能源管理系统与能耗监测的解决方案
1 概述
能源管理系统是以帮助工业生产企业在扩大生产的同时，合理计划和利用能源，降低单位产品能源消耗，提高经济效益为目的信息化管控系统。
通过能源计划，能源监控，能源统计，能源消费分析，重点能耗设备管理，能源计量设备管理等多种手段，使企业管理者对企业的能源成本比重，发展趋势有准确的掌握，并将企业的能源消费计划任务分解到各个生产部门车间，使节能工作责任明确，促进企业健康稳定发展。
能源管理系统的基本管理职能： ●能源系统主设备运行状态的监视
●能源系统主设备的集中控制、操作、调整和参数的设定 ●实现能源系统的综合平衡、合理分配、优化调度。 ●异常、故障和事故处理。 ●基础能源管理。
●能源运行潮流数据的实时短时归档、数据库归档和即时查询。
在我国的能源消耗中，工业与大型公建是我国能源消耗的大户，能源消耗量占全国能源消耗总量的70%左右，而不同类型工业企业的工艺流程，装置情况、产品类型、能源管理水平对能源消耗都会产生不同的影响。建设一个全厂级的集中统一的能源管理系统可以完成对能源数据进行在线的采集、计算、分析及处理从而实现对能源物料平衡、调度与优化、能源设备运行与管理等方面发挥着重要的作用。
能源管理系统（简称EMS）是企业信息化系统的一个重要组成部分，因此在企业信息化系统的架构中，把能源管理作为MES系统中的一个基本应用构件，作为大型企业自动化和信息化的重要组成部分，安科瑞（Acrel）公司的Acrel-5000产品以实时数据库系统为核心可以从数据采集、联网、能源数据海量存储、统计分析、查询等提供一个EMS的整体解决方案，达到公司调度管理人员在能源管控中心实时对系统的动态平衡进行直接控制和调整，达到节能降耗的目的。
2 系统软件
Acrel-5000能耗监测系统以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，为大型公共建筑的实时数据采集、开关状态监测及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统。该系统主要采用分层分布式计算机网络结构，一般分为三层：站控管理层、网络通讯层和现场设备层，如图1所示。
图1 系统结构图
1）站控管理层
站控管理层针对能耗监测系统的管理人员，是人机交互的直接窗口，也是系统的最上层部分。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。监测系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类数据信息计算、分析与处理，并以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况。
监控主机：用于数据采集、处理和数据转发。为系统内或外部提供数据接口，进行 系统管理、维护和分析工作。
打印机：系统召唤打印或自动打印图形、报表等。
模拟屏：系统通过通讯方式与智能模拟屏进行数据交换，形象显示整个系统运行状况。 UPS：保证计算机监测系统的正常供电，在整个系统发生供电问题时，保证站控管理层设备的正常运行。 2）网络通讯层
通讯层主要是由通讯管理机、以太网设备及总线网络组成。该层是数据信息交换的桥梁，负责对现场设备回送的数据信息进行采集、分类和传送等工作的同时，转达上位机对现场设备的各种控制命令。
通讯管理机：是系统数据处理和智能通讯管理中心。它具备了数据采集与处理、通讯控制器、前置机等功能。
以太网设备：包括工业级以太网交换机。
通讯介质：系统主要采用屏蔽双绞线、光纤以及无线通讯等。 3）现场设备层
现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表组成，采用具有高可靠性、带有现场总线连接的分布式I/O控制器构成数据采集终端，向数据中心上传存储的建筑能耗数据。测量
仪表担负着最基层的数据采集任务，其监测的能耗数据必须完整、准确并实时传送至数据中心。
3 能源管理系统与能耗监测系统的功能 3.1能源管理功能
3.1.1数据的采集和存储
数据的采集和存储是整个系统的基础，没有大量的数据就无法进行有效的分析，没有有效的分析就无法得到正确的能源管理措施。数据可通过建筑设备管理系统（BAS系统）采集。
数据内容主要包括：建筑物环境参数、设备运行状态参数、各设备能耗数据等。获取的参数越多、运行的周期越长，越容易得到准确的结论。但若参数过多，又会造成建设成本的大量增加，因此可根据各建筑物的具体情况把数据分为：系统运行所必须的基础数据和辅助数据（可选数据），在管理效果和建设成本间取得平衡。 3.1.2建筑物参照模型和能耗计算
