专利名称：办公建筑独立房间能耗采集、监测、分析及报警系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑物能耗监测系统，特别是涉及一种监测建筑能耗全过程的技术方法。具体讲，涉及办公建筑独立房间能耗采集、监测、分析及报警系统。
背景技术：
目前，我国建筑能耗不断攀升，已占全国能源消耗将近40%，能耗比同等气候条件下发达国家要高出2-3倍。以全国空间地理为视角，通过调研分析，探索了我国31个省市(不含香港、澳门和台湾)能源消费水平，并建立全国性的能源消耗控制模型，存在着相当大的困难。全国各类不同建筑能源消耗水平存在着明显的地区差异，实地调研需要花费大部分的人力物力，对于形成建筑的指导性耗能方式需要更长的时间。目前，用于建筑能耗监测的系统有集成无线网络通讯功能的电器能耗监测电源线，在不改动电器设备主体硬件的情况下，通过在电源线上集成计量传输模块，实现单个用电设备的能耗监测；用于大型公建能耗监测系统的数据采集器，包括RS485总线、M-Bus总线、ZigBee无线网络连接数据采集器和远传计量基表，实现无线传输数据；基于Flex技术的大型公建能耗监测平台，实现轻量级的地图服务功能，开发多个能耗数据页面，实现能耗信息统计等业务，与Flex页面通信，形成空间数据库等；基于OPC通信的能耗监测系统，智能计量设备通过RS485总线与通信机通讯，以OPC的通讯方式将数据转发给监测服务器。解决各设备存在的兼容问题；基于无线传感技术的智能楼宇能耗监测分析系统，包括建筑内部采集信息的网络节点、服务器、传感器、收发电骡等，网络节点通过协议栈进行自组网以实现信息传输。或者将采集器连接到Zigbee无线拓扑结构上，实现数据信号的无线传输；基于无线传感器网络的能耗监测系统，主要解决现有功率表没有灵活的通讯接口，实现数据记录与外部联系；一种能够对国家机关办公建筑和大型公共建筑的能耗量数据统一进行存储、分析、展示的建筑能耗监测系统。或者对一些数据通过有效的公式进行运算得出数据化的能耗量，通过不同的数据表现得出有效的能耗值；等等。近年来，我国研究者对全国范围内的酒店、学校、医院、办公楼等多种公共建筑进行了详细的用能调研，得到了较多基础性研究数据，为建筑节能工作的展开奠定了基础，得到全国五大气候区各类建筑的用能强度及终端能源消耗结构等。运用这些基础性数据和选择监测每栋建筑的差异性模拟能耗的对比，得到其能耗强度平均水平和极限值。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，用报警的方式引起人们注意，并做出调整或系统升级。方便快捷的提供实地调研所需的数据，为全国性调研节约了时间和精力，数据的真实性和及时性也做到最佳。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，办公建筑独立房间能耗采集、监测、分析及报警系统，包括计量仪表用于计量各用户电能耗量实时数据；采集装置与所有末端的计量仪表通过网络相连接，将得到的实时数据通过无线网络传输到监控中心；监控中心用以完成实时数据的存储和分析；报警装置，采用三级报警系统，一级报警系统用户侧在各种能耗储值不足时或频繁出现偏离平均能耗范围值时及时发出报警信号，用于用户自身自查用能问题，二级报警系统，监控中心对同一建筑某一时间段能耗排名前三位的独立房间发出报警信号，监督用户检查，三级报警系统，监控侧在监测数据中某个写字间或某栋办公建筑频繁出现偏离平均能耗强度范围值时发出报警信号，及时派技术人员排查问题。采集装置实时数据的传输可以分为有线和无线两种形式，有线数据传输通过RS485总线进行，采集模块就近通过RS485接口连接到RS485总线上，传输到监控中心；无线数据传输通过BLUETOOTH、GPRS、WLAN或LAN通讯网传输。