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LonWorks网络技术在建筑能源管理系统平台建设中的应用
一、概述
国家机关办公建筑和大型公共建筑存在能耗、水耗抄表数据不完整、不全面，造成管理难度大、能源利用存在浪费现象。为了确保建筑的能源需求且实现有效节能，很有必要建立能源远程监控与管理系统、掌握建筑能耗的实时数据、对各种能源系统进行分布式监控与集中管理。
二、建筑能源管理系统平台建设总体目标
依据国家住房与城乡建设部2008年出台的《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统技术导则》相关规定，海思自动化公司采用先进的LonWorks高速控制网络技术建设分布式能源监管系统平台，总体目标为：
1）建筑各种能耗实时分类/分项/分户精确计量，计量数据远程传输，为建筑能源管理部门提供决策依据；
2）通过对建筑重点能耗设备的智能控制，有效降低建筑总的能耗；
3)以实时监测的建筑能源系统运行数据为依据，为能源利用诊断、能源质量监测、节能控制、节能潜力分析等提供科学的管理平台。
三、建筑能源管理系统平台的网络结构
海思公司基本国际先进水平的“LonWorks高速控制网络技术”可构建“分布式能源管理系统”，通过对建筑物内各类能耗参数的收集、分析，运用科学算法发出合理的操控指令，保障能源系统的最优化运行。
Highsys®建筑能源管理系统平台采用LonWorks网络技术构建，以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，为大型公共建筑的能源系统实时数据采集、能耗设备的开关状态监测及远程管理与控制提供了基础平台。系统采用分布式监控和集中管理的网络结构，一般分为三层：站控管理层、网络通讯层和现场设备层。
LonWorks网络技术建筑能源管理系统典型网络结构图如下：
1）站控管理层
Highsys®建筑能源管理系统平台站控管理层针对系统的管理人员，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，如计算机工作站、数据库服务器、大屏幕显示设备、打印机、UPS 电源、路由器等组成。监控系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类能源数据信息计算、分析与处理，并以图形、数显等方式反映现场的运行状况。
2）网络通讯层
Highsys®建筑能源管理系统平台网络通讯层主要是由智能网络控制器、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。
智能网络控制器：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
Highsys®建筑能源管理系统平台现场设备层是数据采集终端，主要采用具有LonWorks通讯模式的智能仪表和设备，并配置智能网关采集普通ModBus、MBus等通讯模式仪表和设备的数据，向数据中心上传现场仪表能耗计量数据。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。
四、建筑能源管理系统的主要功能
（一）、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。数据可通过建筑能源管理系统或楼宇自控系统（BAS系统）采集。
数据内容主要包括：建筑物环境参数、低压配电系统电能参数、设备运行状态参数、各类设备能耗数据、供水管网监测数据等。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。
以下就具体事例对现场数据采集网络结构给出相关的解决方案。
1、配置LonWorks通讯智能电表的变电所电力监测网络结构图如下所示：
在建筑能源管理系统硬件配置中，智能电能表是建筑电耗数据计量和电能质量监测的主要仪表。采用能直接接入楼宇自控系统或独立的能源管理系统现场总线（如LonWorks总线）是最理想的选择。
2、配置传统RS485通讯智能电表的变电所电力监测网络结构图如下所示：
配置RS485、RS232等串口通讯接口的三相多功能电能表以其质优价廉，在能耗监测领域被广泛采用。不可否认的是，此类通讯仪表存在抗干扰能力差、可靠性差、系统稳定性差、布线施工难度大、通讯距离短等诸多弱点。因此，如何取长补短，发挥RS485电能表的优势，是这类仪表用于能耗监测领域成败的关键。采用海思公司iGate系列智能网关，充分发挥在楼宇自控系统中广泛采用的LonWorks网络稳定性好、可靠性高、传输速率高、通讯距离远、施工便捷的优势，结合RS485电能表质优价廉、采购方便的特点，能够满足系统建设的需要；