按照世界能源委员1979年提出的“节能”定义：采取技术上可行、经济上合理、环境和社会可接受的一切措施，来提高能源资源的利用效率。即尽可能地减少能源消耗量，生产出与原来同样数量、同样质量的产品；或者是以原来同样数量的能源消耗量，生产出比原来数量更多或数量相等质量更好的产品。以此延伸开来，建筑物的节能可以定义为：在基本不影响建筑物功能和舒适性的前提下，尽量减少能耗。所以，判断一个建筑物节能与否，节能多少需要有个参照物，通过和参照物比较才能得出结论。对于改造的建筑，通常可以用同一气候条件下的历史能耗数据作为参照。而新建建筑则相对比较复杂，日前在实际工程中常见下列几种方式：
类比法：以类型、规模、功能相仿的建筑的能耗作为参照。主要适用于连锁酒店、连锁超市、连锁商场等建筑条件相仿，管理模式相同的同一集团或管理公司旗下的建筑物。 测试法：在建筑物正常运行后，分别在各气候条件下测试采取能耗管理措施和未采取措施的日能耗数量。通常可以在夏、冬两季各选择数天，采取隔日测试法，即第一天，测试采取能源管理措施日能耗量；第二天，关闭能源管理软件测试日能耗量；以此类推。这种方式缺陷是测试的时间跨度偏长。
计算法：通过为建筑建立模型，设定参数，模拟计算出该建筑物的能耗。这种方式优点很明显，通过模型能对建筑物的各设备能耗全面计算，为能耗管理提供方向性指导。但采用不同的软件计算出的能耗值有差距，目前对计算出的能耗值的准确性和权威性均存在争议，计算结果能否作为节能合同内的节能率计算依据是主要的分歧点。 3.1.3能耗数据分析
通过对建筑的能耗数据统计、分析，结合模型建筑物能耗对比，确定建筑物能耗对比，确定建筑物的能耗状况和设备能耗效率，从而提供建筑物能源管理优化措施。能耗数据分析模块是能耗管理软件的精髓所在，目前市场上各家软件的算法不尽相同，其效果还需市场验证。然而，以模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制技术的发展将极大推动能源管理水平。
3.1.4能源控制和管理
建筑物的节能措施主要通过建筑设备管理系统（BAS系统）来执行。能源管理平台和BAS系统的完美结合，是能源控制和管理措施实现的保障。目前，能源管理和BAS还分属不同智能化系统，两系统的相互融合应该是智能化系统发展的方向。 3.1.5能源管理报表
用表格和图片的形式体现建筑物的能源使用情况、设备能耗、设备运行效率、能耗历
史曲线等，以适应不同人群的需求。系统一般应能提供WEB服务，获得授权许可的远程用户能通过浏览器了解建筑物的能源使用状况。 3.2能耗分析软件功能
Acrel-5000建筑能耗分析管理系统的能耗数据采集方式包括人工采集方式和自动采集方式。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、人工煤气等能耗量。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心。
3.2.1大型公建或楼宇建筑的信息管理
系统提供标准的手工信息录入界面，可对各栋监控建筑的基本信息进行整理和录入，并支持手工录入历史能耗数据的功能。
Acrel-5000建筑能耗分析管理系统的数据库建立也完全依据114号文，根据建筑的使用功能和用能特点，将国家机关办公建筑和大型公共建筑分为如下8类： 1、办公建筑 2、商场建筑
3、宾馆饭店建筑 4、文化教育建筑 5、医疗卫生建筑 6、体育建筑 7、综合建筑 8、其它建筑 3.2.2能耗数据的实时监测
系统采集站定时采集各监控点的仪表参数并上传至本地建筑能耗分析管理系统数据库，用户可于当地实时查询能耗监测情况。 3.2.3建筑分类能耗分析
系统在完成数据处理与上传的同时，将建筑能耗进行分类分析，该部分功能符合114号文的定义，即将建筑能耗分类为如下六类： 1、耗电量 2、耗水量
3、耗气量（天然气量或者煤气量） 4、集中供热耗热量 5、集中供冷耗冷量
6、其他能源应用量（如集中热水供应量、煤、油、可再生能源等） 3.2.4电量分项能耗分析
照明插座用电：为建筑物主要功能区域的照明、插座等室内设备用电。主要包括照明和插座用电、走廊和应急照明用电、室外景观照明用电。
空调用电：主要包括冷热站用电、空调末端用电。
动力用电：主要包括电梯用电、水泵用电、通风机用电。 特殊用电：主要包括信息中心、洗衣房、厨房餐厅、游泳池、健身房或者其他特殊用电。 建筑总能耗为建筑各分类能耗（除水耗量外）所折算的标准煤量之和。 总用电量＝∑各变压器总表直接计量值
分类能耗量＝∑各分类能耗计量表的直接计量值 分项用电量＝∑各分项用电计量表的直接计量值 单位建筑面积用电量＝总用电量/总建筑面积 单位空调面积用电量＝总用电量/总空调面积 3.2.5用能情况的同、环比分析
统计建筑或片区能耗的时用量、日用量和年用量，以曲线图、柱状图等不同方式显示，支持报表输出。
3.2.6建筑节能辅助诊断
系统可提取各能耗数据进行同、环对比分析，确立标杆值并对各监控点的能耗情况进行能耗水平判定，对能耗改善提出一套完整的诊断流程，并给出能耗分析报告。 4 结束语
