建筑施工临电智能降耗监控系统设计与实现

冯宜玺， 张文莉， 马平

（甘肃第六建设集团股份有限公司）

1 引言

随着现代科学信息技术高速进步，BIM、物联网、大数据等新兴技术的融入，使得施工现场管理更加智能、快捷、高效。对于大型建设项目而言，临时用电设施层次多、种类多、数量大，不仅增加了临时用电安全检查人员的工作负担，而且导致用电紧张，不符合绿色施工管理的要求。同时施工电力具有各种可变性、危险和临时特征。施工过程中电力事故及电气故障时有发生。施工临电成为施工现场安全隐患之一。针对以上情况，基于物联网应用的施工现场能耗计算机监控系统能为施工现场能耗计算、停电检测和用电维护提供一种有效便捷的解决方案。

2 “建筑施工临电智能降耗监控系统”简介

“建筑施工临电智能降耗监控系统”通过对施工现场硬件系统搭建、软件系统研发；采用高精度电能表和专用电能测量芯片构成的多路电能计量装置作为主要硬件；对工地多路临时用电数据进行实时监测和数据采集；对异常情况进行声光报警和用电控制；通过电力载波模块，将收集到的数据传输到主机，上位监控软件具备数据采集、数据报警、数据归档记录、web数据发布等功能；通过对工地现场各用电设备的用电情况进行实时的监控，对电力消耗进行规划与管理，降低施工工地临电系统的维护成本。

3 系统设计

3.1 设计内容

①针对建筑工地现场各用电设备的负荷统计，对设备的有功功率、无功功率以及总功率等用电参数进行计算，出于人员及设备的安全性考虑，对用电设备线缆出现漏电或超负荷运行时，漏电保护系统自动跳闸或人工拉闸。

②保证“环保、节能、降耗、低碳”原则。利用电脑编程、采集、用电量峰值、低谷及闲时各阶段（或各时段）的数据，并对数据进行比对、找出规律，指示、开启多路电源或关闭闲置电路。

③远程控制：发现危险源或缺陷及时报警，并警示通知到具体操作者安全撤离以便管理者在危险等级低时派专人手动断电；危险等级大时利用自控系统自动切断电源或单一控制箱。

④通过各时段数据比对，得到规律形成制度，可以降低一线劳动操作者的工作量。在使用负荷处于低谷时，转入自动操作模式，由机组代为值守。通过减少施工人员的工作强度来降低他们的工作压力。

3.2 设计思想

本次设计是控制中心是计算机，基础技术是物联网技术的应用，系统结构主要可以分为：现场检测单元、信号传输单元、用电控制单元、实时监控单元、无线通信单元，实现建筑工地临时用电数据的实时监测以及线路接通与断开的控制，从而完成对建筑工地能耗的计算、报警及控制任务[1]。

①通过智能电表对各设备的用电情况进行采集，采集的数据有电压、电流、电能、功率因数、有功功率以及无功功率等，通过上位机对采集的实时数据进行分析与存储，完成现场用电的监测与控制。

②工作站通过RS485与下位机进行数据连接，组态软件对各设备进行实时的监测，监测数据有电压、电流、电能、功率因数、有功功率及无功功率。

③根据各智能电表传输回来的数据，可以对建筑工地临时用电实时控制与监控，通过这些实现了施工场地临时用电质量的实时监测以及用电安全。

④先是在工作站的主机上进行数据的运算处理，接着上传到远处的手机，传输方式是无线GPRS。

3.3 系统结构

系统采用开放性和模块化设计，支持多种通讯方式，同时，系统采用纯分布式智能设计，现场控制器完全独立工作，包括以下组成部分。

组态软件：实现用户通过电脑，采用图形化的方式对现场设备的远程监测和控制。

现场控制器：实现对设备的实时监测、控制，并提供多种通讯接口。

通信网络：以太网通讯模块，实现基于Internet的远距离测控。

后备电源：掉电时为现场监控器提供电源。

3.4 用电数据采集方案

采用了在每一个一级箱加装一块高精度电能表，保证一级箱的电量采集精度，对于多个二级箱支路的参数采集，采用了多通道的电量采集模块，通道电能计量的值和高精度电能表的值进行汇总对比计算，以高精度电能表为标准，进行了多个支路数据的修正处理[2]（见图1）。

