计算机信息技术在能源管理系统中的应用

    张学军

    摘要：电、油、气、煤等能源和水资源是高校必不可少的基础资源。能源的使用和消耗，贯穿于校园的学习、生活、科研等各环节，涉及到校园内的每个教职员工。各高校在发展的同时，能源消耗和费用支出在不断增长，需要通过先进的技术和管理，采用感知和智慧的手段进行节能、绿色减排。然而传统的能源管理模式，是一种粗放的能源管理模式，不能适应学校人员和校园规模逐步扩大的需求；传统的人工采集方式，不仅要投入较多的人力资源，而且还存在大量的数据不完全、时效性差；同时校园内部存在较多的能耗设备，大量的能耗设备由于隶属单位不同，存在管理不到位的现象，导致能源使用中的浪费；另一方面还存在较多的设备由于缺乏运行管理，能源转换效率较低，因此能源在转换过程中浪费较为严重；随着时间的推移，加之缺乏有效监管，校园配电网络存在设备、线路等的老化，供水管网存在地下跑冒滴漏等现象，这样在能源的输送中，存在的能源的浪费以及危机能源供给安全的现象。此外，校园内的广大师生也需要有一个物联网信息平台更加便捷、直观的方式关注自己的能源消耗、用能问题，选择更加便宜、节能的用能模式。诸如以上的问题给校园后勤部门的能源管理工作带来了极大的挑战，但是随着计算机信息处理技术的发展，数据采集、数据传输、数据存储、数据挖掘等相关技术也日益完善，为自动化的能源数据采集提供了可靠的技术保障，也给后勤的能源管理工作带来了新的曙光，新的出路。建立一套由计量表具、数据采集及转换装置、数据传输网络、数据中转站、数据服务器、管理软件组成的能源管理系统，对校园能源及能源供给的各个环节、能源消耗的关键环节进行自动化的计量、监测、管控，提高学校后勤能源管理的自动化水平。同时实现对校园能源的量化管理、精细化管理、能耗设备的优化运行管理，切实降低校园能耗，降低办学成本。

    关键词：计算机信息处理技术；高校能源管理系统；应用分析

    中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0086-03

    1 能源数据采集传输

    1.1 校园能源采集的内容

    水、电、汽、油作为校园的基础能源，对其供给的各个环节计量、监测都利于对能源分配过程中的量化管理、精细化管理；对能耗设备运行参数的监管，利于对能耗设备进行管控，利于设备优化运行、能源转换效率的分析。以下给出能源管理过程中比较常见的一些设备数据采集内容：

    ① 校园建筑信息采集

    能够显示监测点的详细基础信息和附加信息，建筑名称、建设年代、建筑层数、建筑功能、建筑总面积、空调面积、能源经济指标等，能够显示建筑物的整体用能情况和各楼层、各房间的具体的分类用能情况。

    ② 配电网络相关参数数据采集

    从开闭所（变电所）、低压配电室、建筑总配电房、楼层配电间、房间、室内各环节的电压、电流、有功、无功、频率等相关参数。

    ③ 供水管网

    从市政管网进水、加压泵房、区域进水、建筑进水、室内用户用水等各个环节。采集市政进水、区域进水、建筑进水、室内用户用水等各个环节的流量；供水主管网的压力，供水泵房的电压、电流、有功、无功等相关参数。