3、Highsys®建筑能源管理系统平台实时监测建筑内变电所低压配电系统各低压总进线、所有出线回路及楼层配电箱和建筑内重点能耗设备供电回路的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、功率因数、频率和谐波等电能参数，在线分析各种用电回路的需量，识别有效负荷与无效能耗，从而可通过技术或行为节能方式，实现建筑的有效节能；
4、Highsys®建筑能源管理系统平台对大型公共建筑自来水管网实现用水总量一级计量，干线重要节点二级计量，各建筑用水量三级计量，分户用水量、中央空调系统用水量以及绿化浇花用水量等三级或四级计量。所有计量点配置RS485或MBus通讯接口的远传智能水表，智能水表通过水表数据采集器集成进现场网络；
5、Highsys®建筑能源管理系统平台对大型公共建筑中央空调制冷/热量、集中供暖热能消耗量、天然气消耗量均配置相应的智能表计，由智能网关进行计量数据采集，并经由智能网络控制器存贮并上传到中央控制室，实现大型公建能耗的分类、分项、分户精确计量。
（二）、能耗数据分析
系统通过对建筑的电耗分类、分项、分户等数据统计、分析，结合模型建筑物能耗对比，确定该建筑能源系统运行状况和设备用能效率，从而提供该建筑能源管理优化措施。
能源监管系统实时采集用水量等数据，通过数据统计与分析，为建筑能源管理部门的水平衡分析、水系统管理，节水改造等提供真实依据。
（三）、建筑节能控制和自动化管理
LonWorks网络技术建筑能源管理系统平台可以根据预先编排的时间程序及逻辑关系，对各类用电设备进行最优化的管理，从而达到节能的目的。在工程中，通常采用如下节能措施：
1）定时法：根据大楼工作作息时间按时启停控制设备，如风机、照明、插座、单体空调等。
2）温度—时间延滞法：根据大楼内温度保持的延滞时间，提前关闭空调主机或锅炉达到节能之目的。
3）调节供水温度：根据室内外实际温度调节空调系统的供水温度，设定合适的供水温度减少系统主机的过度运行，实现节能。
4）经济运行法：在冬季，当室外温度达到13℃时，可直接将室外新风作为回风；在夏季，当室外温度达到24℃时，可直接将室外新风送入室内。从而，系统可节约对送回风系统进行处理的能源。
5）设备等寿命运行：对楼内冷热源主机、水泵、风机等设备进行等时间交替运行，延长设备的运行寿命，节省维护费用。
（四）、能源管理报表
LonWorks网络技术建筑能源管理系统平台 报表管理程序的主要功能是根据国家住房与城乡建设部2008年出台的《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统技术导则》相关规定，并结合用户的需求设计报表样式，把系统中处理的数据经过筛选、组合和统计生成用户需要的报表数据。用表格和图片的形式体现建筑的能源使用情况、设备能耗、设备运行效率、能耗历史曲线等。
本系统还可以根据用户的需要对报表文件采用定时保存、打印或者召唤保存、打印模式。同时本程序还向用户提供了对生成的报表文件管理功能。
报表具有自由设置查询时间实现日、月、年的电能统计，数据导出和报表打印等功能。
1）站控管理层
Highsys®建筑能源管理系统平台站控管理层针对系统的管理人员，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，如计算机工作站、数据库服务器、大屏幕显示设备、打印机、UPS 电源、路由器等组成。监控系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类能源数据信息计算、分析与处理，并以图形、数显等方式反映现场的运行状况。
2）网络通讯层
Highsys®建筑能源管理系统平台网络通讯层主要是由智能网络控制器、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。
智能网络控制器：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
Highsys®建筑能源管理系统平台现场设备层是数据采集终端，主要采用具有LonWorks通讯模式的智能仪表和设备，并配置智能网关采集普通ModBus、MBus等通讯模式仪表和设备的数据，向数据中心上传现场仪表能耗计量数据。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。
四、建筑能源管理系统的主要功能