随着国家发展节能减排工作力度的加大，Acrel-5000建筑能耗管理系统利用现代测控技术、数据处理与通讯技术，基于完善的能耗监测管理手段，采用分散控制器和交流采样技术，凭借功能强大的大流量高可靠性通讯网络，为工业民用建筑、生产企业和大型基础设施等的能源设施的全时动态的能源管理控制提供全面专业的解决方案,达到对用户能耗设施能耗细节和能耗过程的完全掌握。
参考文献：
[1]江苏安科瑞电器制造有限公司产品手册.2010.08版. [2]南京长江都市建筑设计股份有限公司产品手册.
如需更多详细资料，请联系： 江苏安科瑞电器制造有限公司 联系人:徐玉丽 13771584106 Q Q：1759867226
MSN：xuyuli808284@hotmail.com 电话：0510-86179968 传真：0510-86179975
邮箱：xuyuli808284@163.com 主页：http://www.jyacrel.cn/
地址：江苏省江阴市南闸镇东盟路5号
物联网（ZigBee）技术在能源管理系统中的应用
字体大小：大 - 中 - 小 shacrel 发表于 11-08-08 10:12 阅读(107) 评论(0) 分类：技术论文
无所不在的物联网通信时代即将来临，物联网被专家及多个国家认为是继互联网浪潮之后的又一次科技革命。不管是IBM提出的智慧地
球，还是温家宝总理在无锡提出的感知中国，都意味着物联网将是当下最热门最具竞争性的产业。传统的能源管理系统一般需要布设现
场总线，然后将现场设备连接到一台电脑进行数据处理并向用户显示界面，当数据量较大时可能需要单独的数据处理服务器，而如果需
要实现跨地区的远程管理，更是需要在互联网上架设一台专门的服务器，这样，不仅需要投入服务器等网络设备以及开发相应的服务软
件，系统的维护除现场级设备和总线链路外还需要IT部门的管理员协助维护服务器设备，避免服务器故障而造成损失。因此，将物联网
技术引入到远程能源管理系统中来，底层运用无线传感网络连接现场传感器及设备，上层使用互联网技术服务，消除现场级布线的烦恼，
可以消除网络硬件的投入及日常的IT维护，同时可以轻松实现基于WEB服务的远程管理。由于本文所述的能源管理系统采用安科瑞
（Acrel）公司提供的平台及解决方案，因此，在系统具体实现的设计均按照Acrel平台的要求，但这并不影响借鉴和参考此平台和解决
方案来讨论物联网的构架、问题，及前景。
1 什么是物联网
1.1 物联网的定义
目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义，只是在大体的技术框架上做了一个概念性的表述：通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网就字面意义上理解就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户
端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。因为物联网技术的发展几乎涉及到了信息技术的方方面面，是一种聚合性、系统性的创新应用与发展，也因此才被称为是信息技术的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来主要体现在三个方面：一是互联网特征，即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络；二是识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信的功能；三是智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。
1.2 物联网的组成
物联网的结构主要由三大块组成：
一、包括各类传感器、控制器等数据采集控制设备，及构成这些设备互联的底层传感网络组成的设备感知层。感知层中的智能终端、智能传感器、射频识别，以及传感网络，组成了物联网的底层基础。
二、将底层传感器数据传输到互联网上的网络层。网络层运用各种接入技术：如以太网、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至卫星通讯等，最终接入互联网。云技术强大的存储、查询、计算能力，也都归属在这一层。
三、根据客户自身需求，利用感知数据或状态为用户提供有效的特定服务的应用层。应用层是对感知数据的一种特定形式的呈现。
1.3 ZigBee技术的特点
