智能能量管理系统的设计与应用范文

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摘要:

针对建筑物电能监控和管理的现状,提出了一种基于混合网状网络的智能能量管理系统,介绍系统“云平台”的设计理念及构架,从智能插座和智能电表、负荷控制单元、混合网状网络等方面分析该系统的关键技术,将该系统部署于一栋楼宇,并进行了相应的研究和测试,试验结果表明该系统具有优秀的实用价值。

关键词:

网状网络;能量管理系统;建筑物;节能

电能节约在全球范围内都引起了广泛关注。在中国有着类似的情况,2005年的居民建筑用电量占据了全国总发电量的22%~24%[1]。建筑物电能节约有很大潜力,然而在采取节能措施之前,必须对电能的使用进行监测和控制。因此,该文提出了一种基于混合网状网络(HybridMeshNetwork,HMN)的智能能量管理系统(SmartEnergyManagementSystem,SEMS)。该系统采用了独创的混合网状网络,可以广泛应用于建筑物电能监控和管理,来构建节能环保的绿色建筑,该系统具有较好的科研价值和经济价值。

1系统架构设计

系统为开放式平台化设计,图1描绘了系统的层级架构,包括:硬件实体层,媒介服务层和应用程序层,各层之间依照功能的不同和相互依存性而划分。简而言之,较低层对较高层提供支撑和服务,并且响应来自较高层的需求。硬件实体层包括设备级的系统实体,是被监控的建筑物与系统本身的接口。该层的主要设备包括4种类型,电能量测单元、负荷控制单元、混合网状网络和环境感知单元。电能量测单元负责对设备电能数据进行测量。负荷控制单元负责对设备进行操作和控制。混合网状网络组成了系统的通信网络基础,也就是网络物理实体。环境感知单元负责对建筑物的真实环境进行感知,包括温度、湿度、二氧化碳浓度、照明度以及室内人口数量。媒介服务层主要提供数据管理服务和通信管理服务。数据管理服务的目标是高效管理硬件实体层和应用程序层之间的数据流。该层定义了数据格式、数据流向以及数据库管理。通讯管理层通过应用必要的通讯协议和相应服务,来控制网络中的数据传输。做为系统的最顶层,应用程序层扮演的角色是用户和系统之间的接口。更重要的是,该层提供了系统的应用程序接口(API),方便用户或开发人员进行进一步的应用程序设计。

2系统关键技术

2.1智能插座和智能电表智能插座和智能电表是电能量测单元最基本的2种硬件设备。智能插座是一个串联到设备和电源之间的具有电能量测和无线通讯功能的电力插座。图2描述了智能插座的功能模块。智能插座由电源模块、量测模块、微控制器模块、无线通信模块、继电器模块和LED指示灯模块组成。另外,电池模块作为一个备用可选模块,确保设备在失电后仍具有通信功能。智能插座的监测目标是建筑物中的单相交流负荷,例如照明、空调、热水器、IT设备等。智能插座采用非侵入式安装,易于部署。三相负荷需要使用智能电表进行量测。智能电表一般需要安装在建筑物的低压配电室中,来监测某一区域、楼层或整个大楼的能耗信息。

2.2负荷控制单元在该系统中,电气负荷的控制策略被分为两大类:开关控制策略和智能控制策略。开关控制仅提供基本的闭合和分断功能,例如楼宇照明。而智能控制策略允许控制负荷的多种工作状态,例如空调。实际上,智能电表已经通过内置的继电器及其驱动电路,实现了开关控制策略。图3给出了一个空调的智能控制器。与智能电表相比,智能控制器通常标配电池模块,以增强该设备的移动性。无线通迅模块接受控制指令,并将其转化为GPIO中的输出信号,来驱动红外遥控器的相应电路,实现红外信号的发送。同时,无线模组会接收到一个反馈信号,来确认指令已经执行完毕。空调智能遥控器也采用非侵入式安装,在一些新建楼宇中,也可以直接实现无线通信模块与楼宇中既存的负荷控制系统(例如楼宇中采用BACnet协议的中央空调控制系统)互联,实现智能负荷控制策略[2]。

