采集模块的设计
（1）耗能数据表单设计。
能耗数据采集模块的数据库字段设计如表1所示。
表1 智能终端信息采集字段设计表Tab.1 Intelligent terminal information collection field design table
（2）传感数据采集部分代码：
void get_sensor(SensorType type)
{ switch(type) {
case Kongkai_Sensor://当前空开电流传感器
read_io =Switching_Value();
mb_funcdisc_states.val.disc_BIT0=(unsigned)read_io; break;
case Voltage_Sensor://当前空气质量传感器
vol =Get_Voltage();
inbuf[1]=vol; break;
case TemHum_Sensor://当前温度传感器
call_sht11(&sensor_tem, &sensor_hum);
holdbuf[0]=(u16)(sensor_tem<<8)+sensor_hum; break;
case LED_Sensor://当前温度传感器
read_io =Switching_Value();
mb_funcdisc_states.val.disc_BIT0=(unsigned)read_io; break;
...}
3.3 耗能数据可视化
该模块使用SQL Server从上一模块中取得采集到的数据进行汇总计算，生成实时功率、实时水流量、分时用电量、分时用水量、总用水量、总用电量等数据，并以图表的方式呈现给前台用户；并在后台生成统计报告的图表，以详细的时间、空间等维度构建二维图表，再辅以细致的条目显示来完善数据的统计。
数据对接部分代码：
void USART2_IRQHandler()
{{Uart2_Buffer[Uart2_Rx]= USART_Receive Data (USART2); //接收数据并
Uart2_Rx++; //存储 }
if(Uart2_Rx>50){
for(n=0;n<50;n++) //对我们接收到的数据进行一位一位的进行比对
{if(Uart2_Buffer[n]==0xDD&&Uart2_Buffer [n+1]==0x01&&Uart2_Buffer[n+2]==0x06&&Uart2_Buffer[n+3]==0x01&&Uart2_Buffer[n+5]==0xEE){//对数据进行判定
humi=Uart2_Buffer[n+4]; //将发过来的数据进行接受赋值
printf("用电量为：%.2f ",RoomKK101);//打印到串口方便调试}
if(Uart2_Buffer[n]==0xDD&&Uart2_Buffer [n+1]==0x02&&Uart2_Buffer[n+2]==0x06&&Uart2_Buffer[n+3]==0x01&&Uart2_Buffer[n+5]==0xEE)
{temp=Uart2_Buffer[n+4];
printf("电压为：%.2f ",voltage); }
if(Uart2_Buffer[n]==0xDD&&Uart2_Buffer [n+1]==0x03&&Uart2_Buffer[n+2]==0x06&&Uart2_Buffer[n+3]==0x01&&Uart2_Buffer[n+5]==0xEE)
{beam=Uart2_Buffer[n+4];
printf("101室温湿度：%.2f，%.2f ",sensor_tem, sensor_hum);
}}
4 耗能分析及智能联动模块设计
4.1 耗能数据诊断优化模块设计
该模块根据能耗数据分析模块的分析结果，进行能耗方案的调节，对无需在线设备进行休眠、对无需满负载运行的设备进行电流电压的调整，降低运载负荷从而达到节能的目的。数据分页多线程处理代码段：
public static List
{int _PageIndex = PageIndex == 0 ? 1 : PageIndex;
int _PageSize = PageSize == 0 ? 20 : PageSize;
int PageConut = (int)Math.Ceiling(Convert.ToDecimal(_list.Count) / _PageSize);
if (PageConut >= _PageIndex)
{List
list = _list.Skip((_PageIndex - 1) * PageSize).Take(_PageSize).ToList();
return list; }
Else
return _list;
}
4.2 灯光智能联控模块
结合人体红外感知传感器，在智能楼宇管控平台中实现传感与能耗设备间联动控制，实现人在灯亮，人走灯灭的节能效果。
execute = function(metabox)
local message = "" --metabox.devices('灯2. LEV').switchSelector(1)
for i, deviceToCheck in pairs(devicesToCheck) do
local name = deviceToCheck['name']
local threshold = deviceToCheck['threshold']
local minutes = metabox.devices(name).last Update.secondsAgo
if ( minutes > threshold) then
metabox.devices('智能空开.Line.17.Status').switch Off().
metabox.devices('灯2.LEV').switchSelector(100)
4.3 空调智能联控模块
中央空调作为现代楼宇中一项重要的能源支出，在此次升级改造的能耗系统中也是重中之重。通过读取设备温湿度传感器或增设空间温湿度传感器，感知环境温度变化，设定阈值后，根据阈值联动空调待机或运行，可有效节能。
execute = function(metabox)
local message = "" --metabox.devices('温湿度传感.LEV').switchSelector(2)
for i, deviceToCheck in pairs(devicesToCheck) do
local name = deviceToCheck['name']
local threshold = deviceToCheck['threshold']
local minutes = metabox.devices(name).last Update.secondsAgo
if ( minutes > threshold) then
metabox.devices('智能空开.Line.17.Status').switchOn().
metabox.devices('空调红外.LEV').switchSe le ctor(300)
5 结论
通过物联网设备和可控物联网平台的加入，完成某写字楼的数字化升级改造。本文主要解决改造过程中的能耗管控问题，针对能耗具体设备以及时间、空间分布，按照不同模块去设计，并实现数据采集、数据分析、诊断优化、灯控、中央空调、智能能耗告警等一系列功能，让楼内的能源使用情况可视化呈现，并让能源的消耗可控化，降低非必要的能源消耗，提升能源的利用效率，最终达成节能的目的，同时可与其他子系统进行联动，构建一个完整的楼内智能生态系统。
引用
[1]蔡国荣.楼宇能耗智能管理平台关键技术研究与应用[D].上海:上海第二工业大学,2020.
[2]王恒强.建筑能耗监测系统的设计与实现[D].南京:东南大学, 2019.
[3]杨俊杰.大型楼宇智慧能耗系统应用技术分析[J].现代建筑电气, 2020,11(11):40-46.
[4]吕朝磊.智能楼宇能耗监测系统的研究与应用[D].兰州:兰州理工大学,2018.