    ④ 供汽管网

    采集市政进户管、减压站、室内用户等环节的流量、压力等相关参数。

    ⑤ 油

    由于学校用油主要为汽车用油，因此只采集用油量。

    ⑥ 校园能耗设备

    空调系统：

    采集室外温度、室内温度、运行时间、运行温度、电压、电流、有功、无功、频率等相关参数。

    校园路灯、景观照明：

    采集光照度、日出日落时间、运行时间、电压、电流、有功、无功、频率等相关参数。

    室内照明：

    采集光照度、日出日落时间、运行时间、电压、电流、有功、无功、频率等相关参数。

    1.2 校园能源采集的方式

    采集方式包含：人工采集方式和自动采集方式。

    人工采集方式：

    通过人工采集方式采集的数据包括建筑基本情况数据采集指标和其它不能通过自动方式采集的能耗数据，如建筑消耗的煤、液化石油、人工煤气、汽油、煤油、柴油等能耗量。

    自动采集：

    通过自动采集方式采集的数据包括建筑分项能耗数据和分类能耗数据。由自动计量装置实时采集，通过自动传输方式实时传输至数据中转站或数据中心。

    2 数据梳理

    校园能源管理系统采集能源供给各个环节的大量数据，通过校园网络上传至能源管理中心，并存储在数据库服务器中。系统利用计算机信息处理技术，对各类能源数据，根据数学模型进行梳理、归类，从而生成校园分类能耗、用电分项能耗；建筑分类能耗、用电分项能耗。

    3 能耗数据展示

    能耗计量：

    系统软件可有效对高校电、水、热水、暖通空调、蒸汽等各类能源的智能表计进行实时在线的数据采集、监测和计量，通过计算机信息处理手段为能源精细化管理提供准确、连续的数据，保证数据源头的可靠性。

    1） 电能实时监测

    平台可根据实际配电系统组态模拟配电系统图，在配电系统图上点击相应回路可进行各种监测、查询操作。可对变电所低压回路进行实时在线计量和监测，得出全院总功率曲线。

    2）用水实时监测

    按照管网结构设计水网模拟图，显示实时用水数据。在明确管网布局、水表

    上下级关系的情况下，可实现动态的水平衡误差计算，通过水平衡的分析实现对自来水管网状况的实时监测，以便及时发现管网跑、冒、滴、漏等异常状况，及时进行故障排查与报警处理，减少无谓消耗。

    3）天然气实时计量监测

    对天然气管网进行模拟，并进行实时计量、监测（可手工录入）。

    能耗分析：

    能耗分析主要包括：系统设置、日常管理、24 小时实时监控、日统计、月统计、年统计、时间段统计、汇总定额报表等。可提供报表、图形文件导出、导入等功能，并提供打印机存盘等功能。

    对各类能耗数据进行运算和处理，完成总耗、单耗、定额、同比、环比等能耗数据的统计分析。对重点用能系统、重点用能部位的节能量、节能率计算。

    能耗统计：

    在完善计量系统的基础上，实现分类分项分户计量，为能耗评价、能源管理和过程优化奠定基础。实现对各职能部门的节能绩效考核，对过程数据依据基准定额实施节能数据对比分析、数据审核等功能。

    以监测数据为依据，利用统计学方法用灵活、直观、准确地报表、曲线、图表等形式对用能系统进行分析，找出问题、分析问题、给出具体的解决措施。

    通过系统达到规范用能行为、优化能源系统运行，完善运行管理制度，最终达到切实降低运行能耗的目的。

    通过实时在线的能耗计量、监测数据，实现对于全院总能耗分类分项的统计；

    各建筑能耗的分类分项分户统计；可形成不同类型的年报、月报、日报等报表。

    能耗审计：

    根据能源管理体系和各责任单位的具体能源消耗情况进行定量分析，并与能源管理相应制度及节能控制指标对整个学校及相关部门的能源利用效率、消耗水平、能源经济与环境效果进行审计、检测、诊断和评价。

    能耗公示：

    系统可根据建筑总能耗或单位面积能耗等各类能耗指标对能效对标和统计分析结果进行排序和公示进行建筑或部门的用能排序和公示。通过公示促进节能管理。

    4 能耗异常数据的分析

    能源管理系统需要采集、存储大量的监管对象能耗数据，并将这些数据按建筑、部门、管路等用能对象进行归类，展示给系统用户。面对如此大量的数据，我们很难有效地发现用能系统中存在的不合理用能，或异常用能情况，也几乎无法找到系统在设备、设计，或操作层面上出现的各种问题。而通过计算机信息处理技术，建立能耗数据模型，为我们用能分析诊断提供了较高的工具。

