智能能量管理系統(tǒng)的設計與應用范文

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摘要:

針對建筑物電能監(jiān)控和管理的現(xiàn)狀,提出了一種基于混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡的智能能量管理系統(tǒng),介紹系統(tǒng)“云平臺”的設計理念及構(gòu)架,從智能插座和智能電表、負荷控制單元、混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡等方面分析該系統(tǒng)的關鍵技術,將該系統(tǒng)部署于一棟樓宇,并進行了相應的研究和測試,試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有優(yōu)秀的實用價值。

關鍵詞:

網(wǎng)狀網(wǎng)絡;能量管理系統(tǒng);建筑物;節(jié)能

電能節(jié)約在全球范圍內(nèi)都引起了廣泛關注。在中國有著類似的情況,2005年的居民建筑用電量占據(jù)了全國總發(fā)電量的22%~24%[1]。建筑物電能節(jié)約有很大潛力,然而在采取節(jié)能措施之前,必須對電能的使用進行監(jiān)測和控制。因此,該文提出了一種基于混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡(HybridMeshNetwork,HMN)的智能能量管理系統(tǒng)(SmartEnergyManagementSystem,SEMS)。該系統(tǒng)采用了獨創(chuàng)的混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡,可以廣泛應用于建筑物電能監(jiān)控和管理,來構(gòu)建節(jié)能環(huán)保的綠色建筑,該系統(tǒng)具有較好的科研價值和經(jīng)濟價值。

1系統(tǒng)架構(gòu)設計

系統(tǒng)為開放式平臺化設計,圖1描繪了系統(tǒng)的層級架構(gòu),包括:硬件實體層,媒介服務層和應用程序?qū)?各層之間依照功能的不同和相互依存性而劃分。簡而言之,較低層對較高層提供支撐和服務,并且響應來自較高層的需求。硬件實體層包括設備級的系統(tǒng)實體,是被監(jiān)控的建筑物與系統(tǒng)本身的接口。該層的主要設備包括4種類型,電能量測單元、負荷控制單元、混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡和環(huán)境感知單元。電能量測單元負責對設備電能數(shù)據(jù)進行測量。負荷控制單元負責對設備進行操作和控制。混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡組成了系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡基礎,也就是網(wǎng)絡物理實體。環(huán)境感知單元負責對建筑物的真實環(huán)境進行感知,包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、照明度以及室內(nèi)人口數(shù)量。媒介服務層主要提供數(shù)據(jù)管理服務和通信管理服務。數(shù)據(jù)管理服務的目標是高效管理硬件實體層和應用程序?qū)又g的數(shù)據(jù)流。該層定義了數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)流向以及數(shù)據(jù)庫管理。通訊管理層通過應用必要的通訊協(xié)議和相應服務,來控制網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸。做為系統(tǒng)的最頂層,應用程序?qū)影缪莸慕巧怯脩艉拖到y(tǒng)之間的接口。更重要的是,該層提供了系統(tǒng)的應用程序接口(API),方便用戶或開發(fā)人員進行進一步的應用程序設計。

2系統(tǒng)關鍵技術

2.1智能插座和智能電表智能插座和智能電表是電能量測單元最基本的2種硬件設備。智能插座是一個串聯(lián)到設備和電源之間的具有電能量測和無線通訊功能的電力插座。圖2描述了智能插座的功能模塊。智能插座由電源模塊、量測模塊、微控制器模塊、無線通信模塊、繼電器模塊和LED指示燈模塊組成。另外,電池模塊作為一個備用可選模塊,確保設備在失電后仍具有通信功能。智能插座的監(jiān)測目標是建筑物中的單相交流負荷,例如照明、空調(diào)、熱水器、IT設備等。智能插座采用非侵入式安裝,易于部署。三相負荷需要使用智能電表進行量測。智能電表一般需要安裝在建筑物的低壓配電室中,來監(jiān)測某一區(qū)域、樓層或整個大樓的能耗信息。

2.2負荷控制單元在該系統(tǒng)中,電氣負荷的控制策略被分為兩大類:開關控制策略和智能控制策略。開關控制僅提供基本的閉合和分斷功能,例如樓宇照明。而智能控制策略允許控制負荷的多種工作狀態(tài),例如空調(diào)。實際上,智能電表已經(jīng)通過內(nèi)置的繼電器及其驅(qū)動電路,實現(xiàn)了開關控制策略。圖3給出了一個空調(diào)的智能控制器。與智能電表相比,智能控制器通常標配電池模塊,以增強該設備的移動性。無線通迅模塊接受控制指令,并將其轉(zhuǎn)化為GPIO中的輸出信號,來驅(qū)動紅外遙控器的相應電路,實現(xiàn)紅外信號的發(fā)送。同時,無線模組會接收到一個反饋信號,來確認指令已經(jīng)執(zhí)行完畢。空調(diào)智能遙控器也采用非侵入式安裝,在一些新建樓宇中,也可以直接實現(xiàn)無線通信模塊與樓宇中既存的負荷控制系統(tǒng)(例如樓宇中采用BACnet協(xié)議的中央空調(diào)控制系統(tǒng))互聯(lián),實現(xiàn)智能負荷控制策略[2]。