ZigBee协议基于IEEE 802.15.4标准，从2004年发布ZigBee V1．0到最新的增加了ZigBee-PRO扩展指令集的ZigBee2006版本，ZigBee功能不断强大。ZigBee具备强大的设备联网功能(见图1)，它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和树型结构(Cluster Tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。与目前普遍应用的wi-Fi、Bluetooth等短距离无线通信技术相比较，ZigBee的特点主要有。
(1)工作周期短、收发信息功耗较低，并且RFD(Reduced Function Device，简化功能器件)采用了休眠模式，不工作时都可以进入睡眠模式。
(2)低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4 KB代码。
(3)低速率、短延时。ZigBee的最大通信速率达到250 kb／s(工作在2.4GHz时)，满足低速率传输数据的应用需求。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工
作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需3～10S、Wi-Fi需3S。 (4)近距离，高容量。传输范围一般介于10～100 m，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3km。这指的是相邻节点间的距离，若通过路由和节点间通信的接力，扩展后达到几百米甚至几公里。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构。由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。 (5)高可靠性和高安全性。ZigBee的媒体接入控制层(Medium Access Control，MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。ZigBee还提供了3级安全模式，包括无安全设定、使用接人控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准(Advanced Encryption Standard，AES)的对称密码，以灵活确定其安全属性。 (6)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(Industrial Scientific Medical，ISM)频段，分别为2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。 1.4 ZigBee的性能参数 以Acrel公司ANEZB-485 ZigBee采集器和ANEZB-GTW ZigBee网络终端为例，其主要参数见表1. 表1 型 号 参 数 ANEZB-485 ZigBee采集器 ANEZB-GTW ZigBee网络终端 无线 频率范围 RF信道 接收灵敏度 发射功率 天 线 网络拓扑 寻址方式 网络容量 -27dbm~25dbm 外置SMA天线 网状 IEEE802.15.4/ZigBee标准地址 最大255个节点 通信接口 通信接口 波特率 RS485 工业以太网 2.41GHz~2.48GHz 16 -94dbm 9600bps（默认）、4800bps、2400bps、1200bps可选； 通信协议 MODBUS-RTU协议 LED指示 网络状态指示 POWER指示 数据指示 绿灯 红灯 绿灯 电源 辅助电源 功耗 220V AC 4W 浪涌电压4000V 电磁兼容 快速瞬变群脉冲4000V 静电8000V 机械尺寸 工作温度 储藏温度
89×76×74mm -20℃~65℃ -40℃~85℃
2 能源管理系统的设计
2.1 工作原理
能源管理系统主要实现对区域内用电设备的智能管理，采用基于Acrel公司解决方案，感知层采用ZigBee无线通讯技术。由于ZigBee网络具有设备成本低、设备体积小、省电、网络自愈能力强等特点，非常适合广泛应用在智能家庭、工业控制、能源管理、医疗监控等物联网领域。网关和网络电力仪表、智能开关组成一个ZigBee私域网络，实现相互之间的连接。网关可进行本地逻辑运算，实现本地智能。
2.2 系统结构
能源管理系统由现场采集执行器、本地数据处理、应用服务程序等几个部分组成。其系统结构见图2。
(1)现场采集执行器：主要有ACR330ELH、ACR220EL卡表
(2)应用服务程序：运行于Google云技术服务平台，基于Google App Engine开发的web应用程序，具有权限的用户在任何可以接入互联网的地方，使用Web浏览器登录，即可查看该能源管理系统中的设备运行状态，以及能耗数据报表等信息。
