公共建筑用能监测系统故障分析与修复方法综述

王立业

国检测试控股集团上海有限公司

0 引言

公共建筑用能监测系统于2007 年开始建设，前期主要以北京、天津、深圳、上海等地作为试点城市推行建筑能耗监测体系的建设。截至2021 年底，上海市累计联网的建筑数量已有2 143 栋，覆盖建筑面积约10 101万m2。

2018 年，上海市启用了新的DGJ 08-2068—2017《公共建筑用能监测系统工程技术标准》，强化了分类分项计量的要求，增加了计量点位设置、系统构成等内容，并且对系统监测和验收等进行了细化。本文就近几年的工作经验，从故障分析与修复方法总结的一些经验进行综述。

1 公共建筑用能监测系统现状

公共建筑用能监测系统主要以服务器、通信设备和计量设备为基本工具，一般分为三层：

1）数据应用层

数据应用层主要针对公共建筑用能监测系统的管理维护人员，是人机交互的直接窗口，也是系统的最上层部分。数据应用层主要由系统软件和必要的硬件设备，如工业级计算机、打印机、UPS 电源等组成。

2）传输通信层

传输通信层应由采集设备、以太网设备及计量设备通过通信总线连接的网络组成。该层是数据信息交换的桥梁，负责对计量设备回送的数据信息进行采集、分类和上传等工作。采集设备是系统数据处理和智能通信管理中心，具备了数据采集与处理、通信控制器、前置机等功能。

3）计量设备层

计量设备层是能耗数据计量终端，主要由各类智能仪表组成。智能仪表负责最基层的数据采集任务，其计量的用能数据必须完整、准确并实时传送至采集设备。

2 公共建筑用能监测系统故障分析

公共建筑用能监测系统的故障往往体现于上传数据的异常现象。数据异常判定主要以《上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统数据(用电量)采集判定要求》给予判定。常见的异常现象有无数据、数据缺项、数据缺失、数据过大或过小、分项之和大于或小于总项等。

2.1 现场勘察与排摸

为了更加精确定位系统故障原因，需要根据公共建筑用能监测系统异常现象，结合业主及物业管理人员所提供的系统运行情况，再对现场进行实地勘察与排摸。主要内容如下：

1）核查建筑的基本情况包括建筑名称、地址、面积及功能等有无更改。

2）建筑近期有无网络结构更改及配电系统更改等。

3）采集网关与计量设备之间通信是否正常，通信线缆是否损坏、接入点有无接触不良等情况。

4）系统运行情况分析包括设备有无损坏、数据采集上传是否正常、计量点位是否齐全、系统运行是否正常等。

5）对于采用原有电力监测系统数据的建筑，需要核查包括数据采集模式、采集/计量设备型号、品牌、数量等，并列出清单、计量点位清单，还包括仪表CT 倍率与现场互感器实际的安装情况核查。原有电力监测系统出现故障必要时需要实施单位到达现场共同排查。

6）网络是否正常、能否实现联网上传、功能是否还满足要求。

2.2 导致故障原因分析

通过现场的勘察与排摸导致公共建筑用能监测系统故障的原因如下：

1）现场配电回路发生变化，增加配电回路或变更了回路用途，但系统并未对其作出相应变更与增加计量点。

2）各建筑计量点位配置不全面，例如建筑的中央空调系统设备未计量。

3）现场的采集设备/仪表损坏，数据无法进行正常的采集及上传工作。

4）通过原有电力监测系统或其它监测系统转发来的数据，由于原有系统的不稳定，导致的异常数据。

5）网络故障问题最为常见，由于大部分都是利用建筑内的有线网络，例如网络结构改动及现场环境诸多因素等，都会导致数据无法上传。

6）利用原有电力系统数据进行上传，由于原系统发生故障无法正常运行，导致系统故障。

3 公共建筑用能监测系统故障修复

3.1 计量点位修复

前期建设的公共建筑能源监测系统中，随着用能需求量的增加，配电系统的调整，多数建筑的计量点位都不是很全面，导致总项与分项之间会有很大的误差，因此除了消防设施其余均应进行计量，这样可以避免计量不全面导致分项之和大于或小于总项的情况出现。对于建筑中央空调系统的主站、冷却泵和循环水泵等设备供电回路应进行单独计量，方便更准确地逐项分析能耗数据。

