大型公共建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)概述

現(xiàn)場采集子系統(tǒng)安裝在被監(jiān)測的大樓內(nèi)部，結(jié)構(gòu)如下圖所示:主要由計量表具、數(shù)據(jù)采集器、以太網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)3部分組成。

計量表具主要包括:普通網(wǎng)絡電量表、多功能網(wǎng)絡電量表、網(wǎng)絡水表等，未來可考慮接入冷熱量表、蒸汽表等，所有表具需要具備符合國家標準的RS-485底層通訊接口，上層協(xié)議按照住建部《國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導則》的規(guī)范，采用符合國家標準的通訊協(xié)議如:DL/T645-1997、CJ/T188-2004、GB/T19582-2008等協(xié)議。所選表具需具備國家計量監(jiān)督部門的認證，并滿足各項電氣安全規(guī)范。

數(shù)據(jù)采集器采用完全符合住建部《分項能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導則》的要求，內(nèi)置近百種常用計量表具的通訊協(xié)議，并提供協(xié)議解析腳本實現(xiàn)新增表具的擴展。產(chǎn)品提供4、8、16等多個接口版本選擇，按依照現(xiàn)場環(huán)境自由組成星型或總線型拓撲網(wǎng)絡，方便施工與調(diào)試。

以太網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)采用普通的以太網(wǎng)架構(gòu)，由路由器和交換機組成。采集服務和web服務需要該網(wǎng)絡的防火墻開放TCP端口80和UDP端口80，并且對其傳輸速率和數(shù)據(jù)包大小不受限制，以便數(shù)據(jù)傳輸和客戶端訪問能耗平臺網(wǎng)站。如果需要提供數(shù)據(jù)遠程服務，須允許外部網(wǎng)絡訪問管理平臺服務器的數(shù)據(jù)庫。

1、 標準性:計量表具按照住建部導則規(guī)范，選用具有RS-45通訊接口和滿足DL/T645-1997等標準通訊協(xié)議的產(chǎn)品，能夠兼容各種采集系統(tǒng)并利于維修替換。數(shù)據(jù)采集器完全符合建設部導則要求，向數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站和數(shù)據(jù)中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包使用了標準的XML數(shù)據(jù)協(xié)議格式，可以平滑接入任何市級、省級甚至國家級數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。

2、 開放性:采集器向下可通過擴展協(xié)議解析腳本的方式任意接入各種品牌各種型號具備RS-485通訊接口的計量表具，向上使用符合國家標準的通訊協(xié)議，可以與任意品牌符合國家標準的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，實現(xiàn)互通互聯(lián)。

3、 準確性:采集間隔在國家標準中規(guī)定的15分鐘以內(nèi)，可以準確捕捉所有能耗拐點及峰值功率的突變，消除因延時而產(chǎn)生的計算誤差。表具和互感器的選型和參數(shù)選取使用由清華大學建筑節(jié)能研究中心開發(fā)的專用設計計算模擬軟件，準確匹配計量精度的要求。

4、 擴展性:數(shù)據(jù)采集器可擴展采集冷/熱量，燃氣量等其他能耗數(shù)據(jù)信息，還可擴展采集溫濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)信息。

5、 安全性:采集器與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或數(shù)據(jù)中心間通訊采用住建部導則中規(guī)定的AES加MD5算法進行數(shù)據(jù)包加密，該加密算法廣泛應用與金融、國防等重要領(lǐng)域擁有良好的安全性。數(shù)據(jù)采集器操作系統(tǒng)采用裁剪優(yōu)化的Linux操作系統(tǒng)，關(guān)閉了全部無用網(wǎng)絡端口，能有效避免網(wǎng)絡攻擊和病毒入侵。

6、 穩(wěn)定性:采集器硬件平臺選取了被高端網(wǎng)絡通訊設備廠商廣泛采用的PowerPC架構(gòu)的CPU處理器，具有極強的穩(wěn)定性和可靠性，軟件使用美國宇航局使用的Python語言編寫全部核心代碼內(nèi)建微型數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)長達1個月的斷點續(xù)傳數(shù)據(jù)保障功能，即使傳輸網(wǎng)絡出現(xiàn)問題，也可確保數(shù)據(jù)不會丟失。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站子系統(tǒng)采用針對大型公共建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)的iSagy本地服務系統(tǒng)。該可將接收到的各電表能耗數(shù)據(jù)按照處理流程，轉(zhuǎn)換為符合住建部《能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導則》的分項能耗數(shù)據(jù)并最終上傳給市級數(shù)據(jù)中心。