    现代建筑节能系统通过两种工具来帮助系统用户应对这些海量数据：报警和警告机制，以及数据展现软件。如今，大部分的建筑节能系统中，异常用能报警功能的正常工作完全依赖于用户通过人机界面选择用能报警和警告对应的限额或阀值。这对用户而言是一个非常困难的任务：如果阀值设置的过紧，那么系统中会出现大量的误报；如果阀值设置的过松，那么系统将无法全部发现异常用能情况以及其背后的系统、设备损坏的情况。数据展示软件可以帮助用户分析并诊断问题，但是这种无针对性的操作往往需要花费大量的时间。

    5 数据挖掘

    校园能源管理系统以能源信息化智能化为核心目标，围绕能源的信息采集智能化、信息处理智能化、信息显示与推送智能化、用能调控智能化全面展开。

    信息采集智能化是校园能源管理系统的关键技术，系统中的信息采集智能化设备需具有自组网、自诊断、自修复、不间断运行高稳定性和高可靠性特点，能够进行校园中的能源信息自动采集，减少信息采集中的人力投入，提高采集的准确信和可靠性。

    信息处理智能化可系统中心服务器或者依靠云计算的强大处理能力，对信息进行分析、处理，为决策提供有力的数据保障。

    6 系统建设内容

    校园智慧能源管理系统建设根据需求应该从能源在线分类、分项与分户计量及能效分析，能源质量监测与改善，能源自动化监控与自动化节能调节和安全用能管理四个方面进行设计和实施，在一个统一的网络架构和系统中心下面，通过系统化的解决方案实现多个子系统的高度集成和统一管控。

    6.1校园能源管理系统平台建设

    1） 监控中心

    设立能源管理系统中心，实现校园能源管理平台中心与智慧校园数据中心的链接和数据共享。并针对集中供热、中央空调、学生公寓预付费管理等重要环节安装工作站，实现灵活、有效管理和控制。能源管理系统基础支撑平台作为校园智慧能源管理体系的重要组成和支撑框架，要解决节能监管建设体系中的实时数据链路、安全基础、互通渠道、资源共享、信息获取、共性与个性化服务、优化技术支撑等问题，并建立一个健壮的、实时性强的统一访问门户和公共基础服务平台。一方面，能源管理系统需要具备在现场设备组态、应用系统门户集成、集中报表服务、短信邮件消息服务等直接的功能模块，另一方面，能源管理系统在能源监测与管理上需要具备节能监管应用子系统的开发环境、编程语言引擎、API开发包、设备驱动开发包，即具有二次业务的构建能力。

    2） 传输网络

    在校园网络建设时，需要考虑一对光芯作为能源管理系统的独立主干传输网络以保证系统的安全、稳定，并考虑校园网延伸到每栋建筑及变电所、泵房、换热站。

    6.2变电所、水泵房自动化监控

    对变电所进行自动化控制和温度湿度等参数的环境监控管理。通过对电力参数的监测、智能无功补偿和谐波治理，提高用电质量和节能优化；通过对开关柜的实时控制和状态监测，实现开关柜的自动投切；水泵自动运行控制；通过环境监控加强用电安全管理。