2.3混合网状网络整个能量管理系统的通信网络被设计成了混合网状网络,网络综合了传统以太网、无线局域网以及新兴的无线网状网络的优点。混合网状网络的骨干网由以太网和无线局域网构成,无线网状网络根据具体环境的部署作为补充。这种设计兼顾了网络的可靠性和灵活性。图4从整体结构上描述了混合网状网络的概念。直接接入以太网的智能能量网关通常被部署在众多终端设备附近,例如房间内部或走廊,提供最基本和可靠的无线接入。混合网状网络仍然需要一个或多个智能能量网关接入到以太网,此处这些智能能量网关的角色可以被视为“网状路由”。在图4中,“房间A”和“房间B”中使用了单跳网络,使得数据传输具有较小的延时和简单的路由协议,但通常网流量负荷较大,因为单一的智能能量网关接入了大量的终端(如智能插座);而“区域C”中多跳网络提供了多个可选接入点,在提高可靠性的同时需要复杂的路由协议。无线网状网络的明显优点在于,一旦网络中的一个智能能量网关发生故障,破坏了原来的网络拓扑结构,它会迅速被从网络中剔除,剩下的智能能量网关会迅速重组成新的网络,并建立新的数据传输路径。

3系统应用情况及效果

制作智能插座和智能负荷控制器的样机,其设计均采用了非侵入式安装。同时在某楼宇某层进行了混合网状网络的搭建,并在图4中A、B、C、D共四处安装有智能插座,其监控的电气设备分别为饮水机、空调、电冰箱和台式计算机。使用图4中1~4代表4个智能网关,其中1和3直接通过以太网接入智能网络控制器,2和1之间、4和3之间通过无线桥连的方式建立了通讯链路,为了避免干扰,两条链路分别2.4GHz和5.8GHz。智能网络控制器直接接入系统服务器。服务器端使用MySQL进行数据管理,并配置了PHP开发环境,同时还安装了HTTP服务器以确保基于Web的访问。

3.1基于Web的实时监控做为系统的一个最基本应用,实时监控应用允许用户通过网页浏览器对设备的基本运行状态进行实时数据跟踪。例如,某空调的实时状态监控界面包括如下模块:设备详情,控制面板,集成的Google地图,电压、电流、有功、无功实时数据图,历史数据链接,近期警报。这个应用能够帮助研究者了解不同电气负荷的工作模式。图5展示了位置A处的饮水机的工作模式:在图中所示时间段内,饮水机有3次用电。这种具有显著差异的特性曲线描绘了不同设备的负荷模型。通过学习这些设备或某一区域的负荷模型曲线,研究人员可以了解楼宇的能耗组成情况和楼宇的负荷模型,并制定合理的节能策略和控制策略[3-5]。

3.2基于规则的自动负荷控制实时状态监控界面中集成了一个虚拟控制面板,用户可以在此对空调进行远程手动遥控。另外,用户可以通过预设的控制规则来实现自动控制。对图4中位置B处的空调进行了测试,通过运行PHP脚本,空调的工作模式在“加热”和“待机”模式下进行了切换。图6给出了试验过程的空调能耗曲线。

4结束语

该文提出了一种基于混合网状网络的智能能量管理系统,并实现了包括实时能耗监控和负荷控制等基本应用。系统采用了基于“云平台”的设计思路,并独创的采用了混合网状网络来使得系统具有高度的灵活性和拓展性,同时内建的虚拟私有网络和防火墙确保了系统的安全。该系统在负荷控制的功能上仍存在完善空间,后续工作将继续在这方面展开。此外,基于新算法的节能策略和基于设备级能耗的楼宇能耗模型的构建,也是未来重点的研究课题。

作者：瞿云飞 刘玉 刘鹏飞 吴汉斌 田海水 单位：国网河北省电力公司保定供电分公司