计量仪表包括报警系统，具体结构为电能计量仪表接在相线和中线之间，经电流采样电路采集的电流信号和电压采样电路采集的电压信号送到电能专用集成电路中，在专用集成电路中，电流信号和电压信号经过模数转换提供给乘法器电路，乘法器电路输出一个正比于电流和电压乘积的信号，此信号在经过电压/频率变换器产生与实际使用电能成比例的电能脉冲，而后脉冲送到CPU处理，从而实现数据显示、红外通讯、数据贮存功能，并且将电能与预设在程序中的阈值SI、S2、S3作比较，发出相应的控制指令。一级能耗报警装置由能耗计算电路、能耗设定和阈值显示电路及声光报警电路三部分组成，能耗计算电路由集成模块组成，该集成模块能将实时采集的用户侧电压和电流随时间计算累加得到用户侧在一段时间内的能耗；能耗设定和显示电路由电位器RP1、RP2、RP3和等效能耗表Wl、W2、W3组成，分别对应照明、空调和办公设备三项用电项目的能耗设定和设定阈值显示；通过调节电位器RP1、RP2、RP3可以分别设定不同用电项目的能耗阈值，W1、W2、W3实际上为电流显示通过与集成模块PWl结合反映能耗，等效为能耗表，显示一段时间内设定的能耗阈值。本发明的技术特点及效果监测数据是来源于建筑物中的分项用电计量仪表，经过有线或无线系统传输数据到采集装置，再经GPRS通信网络将数据上传到监控中心，对实时数据进行统一处理，存储、分析和比较数据，找出问题数据的来源，提出报警，及时处理能耗问题，最后通过互联网上传至市、省、国家级数据中心，对数据进行存储、分析、公示，形成完整地全国性的能耗监测标准。本系统可以远程、实时、安全有效的监控办公建筑的能耗情况，不受时间地域的限制，操作简单方便，当出现某个写字间或某栋办公建筑的实际能耗量超标时，及时报警处理问题，对实现建筑节能具有重要意义。
图I是本发明的系统组成结构图；图2是本发明在实际应用中的现场结构图；图3是本发明的BLUETOOTH网络拓补图；图4是本发明的采集装置的软件模块结构示意图；图5是本发明的控制中心的软件结构示意图；图6是本发明的报警装置的软件结构示意图7是本发明的用电和监测流程图。图8能耗计量仪表及报警系统控制原理图。图9 一级能耗报警装置的原理图。图10 二三级能耗报警装置的原理图。
具体实施例方式本发明所要解决的技术问题是完善现有技术的不足，提供一种能够对办公建筑各写字间的能耗数据分别进行采集、存储、分析、报警的建筑能耗监测系统。本发明采用的技术方案如下本发明所涉及的建筑能耗监测系统，包括计量仪表，用于计量各用户电能耗量实时数据(电能在独立写字间的电表箱处按照照明、办公设备、空调、特殊区域用电分项设置集成电能计量模块和无线网络通讯模块，电压恒定不变，只监测电流的波动，计算出独立房间单个分项的功率，乘以时间间隔，得到实时监测能耗值)；采集装置，与所有末端的计量仪表网络连接，将得到的实时数据通过无线网络传输到监控中心；监控中心，用以完成实时数据的存储和分析；报警装置，采用三级报警系统，一级报警系统用户侧在各种能耗储值不足时或频繁出现偏离平均能耗范围值时及时发出报警信号，用于用户自身自查用能问题，二级报警系统，监控中心对同一建筑某一时间段能耗排名前三位的独立房间发出报警信号，监督用户检查，三级报警系统，监控侧在监测数据中某个写字间或某栋办公建筑频繁出现偏离平均能耗强度范围值时发出报警信号，及时派技术人员排查问题。在实际应用中，所述建筑能耗监测系统中还包括数据中心的平均能耗强度的微调，这是由于不同办公建筑之间能耗强度的差异性不能完全从实地调研和模拟中得到，要在建筑实际运行中不断调整，逐步形成一个地区的能耗强度指标，再分级上报到市、省、国家等，最终形成指导全国能耗强度的标准。进一步分述能耗监测系统的组成部分，计量仪表为电信号计量仪表，用户用电量是将电信号转换成电能计量单元，当电流流过计量仪表时，电信号转换成合适的电能计量单元采集起来，并通过获得的电流和电压信号，根据设定计量时间间隔，运算得到功率，能耗等分项电能信息。数据的传输可以分为有线和无线两种形式，这根据监测建筑的实际需要来选择。