主要進行的工作包括:數(shù)據(jù)采集包接收、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)命令下達、能耗數(shù)據(jù)分精度計算、支路能耗數(shù)據(jù)計算、分項能耗數(shù)據(jù)拆分計算、分項能耗數(shù)據(jù)合并計算，上傳數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)展示分析、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)同步等功能。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站上傳數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)包協(xié)議符合住建部《能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導則》標準要求，采用XML協(xié)議規(guī)范進行編碼，上傳內(nèi)容包括建筑基本情況和能耗數(shù)據(jù)兩項，其中建筑基本情況含基本項和附加項兩部分，采用人工采集的方式獲取，并在建設階段統(tǒng)一上傳至市級數(shù)據(jù)中心。能耗數(shù)據(jù)包括電量、水量、燃氣量等分類能耗數(shù)據(jù)，其中耗電量按照分項能耗數(shù)據(jù)形式組織，包含照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電、特殊用電四個一級分項和依照建筑配電情況組織的8到19個二級分項。其中電量、水量等可以通過自動采集獲取的數(shù)據(jù)應采取自動采集的方式，采集并上傳至數(shù)據(jù)中心，建筑消耗的煤、液化石油、人工煤氣、汽油、煤油、柴油等能耗量等不能自動采集的數(shù)據(jù)應通過人工采集的方式獲取并上傳到數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站子系統(tǒng)除了提供采集接收，處理計算、轉(zhuǎn)發(fā)上傳等標準功能之外，還為大樓的業(yè)主提供了一整套完整的物業(yè)服務與節(jié)能管理軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)能切實提升大樓物業(yè)的管理水平并能為業(yè)主帶來可觀的節(jié)能收益。

1、EMSIV能耗管理平臺主要包括設備集能耗分析、分戶能耗分析、用電參數(shù)實時監(jiān)控、能耗財務分析、報表打印、節(jié)能足跡、節(jié)能診斷和新聞搜索等八大板塊。此平臺可以幫助管理人員更加全面深入地了解建筑物每一時刻、每一角落的能耗情況。

2、 設備集能耗分析:

按照設備用途和特性，將建筑物內(nèi)使用的所有設備進行逐層分項，以便管理人員更加清晰、全面地了解建筑物內(nèi)各個分項的能耗情況。同時，可以監(jiān)控各個設備的耗電量和用電安全情況，隨意統(tǒng)計各個時段內(nèi)能耗數(shù)據(jù)，并可以在設備之間、分項之間進行能耗比較，也可以對不同時間的能耗進行比較。

3、 分戶能耗分析:

根據(jù)業(yè)態(tài)模式和業(yè)主要求，可對建筑內(nèi)部進行分商戶、分部門、分地區(qū)等方式的分戶式管理，對所有分戶的能耗和用電安全進行實時監(jiān)測，詳細了解各分戶的能源使用情況，如單位面積能耗、用電功率峰值、實時統(tǒng)計電價、各分項能耗統(tǒng)計等。同時，也可以對其他能耗種類進行同樣形式的統(tǒng)計和展示(如水、蒸汽、天然氣等)，還可以根據(jù)從不同角度對分戶進行綜合排名和對比。

4、

用電參數(shù)實時監(jiān)控:

將用電支路信息圖以web的形式清晰地展示于此平臺中，可監(jiān)控每一條用電支路的耗電量、實時功率、電表讀數(shù)等實時參數(shù)，并配合聲光效果對發(fā)生故障或者出現(xiàn)用電安全問題的支路進行實時報警。

5、 能耗財務分析:

此板塊可以根據(jù)不同的計價方式計算出建筑物內(nèi)各個設備及各個分戶的能源消費詳單;幫助建筑物管理人員深入了解能源費用的組成，從而確定各種能源的節(jié)能潛力;幫助管理人員選擇合理的MD值，從而節(jié)省不必要的支出。

6、 報表打印:

此板塊包含了日常使用的所有報表模式，可根據(jù)用戶需求打印出百種報表。主要類型包括:設備集報表、分戶報表、財務報表、用電參數(shù)報表、環(huán)境參數(shù)報表、HVAC參數(shù)報表、診斷信息報表、節(jié)能足跡報表、天氣報表等。使用人員還可以自由地根據(jù)自己需求設計報表模版，批量生成和打印報表。