    6.3用电分项计量

    1） 变电所高压进线总计量及配电室低压出现回路计量

    2） 所有建筑配电回路按照照明、空调、动力和特殊用电区分，在建筑配电间配置三相多功能电力监控终端实现建筑用电的分项计量。

    3） 通过供配电网的各级计量，实现10kV线路、变电所至各建筑低压配电回路的线损分析和变压器的变损分析。

    6.4用电分户计量

    所有楼层、房间安装一体化能源管理终端或者单相多功能电能表，实现用电的分户计量和用电综合管理。

    利用学校建设的RFID终端和RFID卡，自动监测各功能房间的人员及数量，实现房间的照明、空调、暖气片等用能设备的无人状态下的节能控制和管理。

    6.5供热计量

    对市政供热公司总供热管道或者学校的锅炉房进行供热量的总计量；对每栋建筑进行供热计量。

    6.6用水计量

    对市政供水总管网入口进行智能水表安装以计量学校总用水；在校园内部水管网的关键点安装智能水表，对每栋建筑安装智能水表，以实现供水管网的水平衡实时监测。

    6.7 燃气计量

    安装智能燃气表进行燃气计量并实现远程传输。

    6.8热管网平衡监测及优化系统调节

    对锅炉房、换热站以及建筑供热管道安装温度、压力传感器、电动调节阀，进行供热管网的实时监测和动态调节；对一、二次供热管网进行循环泵、补水泵的变频自动调节运行。

    6.9空调温度控制

    1） 中央空调系统

    对中央空调系统的冷热站、冷却塔、空调机、新风机、风机盘管或变风量终端进行分布式监控和集中管理。系统采用变流量控制技术、压差及温度PID控制调节技术、系统联动控制技术、变频调节控制技术、电耗、热/冷媒耗实时计量技术等，对中央空调进行系统化节能控制和管理，提高系统整体节能率。

    2） VRV空调

    对所有VRV空调主机配置通讯接口板，实现与节能监管平台的数据对接。监控中心可远程实时监控所有空调主机及室内机的运行状态，监测运行参数；也可进行分时、分温控制每台室内机，最大程度节省能耗。

    3） 分体空调

    通过能源管理系统及网络化智能插座，对分体空调进行系统远程监控，采用分时、分温自动化节能控制控制策略和用能计量，以及减少在空调非工作时间的待机能耗，实现空调能耗的最大程度节省。

    6.10集中供热系统化节能控制

    对集中供热系统中的锅炉房、换热站、楼宇及室内暖气片等供热环节进行分布式监控和集中管理。采用锅炉烟气余热回收技术、比例燃烧控制技术、一次/二次管网平衡调节技术、换热站二次供回水混水控制技术、水泵变频调节技术、室内暖气片供热自动控制技术，以及分布式电耗及热耗在线计量技术等，在满足建筑供热舒适度的情况下，实现最大程度的供热节能。

    6.11教室照明节能控制

    对所有教室安装照明控制终端，通过按照光照度、课程表、室内人数等条件进行智能化控制，实现节能。

    6.12路灯节能控制

    对各路灯回路安装三相多功能电力监控终端，实现精确的定时控制。

    6.13 电开水炉节能控制

    在夜间和非工作时间对使用频率较低的电梯、电开水炉进行系统化的节能控制。

    6.14全校二级核算单位、学生公寓、商户用电网络预付费管理

    对全校二级核算单位、商户、每个学生宿舍安装网络预付费电表，实现学生用电的恶性负载控制和电费的及时回收。

    6.15 学校电网、水网、气网、热网的基于GIS系统的动态实时监测

    在GIS系统的基础上实时监测学校电网、水网、气网、热网各环节的实时状况，对故障进行实时报警和定位，综合分析点、水、气、热平衡及损失，以及实现所有用能机电设备的报警管理。 （下转第105页）

    （上接第88页）

    6.16 可再生能源应用

    利用校区的空地、建筑楼顶空间等环境，利用太阳能光伏发电、太阳能采暖制冷、地源热泵等技术实现可再生能源的充分利用，并纳入到能源管理系统中以实现系统集中控制和管理。

    7 结论

    在校园能源管理系统的规划和建设上，计算机信息处理技术为实现校园能源管理系统能源数据实时计量、能源质量监测、能源自动化控制提供了技术支撑。为实现一体化的能源管控，进行能源统计、分析、诊断、预测、调度，通过这些有效的技术和管理手段，可实现校园综合节能率的大幅度提升并为“智慧校园”建设提供强有力的技术支撑。

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