有线数据传输可以通过RS485总线与通信机进行，这种数据传输形式能够在各种条件下实现长周期连续运行，大量测点具有精度高、可靠性强等优点。分布的采集模块就近通过RS485接口连接到RS485总线上，传输到监控中心。无线数据传输可以通过BLUETOOTH或GPRS、WLAN、LAN等多种通讯网传输，这种数据传输形式可以在建筑周期的任何时间中安装，系统简单，操作方便。当无线网络通讯功能启动时，上述信息将通过无线通讯单元传送至无线网络，传输给网络上的接受装置。采集装置，与所有末端的计量仪表网络连接，将得到的实时数据通过无线网络传输到监控中心，为确保采集数据不在传输时丢失，在采集模块中加设数据存储功能，也便于用户本身了解用能情况，在采集装置和计量仪表或监控中心之间分别设有加密通信模块，用于相互验证身份和数据通讯保密。监控中心，接受采集装置发送的能耗数据，用以完成实时数据的存储和分析，及时与实地调研值和模拟能耗值比较。报警装置，采用三级报警系统，一级报警系统用户侧在各种能耗储值不足时或频繁出现偏离平均能耗范围值时及时发出报警信号，用于用户自身自查用能问题，二级报警系统，监控中心对同一建筑某一时间段能耗排名前三位的独立房间发出报警信号，监督用户检查，三级报警系统，监控侧在监测数据中某个写字间或某栋办公建筑频繁出现偏离平均能耗强度范围值时发出报警信号，及时派技术人员排查问题。上述系统方案中所提到的计量仪表主要包括办公建筑内各独立写字间的分项电表。计量仪表、采集装置和监控中心之间建立无线网络通信渠道为BLUETOOTH或GPRS、WLAN、LAN 网络。下面结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。如图I所示的本发明系统组成框图，包括计量仪表，用于计量建筑物内各独立房间各分项电能的实时消耗数据(电压恒定不变，只监测电流的波动，计算出独立房间单个分项的功率，乘以时间间隔，得到实时监测能耗值)；采集装置，与所述计量仪表无线网络连接，采集来自各个仪表的能耗实时数据并传递至监控中心；监控中心，接受采集装置传输的实时数据统一进行分析、存储及报警；报警装置，在每一级出现问题的位置发出及时报警信号；数据中心，用以完成监测范围内所有建筑的实时采集、监测、分析及报警系统，补充全国办公建筑的能耗数据。如图2所示的现场结构图，本系统包括大量的用户、仪表和采集装置，设置于全国不同气候区的办公建筑各独立房间内，用来实时监测各独立房间的能耗数据，计量仪表主要设计在房间的电表箱处。所述采集装置通过无线或有线连接用户的计量仪表，当使用无线网络(蓝牙)时，二者同时开启蓝牙，通过加密设置连接，进行实时的数据传输，对其他方式的无线连接也需要加密设置，还需预先设定计量仪表的相关参数等；而有线连接直接从接口处连接至RS485总线即可。采集的数据在经GPRS无线网络传递数据到监控中心，对实时数据进行统一整理、分析对比、报警，最后通过互联网将数据传输至市、省、国家级的数据中心，对数据进行分析、存储、定制标准。如图3所示的BLUETOOTH网络拓补图，无线网络连接计量仪表和采集装置，实时能耗监测数据由计量仪表传递至采集装置中，若中间出现信息终端现象，数据将被保护在计量仪表的内置存储器中，不会丢失，待无线网络重新连接后，接续传递数据，保证数据的完整性和实效性。如图4所示的该采集装置软件包括蓝牙接收模块1，接受用户仪表的传输数据，用于采集实时能耗数据；网络接入模块2，用于采集装置通过GPRS和监控中心的服务器连接；加密模块3，用于提供分别与计量仪表和监控中心两侧的双向通讯数据的加密；报警模块4，用于建筑中一定区域内某一时段能耗强度排名前三位独立房间的报警；网络串口转换模块5，用于在与监控中心的数据传输中将应用区数据剥离，以串口方式连接监控中心，与外网隔离，保证数据的安全；串口采集通信模块6，将导入的数据按照分项电量分别处理，建立数据的独立存储空间，便于分项计量能耗量；网络传输模块7，用于采集装置向监控中心传输数据。为保证在通讯中断期间的数据，采集装置内置有容量很大的存储器，实现对采集数据的保护。如图5所示，监控中心的软件结构框图中主要包括三大区操作区、应用区和数据区。应用区包括以下五个部分数据信息管理，对上传数据进行采集、处理、发送、接收和管理。