7、

節(jié)能診斷:

此板塊實現(xiàn)了為每一棟建筑物配備貼身的能源管理專家這個看似不可能的愿望。我們的專家團隊會對建筑物的每一個設備、每一個系統(tǒng)進行深入細致的能耗分析，進行歸納整理后，第一時間通過遠程服務器發(fā)送給建筑管理人員，從物業(yè)管理到系統(tǒng)改造等多個方面，幫助管理人員對建筑物進行有效的節(jié)能管理和改造。

8、 節(jié)能足跡:

此板塊記錄了每一次節(jié)能改造的歷程及成果，使原來無法說清楚的能源管理，變得可量化、可比較、可評價;使每一項經(jīng)過節(jié)能改造的設備或者分戶，均可以看到每一次改造所帶來的直接效果，從而為能源管理找到了可靠依據(jù)。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站子系統(tǒng)在設計階段考慮到了如下問題:

1、 標準性:數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站軟件使用了住建部導則中規(guī)范的標準能耗模型進行計算，所得數(shù)據(jù)無需轉(zhuǎn)換即可接入市級、省級或者國家級數(shù)據(jù)中心。中轉(zhuǎn)站上傳數(shù)據(jù)包使用協(xié)議遵循住建部《數(shù)據(jù)中心建設與維護技術(shù)導則》標準，可與其他同樣遵守該協(xié)議標準的數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站實現(xiàn)互通互聯(lián)。

2、 開放性:數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站軟件采用了模塊化分層的設計思想，從底層數(shù)據(jù)采集到能耗數(shù)據(jù)計算，從分項能耗整理到數(shù)據(jù)分析挖掘，從能耗數(shù)據(jù)展示再到數(shù)據(jù)上傳上報都可以實現(xiàn)不同程度的開放。

3、 準確性:使用了分項能耗特征數(shù)據(jù)庫、動態(tài)靜態(tài)特征信息、不準確度計算等具有專利技術(shù)的計算方法保證數(shù)據(jù)的準確。使用了最優(yōu)化能耗拆分方法，可將公共設備能耗數(shù)據(jù)、客戶能耗數(shù)據(jù)、輸配側(cè)的支路能耗數(shù)據(jù)分別計算處理和表達。得到的能耗數(shù)據(jù)表達清晰明確，為下一步的數(shù)據(jù)挖掘和節(jié)能分析提供了良好的基礎。

4、 可比性:依照住建部制定的標準能耗模型進行歸一化計算，能將各種用能設備分別劃分到底層分項能耗的范疇。這樣就使得不同建筑、功能相同、形式相近的用能系統(tǒng)或設備，實現(xiàn)在底層分項能耗的可比，可明確地反映具體用能狀況或問題;位于這一能耗數(shù)據(jù)模型上層的分項能耗，往往是由底層的分項能耗合并構(gòu)成，具有更好的包容性，使得不同建筑、功能相同、但形式差別較大的用能系統(tǒng)或設備，也能實現(xiàn)在上層分項能耗的可比，也可在一定程度上綜合反映用能狀況。

5、 安全性:數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站系統(tǒng)采用了Linux+Apache+Java+python的設計，使用UFW防火墻，可以有效避免黑客和病毒的干擾。服務器系統(tǒng)采取了黑盒無界面的設計，物業(yè)人員只能通過專用的管理軟件進行操作和維護，可以避免因誤操作造成的損失或者人為篡改能耗數(shù)據(jù)。

6、 穩(wěn)定性:服務器系統(tǒng)使用了工業(yè)級電源供電，創(chuàng)造了平穩(wěn)的電力輸出，硬件選型使用了工業(yè)級硬件平臺，工業(yè)級硬盤，可以保證長時間穩(wěn)定運行。應用軟件的大量采用通用成熟的計算機技術(shù)。

市級數(shù)據(jù)中心包括:數(shù)據(jù)接收與發(fā)送服務器，數(shù)據(jù)計算與處理服務器，信息展示網(wǎng)站服務器，節(jié)能服務專家系統(tǒng)服務器，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，硬件防火墻，數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)管理員接口等等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示:

數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，采取按照處理流程劃分多服務器并行處理的設計架構(gòu)，將數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)整理計算和信息發(fā)布開發(fā)成獨立的計算單元，使用不同的服務器(物理上的或者虛擬上的)實現(xiàn)分布式并行計算，并最終依靠共用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)通訊耦合，將極好地滿足負載均衡、維護簡單、運行穩(wěn)定等多方面的需求。

其中:

1、數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)發(fā)服務器

數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)發(fā)服務器，負責實現(xiàn)與各建筑數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站之間的通訊，以及將整理好的分項能耗數(shù)據(jù)發(fā)送到省級或者國家級數(shù)據(jù)中心。該服務器以通訊處理為主，應接入具有較大帶寬的網(wǎng)絡中。另外該服務器應配備較高級別的硬件防火墻，配置選型時應著重考慮內(nèi)存容量及網(wǎng)絡通訊能力。建議操作系統(tǒng)使用Linux或者Windows Server 2003以上版本。數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)軟件應盡可能流程簡單、模塊通用、接口標準。

2、數(shù)據(jù)處理及計算服務器

數(shù)據(jù)處理及計算服務器，負責將各個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站發(fā)送的建筑基礎信息和實時能耗數(shù)據(jù)加工成具有參考和比較價值的標準單位能耗數(shù)據(jù)如分項單位面積能耗等和統(tǒng)計能耗數(shù)據(jù)如分項能耗最大值等，同時還要將該數(shù)據(jù)中心監(jiān)測范圍內(nèi)各大樓能耗數(shù)據(jù)加工處理成代表全市建筑特征的統(tǒng)計能耗數(shù)據(jù)，供上傳至更高級別的數(shù)據(jù)中心使用。該服務器以計算為主，配置選型時應著重考慮內(nèi)存容量及處理器能力。在接入大樓數(shù)量較少時，也可以考慮與數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)發(fā)服務器公用同一臺物理硬件。數(shù)據(jù)計算軟件應考慮做好各種異常情況的錯誤處理，避免因數(shù)據(jù)量過大、部分數(shù)據(jù)錯誤或者數(shù)據(jù)同步異常等原因而造成死機，中斷運行等現(xiàn)象。

3、信息發(fā)布服務器

信息發(fā)布服務器，負責信息發(fā)布網(wǎng)站的運行，是各級領(lǐng)導和民眾了解和考核該系統(tǒng)的主要窗口。該服務器建議配置獨立的硬件主機，并接入較大帶寬的網(wǎng)絡中，建議操作系統(tǒng)使用Linux，web服務器軟件使用Apache。信息發(fā)布網(wǎng)站應能展示，對比，排名各個大樓的能耗數(shù)據(jù)，按照不同級別的用戶權(quán)限，提供不同級別不同精度的數(shù)據(jù)。(下圖為數(shù)據(jù)中心軟件截圖)

4、數(shù)據(jù)庫服務器系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫服務器系統(tǒng)為整個數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)存儲、查詢、排序等支持，由主業(yè)務數(shù)據(jù)庫和備份數(shù)據(jù)庫兩部分組成。數(shù)據(jù)庫軟件可以使用微軟公司的SQL Server也可以使用甲骨文公司的Oracle RDBMS，服務器應考慮接入由多個大容量硬盤組成的磁盤陣列系統(tǒng)，在接入大樓數(shù)較少時也可以暫時與數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)發(fā)服務器及數(shù)據(jù)處理及計算服務器共用一臺物理主機。該服務器因為服務的業(yè)務多，處理的任務重，往往成為整個數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的瓶頸，建議在硬件配置選型時適當增加冗余。

5、節(jié)能服務專家系統(tǒng)服務器

節(jié)能服務專家系統(tǒng)服務器，為后期的數(shù)據(jù)挖掘，節(jié)能服務提供支持，主要實現(xiàn)節(jié)能診斷計算和節(jié)能量核算計算。在接入大樓數(shù)較少時也可以暫時與數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)發(fā)服務器及數(shù)據(jù)處理及計算服務器共用一臺物理主機。

系統(tǒng)管理員接口為管理操作人員管理、維護、修復數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的唯一接口，可實現(xiàn)分級操作與管理，異常狀態(tài)報警，操作自動記錄等功能。管理操作軟件采用C/S架構(gòu)設計，管理員需要安裝專用的操作終端才能連入整個系統(tǒng)。

下圖為管理員接口軟件界面截圖

數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)在設計階段考慮到了以下幾個問題:

