智能能量管理系統的設計與應用范文

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摘要:

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

關鍵詞:

網狀網絡;能量管理系統;建筑物;節能

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

1系統架構設計

系統為開放式平臺化設計,圖1描繪了系統的層級架構,包括:硬件實體層,媒介服務層和應用程序層,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實體,是被監控的建筑物與系統本身的接口。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、混合網狀網絡和環境感知單元。電能量測單元負責對設備電能數據進行測量。負荷控制單元負責對設備進行操作和控制。混合網狀網絡組成了系統的通信網絡基礎,也就是網絡物理實體。環境感知單元負責對建筑物的真實環境進行感知,包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、照明度以及室內人口數量。媒介服務層主要提供數據管理服務和通信管理服務。數據管理服務的目標是高效管理硬件實體層和應用程序層之間的數據流。該層定義了數據格式、數據流向以及數據庫管理。通訊管理層通過應用必要的通訊協議和相應服務,來控制網絡中的數據傳輸。做為系統的最頂層,應用程序層扮演的角色是用戶和系統之間的接口。更重要的是,該層提供了系統的應用程序接口(API),方便用戶或開發人員進行進一步的應用程序設計。

2系統關鍵技術

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。智能插座的監測目標是建筑物中的單相交流負荷,例如照明、空調、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,來監測某一區域、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,例如空調。實際上,智能電表已經通過內置的繼電器及其驅動電路,實現了開關控制策略。圖3給出了一個空調的智能控制器。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,并將其轉化為GPIO中的輸出信號,來驅動紅外遙控器的相應電路,實現紅外信號的發送。同時,無線模組會接收到一個反饋信號,來確認指令已經執行完畢。空調智能遙控器也采用非侵入式安裝,在一些新建樓宇中,也可以直接實現無線通信模塊與樓宇中既存的負荷控制系統(例如樓宇中采用BACnet協議的中央空調控制系統)互聯,實現智能負荷控制策略[2]。

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

3系統應用情況及效果

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狀網絡的搭建,并在圖4中A、B、C、D共四處安裝有智能插座,其監控的電氣設備分別為飲水機、空調、電冰箱和臺式計算機。使用圖4中1~4代表4個智能網關,其中1和3直接通過以太網接入智能網絡控制器,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。智能網絡控制器直接接入系統服務器。服務器端使用MySQL進行數據管理,并配置了PHP開發環境,同時還安裝了HTTP服務器以確保基于Web的訪問。

3.1基于Web的實時監控做為系統的一個最基本應用,實時監控應用允許用戶通過網頁瀏覽器對設備的基本運行狀態進行實時數據跟蹤。例如,某空調的實時狀態監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、無功實時數據圖,歷史數據鏈接,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,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,并制定合理的節能策略和控制策略[3-5]。

3.2基于規則的自動負荷控制實時狀態監控界面中集成了一個虛擬控制面板,用戶可以在此對空調進行遠程手動遙控。另外,用戶可以通過預設的控制規則來實現自動控制。對圖4中位置B處的空調進行了測試,通過運行PHP腳本,空調的工作模式在“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能耗曲線。

4結束語

該文提出了一種基于混合網狀網絡的智能能量管理系統,并實現了包括實時能耗監控和負荷控制等基本應用。系統采用了基于“云平臺”的設計思路,并獨創的采用了混合網狀網絡來使得系統具有高度的靈活性和拓展性,同時內建的虛擬私有網絡和防火墻確保了系統的安全。該系統在負荷控制的功能上仍存在完善空間,后續工作將繼續在這方面展開。此外,基于新算法的節能策略和基于設備級能耗的樓宇能耗模型的構建,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：國網河北省電力公司保定供電分公司