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浅谈基于微电网的智慧校园能耗监测系统的设计与产品应用

文章更新时间:2023-07-04 点击量:261

摘要:针对高校教学建筑能效监督效率低的问题,阐述了基于物联网技术的智能校园建筑能效监督系统的整体设计、分层设计、硬件系统设计、软件系统设计和功能测试。通过对能耗监督系统关键功能的测试,测试效果良好,结果符合设计要求。


1.引言

随着我国社会经济的快速发展,工业化和现代化进程稳步推进,资源和能源的合理利用始终影响着经济和社会的发展。根据《中国建筑能耗报告2020》,2005年至2018年,建筑运行阶段能耗从4.8亿tce(吨标准煤)增长到9.5亿tce,年平均增长率为5.39%。《重点用能单位节能管理办法》自2018年5月1日起施行,要求重点用能单位提高能源利用效率,控制能源消费总量。有效的建筑能耗监测是实现节约型校园的重要组成部分,迫切需要配备能耗监管系统来控制能源消费。根据高校教学建筑能耗现状,设计了基于物联网技术的智能校园建筑能效监管系统。系统引入ZigBee和WiFi无线传输技术,以理想教室为研究对象,收集温度、流量、功耗数据,建立相应的内部数据传输网络,借助云服务器平台总结数据,分析教室空调制冷、水加热能源效率,清晰控制校园建筑能耗,为节能改造提供依据。


2.系统的整体设计

2.1系统设计框图

基于物联网的能效监管系统由能耗数据感知层(获取数据)组成、由数据传输层(数据汇总和上传)和数据应用层(数据显示)组成,系统总体设计框图如图所示。

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数据感知层(获取数据)由大量的传感终端组成,收集到的数据汇总到数据传输层的协调器,接收能耗数据并上传到数据应用层。数据应用层由Onenet云服务器支持,具有数据整理、分析、显示等功能,为相应教室的空调制冷和水加热能源效率评价提供数据支持。同时,云服务器可根据能耗数据上传路径发布指令,控制传感终端。


2.2系统网络拓扑设计系统网络拓扑设计

该系统采用ZigBee网络技术。ZigBee网络通常由三个节点组成:协调(Coordinator)、路由器(Router)、终端(EndDevice)。协调器和终端设备节点形成星形网络拓扑结构,如图所示。

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从图中不难看出,传感器终端连接各种传感器来收集能耗数据。协调器用于创建和领导Zigbee网络。协调器节点又称聚合节点,将多个终端设备节点放置在不同的位置。它们将收集到的数据传输到聚合节点,先处理数据,然后通过WiFi模块将数据传输到网关。网关与云服务器通信,上传能耗数据,发布远程指令,将Zigbee网络与互联网连接,实现万物互联的目标。


3硬件系统选型

3.1主控制器选型

CC2530单片机是CC2530单片机,CC2530用于2.4GHziEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统(SoC)解决方案。Z-STACK协议栈以ZigBee为联盟认定的参考协议,使得编译和修改相关程序不易出错。

3.2温度传感器选型

温度传感器为DS18B20,用于测量气体温度和水温,具有接线方便、精度高、扩展方便、覆盖范围广的特点。任何DS18B20都可以存储在同一条单线总线上,允许温度敏感器件放置在许多不同的地方。总线设计可以通过寻求平均值来使测量结果更准确,并节省ZigBee节点。

3.3流量传感器选型

流量传感器型号为霍尔流量计,安装在加热水管上检测进水流量。霍尔流量计的额定工作电压为DC5V,通用性好,使用方便。

3.4电量变送器选型

功率变送器为SUI-101A,具有精度高、兼容性好的优点。*大测量电压为AC400V,电流上限为30A,具有一定的载荷能力,内置防雷保护,安全性好。



4.高校综合能效解决方案

4.1校园电力监控与运维

集成设备所有数据、综合分析、协同控制、优化运行、集中监控、集中监控、数字检查、移动运维、团队优化整合,减少人力配置。




4.2后勤计费管理

采用先进的网络抄表支付管理技术,实现电、水、气等能源综合收费,实现远程抄表、费率设置、账单统计汇总等,支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式,可设置补贴方案。通过能源支付管理,培养能源群体和部门的节能意识。

4.2.1宿舍用电管理

学生宿舍用电管理控制:基本用电量和定期通断功能可批量发放;可识别恶性负荷,检测非法电气,获得非法用电跳闸记录。

4.2.2店铺水电收费

对校园超市、商铺、食堂等个人水电用能进行预付费管理。

4.2.3充电桩管理平台

充电桩在“源、网、荷、储、充"的信息能源结构中是必不可shao的。充电桩的应用管理也是校园生活服务不可缺shao的一部分。

4.2.4智能照明管理

通过对高校路灯的全面监控,提供灵活智能的路灯管理,实现校园内任何线路、任何路灯的定时开关、强制开关、亮度调节和定时控制方案的灵活设置,确保路灯照明的智能控制和高效节能。


4.3能源管理系统

对校园水、电、气等接入能源进行统计分析,包括同比分析、环比分析、损耗分析等。了解总能耗和能源流量。

根据校园建筑的分类,收集和统计各种建筑功耗数据。如办公建筑、教学建筑、学生宿舍等,分析数据分类,提供领导决策,提高管理效率。

构建符合校园节能监管内容和要求的数据库,自动完成能耗数据采集,自动生成各种形式的报表、图表和系统的能耗审计报告,监控能耗设备的运行状态,设置控制策略,实现节能目标。


4.4智能消防系统

基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术,智能消防云平台连接分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智能烟雾探测器、智能消防水等设备形成网络,智能感知、识别、定位,实时动态收集消防信息,通过云平台数据分析、挖掘和趋势分析,帮助实现科学预警火灾、网格管理、实施多责任监督等目标。实现无人值守智能消防,实现智能消防“自动化"、“智能化"、“系统化"需求。从火灾预防,到火灾报警,再到控制联动,在统一的系统平台上运行,用户、安全人员、监管单位可以通过平台直观地看到各种消防设备和传感器的运行,在细节、火灾等紧急和非紧急情况下,在几秒钟内,相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、电子邮件提醒和应用推送,可以快速通知相关人员。


5.平台部署硬件选型

5.1电力监控与运维平台



5.2后勤计费管理

5.2.1宿舍/商业预付费平台


6.结束语

在节能减排的大背景下,对能源消耗占比较大的校园建筑进行有效能效监管意义重大。本文设计的基于物联网技术的智慧校园建筑能效监管系统,实现了建筑能耗分类、分项和分户监管等功能,为优化高校建筑能源消耗管理和节能改造提供依据。


【参考文献】

【1】巫春玲,周 潜,任 凯,王致垚.基于物联网的智慧校园能效监管系统设计[J].建筑电气,2022,15(09):64-69.

【2】中国建筑节能协会.中国建筑能耗研究报告2020[J].建筑节能(中英文),2021,49(2):1-6.

【3】高校综合能效解决方案2022.5版.

【4】企业微电网设计与应用手册2022.05版.