3.2 系统设备修复

3.2.1 智能仪表

智能仪表在公共建筑用能监测系统中发生故障或者损坏的几率很小，主流品牌的仪表基本都可以稳定运行近10 年以上。出现故障后只需要对仪表的准确度进行核对，就可以继续使用。电表的核对方法可利用钳形表测量配电回路电缆上电流，与电表上显示的瞬时电流进行核对，或者通过电能表校验仪进行监测。更换电表时，要注意电流互感器的特性。更换前要将互感器进行短接并且要有可靠的接地，以免开路引起高压危险，对设备和人员的安全造成危害。

3.2.2 采集设备

采集设备故障都是因为环境影响，例如温度过高会导致设备死机，建筑内配电线路维修、调整等原因导致的采集设备断电。对于以上问题可以通过加装散热器和UPS 电源的方式解决。如果设备损坏需要更换时应尽量选用带有远程维护功能的设备，当系统发生故障时可第一时间通过远程的方式进行查看数据采集及上传情况。

3.2.3 系统服务器

系统服务器只要正常使用，一般不会出现故障。出现故障只有两种情况：

1）系统运行卡顿，功能不能正常使用。应对上传数据的处理进行核查，对相应的组件及运行程序进行测试，恢复系统正常运行。

2）硬件损坏，例如电源损坏供电不足导致主机不能开启、开机无显、开机报警、反复重启等情况。出现此类情况应及时对相应的硬件进行维修或者更换。

3.3 网络系统修复

公共建筑用能监测系统基本都利用建筑内有线网络进行上传，难免会受网络配置更改、故障维修的影响，造成断网。遇到此类情况可以采用无线4G 路由器网络进行上传。无线4G 路由器应选择带远程配置及流量监测等功能，在发生系统故障时也可根据流量的使用情况判断故障原因。

3.4 数据采集修复

1）首先要测试每个RS-485串口总线与仪表之间的通信是否正常，确认仪表通信参数设置是否正确、传输信号是否稳定，有无解析错误或者采集失败等现象。

2）对于长距离传输或者附近有干扰源，导致数据无法正常通信，可以采用降低波特率和采集频率的方式进行采集，同时在RS-485 总线终端加装信号增强器以保证数据传输的可靠性。

3）对于拥有多个配电站且传输距离超过1 200 m或者采用多个采集网关上传的情况，应采用网络透传的模式通过安装DTU设备进行数据采集。该设备用于将串口数据与TCP 数据之间进行来回转换，然后通过局域网或广域网进行数据通信。

4）如果数据是从原有电力监测系统中读取而来，需要确认原有系统中数据采集的准确性、运行是否正常和数据能否正常读取。若原有系统经常出现故障或者已经瘫痪，应优先采用Modbus 多主站采集器进行数据采集，避免由于原有系统故障导致异常数据。

4 DTU设备的应用

以往对于设置有多个变电站的建筑，数据采集方式通常有两种：一是采用在每个变电站都配置一台采集设备同时进行数据的采集上传，此种方式增加了公共建筑用能监测系统的投入成本；二是所有的RS-485 总线都汇总在一起，接入统一的采集设备进行数据上传。此种方法如果每个变电站都敷设RS-485 总线会增加施工的难度，而且对于采集设备嵌入式的RS-485 采集端口，只能连接32 个通信设备，需要敷设多条RS-485 总线。有长距离传输和中继的情况，MODBUS协议的特性也无法满足要求。

为了解决以上问题，只需在每个配电站或者采集的节点安装DTU 设备即可。网络透传广域网采集设备通过连接云端服务器给设备侧的DTU 设备发送指令，采集所需要的数据。数据通过设备侧DTU 设备传输至云端服务器发送回采集设备，从而实现远程数据通信。局域网内采集网关可以直接向各DTU 设备发送指令，就可以实现数据采集。其采集模式结构如图1所示。