2.3混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡整個能量管理系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡被設計成了混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡,網(wǎng)絡綜合了傳統(tǒng)以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)以及新興的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡的優(yōu)點。混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡的骨干網(wǎng)由以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)構(gòu)成,無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡根據(jù)具體環(huán)境的部署作為補充。這種設計兼顧了網(wǎng)絡的可靠性和靈活性。圖4從整體結(jié)構(gòu)上描述了混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡的概念。直接接入以太網(wǎng)的智能能量網(wǎng)關通常被部署在眾多終端設備附近,例如房間內(nèi)部或走廊,提供最基本和可靠的無線接入。混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡仍然需要一個或多個智能能量網(wǎng)關接入到以太網(wǎng),此處這些智能能量網(wǎng)關的角色可以被視為“網(wǎng)狀路由”。在圖4中,“房間A”和“房間B”中使用了單跳網(wǎng)絡,使得數(shù)據(jù)傳輸具有較小的延時和簡單的路由協(xié)議,但通常網(wǎng)流量負荷較大,因為單一的智能能量網(wǎng)關接入了大量的終端(如智能插座);而“區(qū)域C”中多跳網(wǎng)絡提供了多個可選接入點,在提高可靠性的同時需要復雜的路由協(xié)議。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡的明顯優(yōu)點在于,一旦網(wǎng)絡中的一個智能能量網(wǎng)關發(fā)生故障,破壞了原來的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),它會迅速被從網(wǎng)絡中剔除,剩下的智能能量網(wǎng)關會迅速重組成新的網(wǎng)絡,并建立新的數(shù)據(jù)傳輸路徑。

3系統(tǒng)應用情況及效果

制作智能插座和智能負荷控制器的樣機,其設計均采用了非侵入式安裝。同時在某樓宇某層進行了混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡的搭建,并在圖4中A、B、C、D共四處安裝有智能插座,其監(jiān)控的電氣設備分別為飲水機、空調(diào)、電冰箱和臺式計算機。使用圖4中1~4代表4個智能網(wǎng)關,其中1和3直接通過以太網(wǎng)接入智能網(wǎng)絡控制器,2和1之間、4和3之間通過無線橋連的方式建立了通訊鏈路,為了避免干擾,兩條鏈路分別2.4GHz和5.8GHz。智能網(wǎng)絡控制器直接接入系統(tǒng)服務器。服務器端使用MySQL進行數(shù)據(jù)管理,并配置了PHP開發(fā)環(huán)境,同時還安裝了HTTP服務器以確保基于Web的訪問。

3.1基于Web的實時監(jiān)控做為系統(tǒng)的一個最基本應用,實時監(jiān)控應用允許用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器對設備的基本運行狀態(tài)進行實時數(shù)據(jù)跟蹤。例如,某空調(diào)的實時狀態(tài)監(jiān)控界面包括如下模塊:設備詳情,控制面板,集成的Google地圖,電壓、電流、有功、無功實時數(shù)據(jù)圖,歷史數(shù)據(jù)鏈接,近期警報。這個應用能夠幫助研究者了解不同電氣負荷的工作模式。圖5展示了位置A處的飲水機的工作模式:在圖中所示時間段內(nèi),飲水機有3次用電。這種具有顯著差異的特性曲線描繪了不同設備的負荷模型。通過學習這些設備或某一區(qū)域的負荷模型曲線,研究人員可以了解樓宇的能耗組成情況和樓宇的負荷模型,并制定合理的節(jié)能策略和控制策略[3-5]。

3.2基于規(guī)則的自動負荷控制實時狀態(tài)監(jiān)控界面中集成了一個虛擬控制面板,用戶可以在此對空調(diào)進行遠程手動遙控。另外,用戶可以通過預設的控制規(guī)則來實現(xiàn)自動控制。對圖4中位置B處的空調(diào)進行了測試,通過運行PHP腳本,空調(diào)的工作模式在“加熱”和“待機”模式下進行了切換。圖6給出了試驗過程的空調(diào)能耗曲線。

4結(jié)束語

該文提出了一種基于混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡的智能能量管理系統(tǒng),并實現(xiàn)了包括實時能耗監(jiān)控和負荷控制等基本應用。系統(tǒng)采用了基于“云平臺”的設計思路,并獨創(chuàng)的采用了混合網(wǎng)狀網(wǎng)絡來使得系統(tǒng)具有高度的靈活性和拓展性,同時內(nèi)建的虛擬私有網(wǎng)絡和防火墻確保了系統(tǒng)的安全。該系統(tǒng)在負荷控制的功能上仍存在完善空間,后續(xù)工作將繼續(xù)在這方面展開。此外,基于新算法的節(jié)能策略和基于設備級能耗的樓宇能耗模型的構(gòu)建,也是未來重點的研究課題。

作者：瞿云飛 劉玉 劉鵬飛 吳漢斌 田海水 單位：國網(wǎng)河北省電力公司保定供電分公司