分析展示报警提示，对经过数据处理后的分项能耗进行分析对比，找到能耗超标的建筑，分析解决方案，及时提出报警。信息服务共享，为参与能耗监测的用户提供本建筑的相关信息，对于节能效果良好的建筑实施鼓励奖励政策。后台运行维护，信息多元化和多样化的整合处理，监测系统中存在的问题维护。优化设计，丰富能耗数据指标，指导建筑节能技术的广泛应用。如图6所示的报警装置的结构示意图，报警装置，采用三级报警系统，一级报警系统用户侧在各种能耗储值不足时或频繁出现偏离平均能耗范围值时及时发出报警信号，用于用户自身自查用能问题，二级报警系统，监控中心对同一建筑某一时间段能耗排名前三位的独立房间发出报警信号，监督用户检查，三级报警系统，监控侧在监测数据中某个写字间或某栋办公建筑频繁出现偏离平均能耗强度范围值时发出报警信号，及时派技术人员排查问题。如图7所示的用电和监测流程图，从高压直流电引入建筑后，形成分项用电计量系统，从进线总计量的配电柜开始对照明、空调、采暖、办公设备、消防、电梯、水泵风机、监测元件等分别设置电表箱和配电柜，以后的每一级配电箱都分项设置数据采集装置，采集装置的分布原则按照分楼层、区域和房间设置。形成用电和监测的分布网，有利于全面了解建筑内各个房间的用电情况。如图8所示为能耗计量仪表及报警系统控制原理图，电能计量仪表接在相线和中线之间，经电流采样电路采集的电流信号和电压采样电路采集的电压信号送到电能专用集成电路中。在专用集成电路中，电流信号和电压信号经过模数转换提供给乘法器电路，乘法器电路输出一个正比于电流和电压乘积的信号，此信号在经过电压/频率变换器产生与实际使用电能成比例的电能脉冲，而后脉冲送到CPU处理，从而实现数据显示、红外通讯、数据贮存等功能，并且将电能与预设在程序中的阈值SI、S2、S3作比较，发出相应的控制指令。如图9所示为一级能耗报警装置的原理图。一级能耗报警主要实现能耗超限时用户侧及时报警，用于用户自查。该电路由能耗计算电路、能耗设定和阈值显示电路及声光报警电路三部分组成。电路中，能耗计算电路由集成模块PWl组成，该集成模块能将实时采集的用户侧电压和电流随时间计算累加得到用户侧在一段时间内的能耗。能耗设定和显示电路由电位器RPI、RP2、RP3和等效能耗表Wl、W2、W3组成，分别对应照明、空调和办公设备三项用电项目的能耗设定和设定阈值显示。通过调节电位器RP1、RP2、RP3可以分别设定不同用电项目的能耗阈值，W1、W2、W3实际上为电流显示通过与集成模块PWl结合可以反映能耗，因此可以等效为能耗表，显示一段时间内设定的能耗阈值。声光报警电路由电阻R1R7、电容C1-C3、发光二极管VL1-VL3、晶体管V1-V4、音效集成电路IC3组成，通过发光二极管的颜色区分不同用电项目的能耗报警，同时结合声音报警。实际工作中，当某一用电项目的实际能耗高于设定能耗时，PWl相应的端口输出高电平，相应的晶体管触发导通点亮相应颜色的二极管，音效集成电路IC3工作，晶体管V4导通，蜂鸣器BL发出报警声。反之，若某一用电项目的实际能耗在设定范围之内，则相应端口输出低电平，晶体管处于关断状态，二极管不点亮，音效集成电路IC3不工作，晶体管V4不导通，蜂鸣器BL也不发声。(R1R7选用金属膜电阻器；Rpl_Rp7选用有机实心电位器；C1-C3选用耐压值为IOV的铝电解电容；VL1_VL3选用Φ3πιπι的高亮度发光二极管，VLl为红色，VL2为绿色，VL3为黄色；V1_V4选用C8050型NPN晶体管；PW1为能耗计算处理集成模块；BL选用O. 25W、8f微型电动扬声器；S选用小型单极拨动式开关；GB选用6V叠层电池。)如图10所示为二三级能耗报警装置的原理图。二三级能耗报警主要实现被监测建筑的整体能耗信息的超限报警，用于监控整个建筑和监测平台的能耗超限情况。二级报警系统采用嵌入式系统，对接收的信息在系统CPU中统一分析排序，对该时间段内能耗排名前三的房间报警，并将相应的房间号在液晶显示器上显示出来。三级报警系统也采用嵌入式系统，液晶显示器上显示监控建筑的全部能耗信息。二三级报警其余电路形式同一级能耗报警原理一致。