图1 采用DTU设备模式结构图

采用DTU设备具有以下的优点：

1）通过安装DTU 设备进行数据传输可以不必在每个配电站都配置一台采集网关，减少RS-485通信线缆的敷设，从而减少系统的投入成本。

2）MODBUS 数据与TCP 数据的双向转换，包括RS-232、RS-485 及RS-422 等常用的通信方式，可以在不改变用户设备的情况下与各种使用MODBUS通信的用户设备连接。

3）设备稳定性高，DTU 设备内部集成TCP/IP协议不仅可以通过建筑内有线网络使用，还可以通过安装SIM 卡实现利用现有运营商5G/4G 网络使用，或两者相结合的方式进行数据通信。两种网络模式其中一个中断，不影响设备的正常运行，最大限度地保障数据的传输。

4）适用范围广，DTU 设备不仅可以通过广域网连接云端服务器实现一对多的网络透传通信，还可以通过DTU 设备自带的网口连接工控环网实现局域网内的数据通信。

5）设备配置方便，支持网络、串口AT 指令、电脑端设置软件配置，还支持微信小程序配置。

6）设备成本小，目前主流的DTU 设备均在200元左右。流量消耗情况，通过观察使用DTU 设备传输的5栋建筑，每台DTU设备月消耗流量均在100 M以内，这相较于安装多台采集设备及敷设多条RS-485总线的方式大大节约了成本。

5 Modbus多主站采集器的应用

以往RS-485网络同一时间只能允许主站发送数据，其它均属于从站，都处于接收状态，实现多主站通信是不可能的。 如果多主站需要与从站通信，考虑到主站发送数据的主动性及随机性，直接互连必然会导致主站同时发送数据到RS-485 总线上，从而出现竞争冲突，导致主站与从站之间无法正常通信。

为了实现在RS-485网络中多台主站可以与多台从站通信，须在主站与从站之间加装Modbus 多主站采集器来解决。Modbus多主站采集器是利用延时控制的原理，在一台主站进行通信时其它主站处于静默状态，避免了RS-485总线发生竞争关系，实现多主站的通信。其采集模式结构如图2所示。

图2 采用Modbus多主站采集器模式结构图

采用Modbus多主站采集器具有以下优点：

1）通过设置Modbus 多主站采集器通信的先后顺序，分别采集仪表数据，对原有系统基本无任何影响，同时也减少了与原有系统实施方的协调成本。

2）适用范围非常广泛，适用于大多数智能仪表，多个主站之间可以配置不同的采集频率及采集模式，实现电力监测和公共建筑用能检测等系统的多重采集，不用对原有接口和配置进行更改。

3）数据传输稳定，采用此方式可以不依赖于原有电力监测系统，避免原有系统发生故障，导致出现异常数据，达到保障数据传输的稳定性。

4）设备性能稳定，Modbus 多主站采集器的工作模式简单，当主站1 发送数据于从站时，主站2 保持沉默，以此类推。目前，在使用的10余台设备，全部运行正常，中途未发生因设备导致的系统故障。

5）不用作过多的改造，只需在主站与从站之间加装Modbus 多主站采集器，再将设备主站端口分别接入需要采集数据的系统即可。

6）投入成本小，主流的Modbus 多主站采集器售价均在200 元以内，只需选择相对可靠的品牌设备即可。

6 结语

公共建筑用能监测系统的故障分析，应根据异常现象结合业主及物业管理人员所提供的系统运行情况进行现场勘察与排摸，精确定位系统故障原因。在修复工作中，遇到本地网络环境不好的情况可以采用无线4G 路由器进行传输数据，减少因网络问题导致的异常数据。对于拥有多个变电站的建筑应采用DTU 设备进行数据通信，减少设备投入成本。利用原有电力监测系统数据的，可以采用加装Modbus 多主站采集器的方式进行数据采集，不受原有电力监控系统的影响。