图1 现场用电采集模块安装图

3.5 无线信号传输方案

在项目实施过程当中。刚开始采用数传电台模块的应用，虽然通讯不产生资费，但是受到建筑物楼层高度的影响，信号受影响较大，最终放弃；后来尝试使用基于窄带互联技术NB IOT技术、4G通信技术；由于资费太高的原因也就放弃。最后通过实验选型，测试成功了电力载波通讯方案（见图2）。

图2 电力载波模块现场安装图

3.6 系统主要硬件

本系统所使用到的关键器件有：电能表、多路采集模块、串口转4G模块、电力载波模块等。

3.7 软件系统设计

系统开发平台采用VS2012，使用VB.Net。对于建筑工地能耗计算机监控系统的设计大致可分为四个部分：分别是系统管理权限、临时用电的实时分析、临时用电的统计分析以及系统的安全预警。

数据采集模块：完成电能表的数据采集，电压电流的显示，采集PLC的动作状态，监测供电情况；

数据显示：在主界面上通过文本、直方图等方式显示采集到的参数；

数据通讯：通过电能表通讯协议读取多个电能表的数据，通过MODBUS协议读取多个多通道模块的电参数数据；

参数设置：对系统参数进行设置。串口通讯参数、还有各个通道的电流报警值等参数；

数据归档：将采集到的数据，定周期的归档到数据库。数据写入时间为每分钟一次；

数据查询：查询系统运行的历史数据，形成报表，形成历史曲线。进行数据的统计和分析。

4 系统实现的主要功能

①本系统专门针对建筑施工场地临时用电设计了电气参数监控器，可实时监测施工场地临时用电质量，三相电压，三相电流，当前电量参数。通过电气参数的反馈，能更直观地掌握用电设施运行情况。

②本系统可智能分析当前工作状态对应的正常电气参数，当用电设施电气参数不正常时及时告警。可充分保证配电设备的安全运行，并可根据告警数据及时进行相应设备的维护，保证用电设施安全。

③本系统采用了Windows风格树状结构和拓扑结构的直观UI界面显示各回路的状态。将各用电载体合、分及告警及故障状态一目了然显示出来，操作管理人员可以直观的掌握当前整个系统的运行情况，为操作管理人员及时排除故障提供依据。

操作管理人员可快捷的通过界面对全部用电设施进行统一快捷的远程监测。采集各回路的电压、电流、功率、电能等信息，采用先进的智能采集、自动上报的方式，提高了系统反应实时性。监控中心服务器存储长期历史记录，供用户查询，实现能源使用的精细计量、分析、预测。

④遥控：即远程控制现场用电设施的开关状态。

⑤遥信：即现场设备远程报警。设备故障自动报警；电压、电流超上下限报警、缺相、三相不平衡；故障发生后，主动向监控中心值班人员发出故障报警信息。

5 系统的技术创新性与实用性

①开发的智能临电监控系统软件，可提高施工现场临电系统管理的智能化水平。

②实现了对施工现场多路电参数的准确测量，为现场合理安排用电计划提供依据。

③众多的软件功能。监测系统具有数据采集、数据显示、实时曲线、历史曲线、数据归档、数据报警等功能。可通过对临电数据的分析，找出规律，为管理者提供管理策略，实现错峰管理。

④数据网页发布等功能。基于云平台通过手机端或者其他客户端，通过浏览器就可以看到现场运行的所有的参数，大大提高工作效率。

⑤低成本高效率通讯方案的解决。通过实验选型，测试成功了电力载波通讯方案。比较完美地解决了建筑工地临时用电检测系统的通讯问题。

6 效益分析

该系统通过对施工现场临时用电能耗监控系统硬件系统搭建、软件系统研发；实现对施工现场临时用电数据实时采集、记录、归档，对供电回路进行远程控制、调度；通过对施工现场各用电设备的用电量进行实时监控，对电力消耗进行规划与管理，采取节能降耗的有效措施，节约电费，临电设备也可重复回收利用，降低工程直接成本。同时，故障报警系统可大大提高施工现场用电安全水平，减少劳动者工作时间和工作强度，提高工作效率，降低施工工地临电系统的维护成本，为项目创造良好的经济效益。

7 结语

本系统将现代信息科技与传统的施工临电管理相结合，实现对施工现场用电设备用电量的实时监控及规划管理，让临电系统实现安全、环保、节能、降耗、低碳，经济环保效益突出，具有很好的推广应用前景。