权利要求
1.一种办公建筑独立房间能耗采集、监测、分析及报警系统，其特征是，包括计量仪表用于计量各用户电能耗量实时数据； 采集装置与所有末端的计量仪表通过网络相连接，将得到的实时数据通过无线网络传输到监控中心； 监控中心用以完成实时数据的存储和分析； 报警装置，采用三级报警系统，一级报警系统用户侧在各种能耗储值不足时或频繁出现偏离平均能耗范围值时及时发出报警信号，用于用户自身自查用能问题，二级报警系统，监控中心对同一建筑某一时间段能耗排名前三位的独立房间发出报警信号，监督用户检查，三级报警系统，监控侧在监测数据中某个写字间或某栋办公建筑频繁出现偏离平均能耗强度范围值时发出报警信号，及时派技术人员排查问题。
2.如权利要求I所述的办公建筑独立房间能耗采集、监测、分析及报警系统，其特征是，采集装置实时数据的传输可以分为有线和无线两种形式，有线数据传输通过RS485总线进行，采集模块就近通过RS485接口连接到RS485总线上，传输到监控中心；无线数据传输通过BLUETOOTH、GPRS、WLAN或LAN通讯网传输。
3.如权利要求I所述的办公建筑独立房间能耗采集、监测、分析及报警系统，其特征是，计量仪表包括报警系统，具体结构为电能计量仪表接在相线和中线之间，经电流采样电路采集的电流信号和电压采样电路采集的电压信号送到电能专用集成电路中，在专用集成电路中，电流信号和电压信号经过模数转换提供给乘法器电路，乘法器电路输出一个正比于电流和电压乘积的信号，此信号在经过电压/频率变换器产生与实际使用电能成比例的电能脉冲，而后脉冲送到CPU处理，从而实现数据显示、红外通讯、数据贮存功能，并且将电能与预设在程序中的阈值SI、S2、S3作比较，发出相应的控制指令。
4.如权利要求I所述的办公建筑独立房间能耗采集、监测、分析及报警系统，其特征是，一级能耗报警装置由能耗计算电路、能耗设定和阈值显示电路及声光报警电路三部分组成，能耗计算电路由集成模块组成，该集成模块能将实时采集的用户侧电压和电流随时间计算累加得到用户侧在一段时间内的能耗；能耗设定和显示电路由电位器RP1、RP2、RP3和等效能耗表Wl、W2、W3组成，分别对应照明、空调和办公设备三项用电项目的能耗设定和设定阈值显示；通过调节电位器RP1、RP2、RP3可以分别设定不同用电项目的能耗阈值，W1、W2、W3实际上为电流显示通过与集成模块PWl结合反映能耗，等效为能耗表，显示一段时间内设定的能耗阈值。
全文摘要
本发明涉及建筑物能耗监测系统。为用报警的方式引起人们注意，并做出调整或系统升级。方便快捷的提供实地调研所需的数据，为全国性调研节约了时间和精力，数据的真实性和及时性也做到最佳，本发明采取的技术方案是，办公建筑独立房间能耗采集、监测、分析及报警系统，包括计量仪表用于计量各用户电能耗量实时数据；采集装置与所有末端的计量仪表通过网络相连接，将得到的实时数据通过无线网络传输到监控中心；监控中心用以完成实时数据的存储和分析；报警装置，采用三级报警系统用于报警，一级报警系统与计量仪表相连；二级报警系统与采集装置相连；三级报警系统与监控中心相连。本发明主要应用于建筑物能耗监测。
文档编号G05B19/418GK102929232SQ20121040633
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者赵靖, 刘馨 申请人:天津大学