摘要: 在公共建筑用电能耗监测系统的研究中，用电能耗数据的准确获取是一个非常关键的问题。本文针对这一问题，在将传统的数据采集技术应用于建筑用电能耗监测领域的同时，对其进行了改进和研究，实现了分项计量。以ARM为核心搭建了一个用电数据采集平台，与建筑物内的上位机构成一个完整的数据采集系统。重点阐述了数据的采集和传输方法。该技术的应用为用电能耗的统计分析以及节能控制提供了强大的数据支持。
引言
建筑能耗是我国能源消耗的主要组成部分，也是节约能源的重要领域。在建筑能耗中，国家机关办公建筑和大型公共建筑高耗能的问题日益突出。做好国家机关办公建筑和大型公共建筑的节能工作具有重要意义[1]。“建筑节能、数据先行”，必须准确提供我国建筑物所消耗终端能源的具体数据，才能准确地描述我国建筑能耗的特点，有效地控制建筑能耗[24]。而先进实用的公共建筑能耗数据采集技术是获得准确数据的保证，在整个建筑能耗监测平台中起着至关重要的作用。
1 我国公共建筑用电能耗特点
据统计, 国家机关办公建筑和大型公共建筑总面积不足城镇建筑总面积的4%，占全国城镇总耗电量的22%，每平方米年耗电量是普通居民住宅耗电量的10~20倍，是世界上发达国家同类建筑的1.5~2倍，不合理用能占建筑用能总量的20%～30%[67]，能耗巨大，能源利用效率低，与一般住宅民用建筑相比，具有能耗高、节能潜力大、社会影响力大等特点。
国家机关办公建筑和大型公共建筑的建筑运行能耗主要为除采暖能耗外的照明能耗、空调与通风能耗、办公设备能耗、建筑设施能耗（如电梯、给排水设备等）和其他辅助设备能耗，其中大约50%~60%能源消耗于空调制冷与采暖系统，20%~30%用于照明[8]。从能源分类的角度分析，用电能耗占的比重较大，冷热量的消耗最终也可以归结为电能的消耗[57]。
2 公共建筑用电能耗的分项
分项能耗是指根据国家机关办公建筑和大型公共建筑消耗的各类能源的主要用途划分，进行采集和整理的能耗数据。由参考文献[8]可知，在分类能耗中，电量应分为4项分项，包括照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电。电量的4项分项是必分项，各分项可根据建筑用能系统的实际情况灵活细分为一级子项和二级子项，是选分项。其他分类能耗不应分项。建筑物用电能耗具体分项情况如图1所示。
图1 建筑物用电能耗分项图
3 公共建筑用电能耗数据的采集
大型公建功能复杂，系统繁多，只对一座建筑的总用电能耗进行计量，很难分清各个用能系统的实际能耗情况，也没有真正实现“以用能数据为导向的节能”，因此必须对建筑能耗进行分项计量[810]。本文采用的方法是，按照上述分项情况在适当的分项回路上装设电表，数据采集器直接采集各支路的电表数据来获得分项电耗。
3.1 建筑能耗数据采集系统框架
建筑物内能耗数据采集系统由监测建筑中的各计量装置（本文主要是电表）、数据采集器和建筑物上位机软件组成，如图2中虚线框内所示。系统结构遵循分散采集、集中管理的原则，在功能上由监测层和管理层两个网络结构组成。监测层为工业总线结构，负责能耗数据采集和现场设备的运行状态监控及故障诊断；管理层为以太网结构，负责数据存储、数据处理、数据传输以及本建筑物监测网络运行管理。
图2 数据采集系统结构框图
数据采集器（数据采集网关）通过在用能末端安装的具有数据通信功能的计量装置来采集分项用能数据，再将分项能耗数据依靠通信媒介传输给建筑物内上位机进行进一步的分析统计，或依靠互联网等直接将原始数据传递到数据中心。
3.2 数据的采集
为了达到标准计量的技术要求，各计量装置均采用支持标准Modbus协议和DL/T645协议（多功能电表通信规约）的标准计量装置。
数据采集器在数据采集的过程中起着关键的作用，本质上起着数据采集网关的作用。本研究采用ARM CortexM3及一些外围电路搭建了一个建筑能耗数据采集平台，其基本结构框图如图3所示，包括数据采集模块、存储模块、传输模块、显示模块和处理模块。本文主要介绍数据的采集和传输。
图3 数据采集平台结构框图
按照参考文献[8]的要求，一台数据采集器支持32台计量装置，支持根据数据中心命令采集和主动定时采集两种数据采集模式，采集周期为15 min。硬件电路上设计了RS485/RS232/CAN等多种通信接口，采集器与计量装置之间可采用RS485 /RS232/CAN总线等多种通信模式。计量装置和数据采集器之间采用主—从结构的半双工通信方式。从机在主机的请求命令下应答，数据采集器是通信主机，计量装置是通信从机。采集到的原始数据及时存储在采集器的SD卡内，保证数据的完整性。