（一）、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。数据可通过建筑能源管理系统或楼宇自控系统（BAS系统）采集。
数据内容主要包括：建筑物环境参数、低压配电系统电能参数、设备运行状态参数、各类设备能耗数据、供水管网监测数据等。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。
以下就具体事例对现场数据采集网络结构给出相关的解决方案。
1、配置LonWorks通讯智能电表的变电所电力监测网络结构图如下所示：
在建筑能源管理系统硬件配置中，智能电能表是建筑电耗数据计量和电能质量监测的主要仪表。采用能直接接入楼宇自控系统或独立的能源管理系统现场总线（如LonWorks总线）是最理想的选择。
2、配置传统RS485通讯智能电表的变电所电力监测网络结构图如下所示：
配置RS485、RS232等串口通讯接口的三相多功能电能表以其质优价廉，在能耗监测领域被广泛采用。不可否认的是，此类通讯仪表存在抗干扰能力差、可靠性差、系统稳定性差、布线施工难度大、通讯距离短等诸多弱点。因此，如何取长补短，发挥RS485电能表的优势，是这类仪表用于能耗监测领域成败的关键。采用海思公司iGate系列智能网关，充分发挥在楼宇自控系统中广泛采用的LonWorks网络稳定性好、可靠性高、传输速率高、通讯距离远、施工便捷的优势，结合RS485电能表质优价廉、采购方便的特点，能够满足系统建设的需要；
3、Highsys®建筑能源管理系统平台实时监测建筑内变电所低压配电系统各低压总进线、所有出线回路及楼层配电箱和建筑内重点能耗设备供电回路的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、功率因数、频率和谐波等电能参数，在线分析各种用电回路的需量，识别有效负荷与无效能耗，从而可通过技术或行为节能方式，实现建筑的有效节能；
4、Highsys®建筑能源管理系统平台对大型公共建筑自来水管网实现用水总量一级计量，干线重要节点二级计量，各建筑用水量三级计量，分户用水量、中央空调系统用水量以及绿化浇花用水量等三级或四级计量。所有计量点配置RS485或MBus通讯接口的远传智能水表，智能水表通过水表数据采集器集成进现场网络；
5、Highsys®建筑能源管理系统平台对大型公共建筑中央空调制冷/热量、集中供暖热能消耗量、天然气消耗量均配置相应的智能表计，由智能网关进行计量数据采集，并经由智能网络控制器存贮并上传到中央控制室，实现大型公建能耗的分类、分项、分户精确计量。
（二）、能耗数据分析
系统通过对建筑的电耗分类、分项、分户等数据统计、分析，结合模型建筑物能耗对比，确定该建筑能源系统运行状况和设备用能效率，从而提供该建筑能源管理优化措施。
能源监管系统实时采集用水量等数据，通过数据统计与分析，为建筑能源管理部门的水平衡分析、水系统管理，节水改造等提供真实依据。
（三）、建筑节能控制和自动化管理
LonWorks网络技术建筑能源管理系统平台可以根据预先编排的时间程序及逻辑关系，对各类用电设备进行最优化的管理，从而达到节能的目的。在工程中，通常采用如下节能措施：
1）定时法：根据大楼工作作息时间按时启停控制设备，如风机、照明、插座、单体空调等。
2）温度—时间延滞法：根据大楼内温度保持的延滞时间，提前关闭空调主机或锅炉达到节能之目的。
3）调节供水温度：根据室内外实际温度调节空调系统的供水温度，设定合适的供水温度减少系统主机的过度运行，实现节能。
4）经济运行法：在冬季，当室外温度达到13℃时，可直接将室外新风作为回风；在夏季，当室外温度达到24℃时，可直接将室外新风送入室内。从而，系统可节约对送回风系统进行处理的能源。
5）设备等寿命运行：对楼内冷热源主机、水泵、风机等设备进行等时间交替运行，延长设备的运行寿命，节省维护费用。
（四）、能源管理报表
LonWorks网络技术建筑能源管理系统平台 报表管理程序的主要功能是根据国家住房与城乡建设部2008年出台的《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统技术导则》相关规定，并结合用户的需求设计报表样式，把系统中处理的数据经过筛选、组合和统计生成用户需要的报表数据。用表格和图片的形式体现建筑的能源使用情况、设备能耗、设备运行效率、能耗历史曲线等。
本系统还可以根据用户的需要对报表文件采用定时保存、打印或者召唤保存、打印模式。同时本程序还向用户提供了对生成的报表文件管理功能。
报表具有自由设置查询时间实现日、月、年的电能统计，数据导出和报表打印等功能。