3 能源管理系统计量体系宜选电力仪表
建立能源管理系统应先建立计量体系。数据先于决策，节能始于计量。为了不重复投资，造成浪费，能源管理系统应与配电系统一体化，直接在配电系统中采集能耗数据。
电能计量宜采用电力仪表作为内部管理电表，不宜用收费电表。在电能管理中，供电部门一般会在总进线处安装收费电表。考虑内部电能计量与节能管理的需要，在用户安装收费电表的基础上安装电力仪表，用于内部电能管理。因此用户可自主选择采购，但应注意制造商是否有电力仪表（电能部分）的计量许可证。电力仪表可以完成对各回路、各功能区的分项电能数据的采集，通过后台电能管理系统完成电能分项计量。
4 ZigBee无线抄表解决方案
图3为ZigBee能源管理系统，远程通信网络采用工业以太网络，网络中电表的通信协议采用MODBUS-RTU协议。整个系统中监控主机通过以太网按照TCP/IP协议把MODBUS-RTU命令数据传递给ZigBee网络中心节点，网络中心节点再通过单点对多点的通信模式，以广播的方式把命令数据帧传递给ZigBee无线网络中的各个ZigBee采集器，通过ZigBee采集器传递给485总线
上的各个表计，如果表计的地址与命令帧中所涉及的地址吻合，则做出相应的数据回复，通过原路返回给监控主机。
整个系统可以监测整个厂区或整幢楼宇等的各个分项的电能计量，譬如一个厂区路灯耗电量、各个办公室的耗电量、各条生产线的耗电量等等，还可以以报表的形式分析该工厂在一段时时间内的各个分项能耗占总能耗的百分比，以便工厂了解这段时间里的各个分项的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已达到节能减耗的效果。
安科瑞为生产基地——江苏安科瑞电器制造有限公司设计的针对生产用电进行管理的电能管理分析系统，是基于ZigBee（物联网）无线网络的电能管理系统，整个系统的组网采用ZigBee与RS485混合组网模式。
整个厂区共设8个集中监测点，分别位于配电间、层配生产动力柜、空调动力柜、排风机控制箱及位于配电末端的几个照明控制箱。每个监测点各设置无线ZigBee采集器一只，通过RS485总线对位于该监测点的电能计量仪表进行通讯
组网；监控中心设置ZigBee网络终端一只，结合现场实际情况及考虑通讯的可靠性，于适当位置设置数只ZigBee中继路由器。系统的组网示意如图4。
公司通过建立ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统解决方案的工厂试点工程，对ANEZB无线ZigBee通讯模块的实际参数进行了验证。详细参数见表3。 表3 ANEZB系列ZigBee通讯模块性能参数表 参数 系统容量 工作频段 无线信道 网络ID数 子网容量 ZigBee网络终端 ZigBee采集器 1个 ≤30个 2.4GHz 16个 255个 备注 不同信道，不同ID可以组成不同的子网。 网络中有时需要牺牲一些ZigBee采集器只作中继路由，防表计容量 ≤254个 止个别节点通信不上。 条件 空旷无障碍地方传输穿透距离（单位：米） 备注 1200 距离 24cm厚砖墙，宽416（3堵墙） 米的房间 建议安装在靠近外墙，效果更好。 单堵24cm厚砖墙 16cm混向上传输 凝土楼板，层高4向下传输 米
40 8（2层板） 4（1层板） 注1：以上表中数据是试点工程中的实测数据。在实际情况实施时，应视楼宇实际结构而定。
注2：无线信号穿透能力，往往还会受到如房间堆放物品的数量，堆放物品的高度等影响。
4 结束语
基于ZigBee无线网络配电管理系统组网方式比较灵活，而且有效减少了布线工作量，解决了有线通信方式带来的布线难度大、成本高和升级维护困难等问题。
物联网技术在此能源管理系统中取得了成功的应用，通过设定一些阈值及条件，电灯可依照亮度传感器的感知数据及夏令、冬令时间自行开关，实现了物物感知、智能控制的效果，而云技术的运用实现了免IT基础设施的用户应用即时发布，彻底消除了IT设备采购周期、IT维护等因素的影响。运用物联网技术将使人们的生活更加便捷、更加智能化，物联网技术将会越来越多的被应用，物联网应用也会从目前的局限于一个工厂、一栋楼宇的局域感知型物联网，向大范围、
众多不同设备互联的广域感知型物联网发展。但是由于当前物联网技术还没有相关统一的标准体系，且物联网本身的定义还存在争论，因此，全面普及的大范围广域物联网还有许多路要走。
参考文献：
[1]上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2010.08版.
[2]张莉.ZigBee技术在物联网中的应用[J].电信网技术,2010年3月,第3期. [3]宋谦，物联网技术在能源管理系统中的应用.美国迪进上海代表处系统工程师.
能源管理系统与能耗监测的解决方案 - 图文