1、標準性:采用符合住建部導則中規(guī)范的數(shù)據(jù)處理流程，能耗計算模型和統(tǒng)計方法，使用了導則中規(guī)定的標準傳輸協(xié)議進行通信，可確保多級別數(shù)據(jù)中心之間的無縫對接。

2、準確性:數(shù)據(jù)處理及計算服務器中加入大量容錯機制，實現(xiàn)各種異常情況的錯誤處理，避免因數(shù)據(jù)量過大、零星電表讀數(shù)錯誤或者數(shù)據(jù)同步異常等原因造成的計算錯誤等問題。

3、開放性:數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)采用了相互獨立的數(shù)據(jù)并行處理模塊和符合住建部導則的標準數(shù)據(jù)庫接口，可在采集和轉(zhuǎn)發(fā)服務器接入不同廠商的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站和數(shù)據(jù)采集器，可在數(shù)據(jù)處理及計算服務器加入不同的能耗計算模型，可在節(jié)能服務專家系統(tǒng)服務器加入不同的數(shù)據(jù)挖掘算法模塊。

4、擴展性:數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，采取按照處理流程劃分多服務器并行處理的設計架構(gòu)，將數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)整理計算和信息發(fā)布開發(fā)成獨立的計算單元，使用不同的服務器(物理上的或者虛擬上的)實現(xiàn)分布式并行計算，為未來的擴展提供了最具性價比選擇，那個環(huán)節(jié)成為了計算的瓶頸就可以在那個環(huán)節(jié)增加服務器。整個數(shù)據(jù)中心的設備組成可以根據(jù)接入大樓數(shù)量的不同配置從1臺獨立處理到100臺并行計算的服務器方案。

5、可比性:依照住建部制定的標準能耗模型進行歸一化計算，能將各種用能設備分別劃分到底層分項能耗的范疇。這樣就使得不同建筑、功能相同、形式相近的用能系統(tǒng)或設備，實現(xiàn)在底層分項能耗的可比，可明確地反映具體用能狀況或問題;位于這一能耗數(shù)據(jù)模型上層的分項能耗，往往是由底層的分項能耗合并構(gòu)成，具有更好的包容性，使得不同建筑、功能相同、但形式差別較大的用能系統(tǒng)或設備，也能實現(xiàn)在上層分項能耗的可比，也可在一定程度上綜合反映用能狀況。

6、安全性:信息發(fā)布網(wǎng)站服務器，使用獨立的服務器設備，與采集和計算服務器隔離運行，能耗數(shù)據(jù)展示采取分級管理，依照用戶權(quán)限提供不同級別的信息。使用專用的管理維護接口對整個系統(tǒng)進行維護操作，分級管理，行為記錄，確保系統(tǒng)安全。

穩(wěn)定性:使用成熟的軟件平臺和主流的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在服務器配置選型時考慮一定的冗余。

大型公共建筑是指單體建筑面積1.5萬平方米以上的非政府辦公建筑、商業(yè)建筑、賓館飯店建筑、文化場館建筑、科研教育建筑、醫(yī)療衛(wèi)生建筑、體育建筑、通信建筑、交通建筑、影劇院建筑、綜合商務建筑及其他大型公共建筑。

因此，根據(jù)建筑的使用功能和用能特點，將國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑分為10類。

政府辦公建筑非政府辦公建筑;商場建筑;賓館飯店建筑;文化教育建筑;醫(yī)療衛(wèi)生建筑;體育建筑;交通建筑;綜合建筑;其它建筑。 其它建筑指除上述9種建筑類型外的國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑。

一方面，我國大型公共建筑能耗巨大，另一方面，我們也缺乏直接數(shù)據(jù)為決策的指定提供基礎和參考。住房和城鄉(xiāng)建設部建科[2008]114號文(2008-06-24)《關(guān)于印發(fā)國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設相關(guān)技術(shù)導則的通知》實施，對于能耗監(jiān)測系統(tǒng)作了具體規(guī)范。因此，必須建立大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺，對全國重點城市重點建筑能耗進行實時監(jiān)測，并通過能耗統(tǒng)計、能源審計、能效公示、用能定額和超定額加價等制度，促使國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)能運行管理水平，為政府政策的制定和決策提供參考。

下面以ACREL的大型公建能耗監(jiān)測系統(tǒng)為例。