采集器与建筑物内上位机也可采用RS485/RS232/CAN总线等多种通信模式，上位机对采集器内数据的读取分为实时在线读取当前数据和强制读取历史数据两种方式。正常运行情况下默认为第一种方式，命令内容包括设备号（采集器号）、功能号（实时读取）、数据个数（电表个数）、时间（年/月/日/时/分/秒）具体数据（表1~32）、校验码，采集器收到命令后返回相应数据。当上位机停电或关机一段时间再重新工作后，可采用第二种方式读取存储卡中的历史数据，可按照要求分时段分表读取，通信内容除功能码外与实时读取时相同。当数据采集器无数据可发时就发出数据发送双方规定好的结束命令，等待下一次的读取命令。
公共建筑用电能耗监测的关键在于分项计量，为实现电量分项采集，区分各电表的分项和回路，要在上位机内对各电表进行信息配置。根据国家建设部规定的能耗编码规则[10]和图1的具体分项，在上位机内规定各电表的终端信息，即电表所在的分项和回路的编码。各电表的原始数据按照规定发送到指定的位置并进行显示，方便上位机将数据按分项信息归类存储，具体格式如表1所列，编码为十六进制数。如，当终端信息为{20 B1 B2}时即表示第32号表—空调用电—冷热站—冷却泵—2号回路。
表1 终端信息格式
如果电表所在回路发生变化，通过上位机发送更改命令，对该电表进行终端信息配置更改。
数据采集器程序的主流程如图4所示。
图4 数据采集器程序主流程
上位机软件将原始数据分项显示并进行处理。上位机软件使用VB编程设计，能够对原始进行简单的分析处理，能够实时显示照明插座用电、空调用电、动力用电、特殊用电4个分项的数据，每个分项有32块表，共128块表。此外还可以修改密码、设置模块采集时间，并可查询每个分项及总用电量的日（月/年）趋势图、柱状图、饼状图。
3.3 数据的集中远传
数据采集器除了将所采集的分项数据定时传输给建筑物内上位机之外，还应将采集到的能耗数据通过TCP/IP协议进行定时远传，一般规定分项能耗数据每15 min上传1次，不分项的能耗数据每1 h上传1次。
数据远传使用基于IP协议的数据网络，在传输层使用TCP协议。数据远传时数据中心建立TCP监听，数据采集器不启动TCP监听，数据采集器发起对数据中心的连接，TCP建立后保持常连接状态不主动断开，数据采集器定时向数据中心发送心跳数据包并监测连接的状态，一旦连接断开则重新建立连接。TCP连接建立后，数据中心应对数据采集器进行身份认证。数据采集器和数据中心中间传输的数据和命令应进行加密，身份验证完成后，数据中心通过心跳包对数据采集器进行授时，并校验数据采集模式。
结语
本课题利用数据采集、传输等技术，通过对用电能耗的分项计量，获取大量而细致的建筑能耗数据，可以准确获得建筑物的时耗电量、天耗电量等，有利于总结大型公共建筑的用电规律和特点，揭示大型公共建筑耗电量巨大的原因，明确节能潜力所在。同时，为加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能控制和运行管理提供可靠的数据支持。
参考文献
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[2] 陈梅，张永坚，牛祺飞.公共建筑能耗监测系统研究[J].电子测量与仪器学报，2009（增刊）：167170.
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[5] 郑明明，陈硕.建筑能耗检测平台的研究[J].智能建筑与城市信息，2009，155（10）：5355.
[6] 王立雷，梁俊强，刁乃仁.基于能耗统计数据库的能耗评测方法研究[J].山东建筑大学学报，2010（2）：109113.
[7] 张永坚，聂玉庆，贾鲁峰.公共建筑能耗监测系统设计与标准化集成[J].工程设计与计算机技术，2010（增刊）：273277.
[8] 建设部.国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据传输技术导则，2008.
[9] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2010[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[10] 建设部.国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则，2008.
刘畅（硕士生），主要从事信息处理与智能系统的研究。
作者：刘畅 张永坚 李然然 来源：《单片机与嵌入式系统应用》
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