欧阳前武，李 辉

（深圳市紫衡技术有限公司，广东深圳518057）

0 引 言

在建筑能耗中，大型公共建筑高耗能的问题日益突出，做好大型公共建筑的节能工作具有重要意义［1］。“建筑节能、数据先行”，必须准确提供我国建筑物所消耗终端能源的具体数据，才能准确地描述我国建筑能耗的特点，有效地控制建筑能耗［2］。而先进实用的公共建筑能耗数据采集技术是获得准确数据的保证，在整个建筑能耗监测平台中起着至关重要的作用。

在深圳地区的大型公共建设能耗监测体系的建设过程中，多数建筑未安装具有远传功能的监测计量设备和系统（以下称“未装配电监测系统的建筑”），可以采用新安装具有远传功能计量设备和数据采集设备的方案实现建筑能耗采集；而部分建筑已安装具有远传功能的监测计量设备和系统（以下称“已装配电监测系统的建筑”），其建设目的往往只局限于配电系统的监测，无法满足《国家机关办公建筑和大型公共建筑分项能耗数据采集技术导则》的能耗监测要求。同时，对这类型建筑新增或改装能耗计量仪表，均将带来资源的巨大浪费。

为了解决这一问题，本文针对深圳某大型公共建筑拟采用软件采集数据的方法，即通过编制能耗软件采集模块，从此类建筑的已有控制系统中汇总能耗类数据，按一定频率，通过公共网络发送到市级能耗监测数据中心，实现建筑分项能耗数据采集。

1 大型公共建筑能耗监测现状

在深圳市大型公共建筑中已有部分建筑安装了能耗监测设备与数据采集器（非中控）等软硬件设施，安装之初的目的在于建立楼宇自动化（BA）系统或防火灾系统。图1中，原有中电配电系统主要用于楼宇内防火灾报警，中电配电系统与多块远传电表相连接，并且不与公网连接（安全风险）。BA系统与防火灾系统类似，只是安装电表的作用不一样，且安装电表的数量有限。

图1 网络架构拓扑图

远传电表中的检测表头通过对现有电表、水表、燃气表加装传感器，使其既能就地显示计量数据，又能产生相关计量脉冲信号。但目前大部分建筑仅仅利用了其计量功能，并未充分利用其远传功能。为了节省建筑能耗监测系统建设成本，充分利用建筑内部已安装的远传电表，本文针对性地提出了一整套解决方案。该方案采用OPC+WS（Web Service）的方法，即通过编制能耗软件采集模块，从此类建筑的已有控制系统中汇总能耗类数据，按一定频率，通过公共网络发送到市级能耗监测数据中心，实现建筑分项能耗数据采集。这种方法与过去常用的DCOM方法相比，大大地降低了OPC服务器配置的难度，同时也提高其可靠性。下面以深圳市京基100大厦的建筑能耗监测系统为例，介绍其数据的采集和传输。

2 大型公建能耗监测数据的采集

因煤气表、水表与供热计量表的数据采集需要得到相关主管部门或单位的同意，因此，本系统只对电能进行了分项计量。为了更好地反映建筑能耗水平，科学地指导决策和管理水平，首先对京基100大厦施行现场勘察，主要包括建筑用能系统的调研，确定电能的分项，全面考察仪表终端安装条件。

大型公建功能复杂，系统繁多，为真正实现“以用能数据为导向的节能”，对该大厦的建筑能耗进行分项计量。科学的分项才能真正地反映建筑能耗。本文在适当的分项回路已装电表上装设数据采集器，直接采集各支路的电表数据来获得分项电耗。

由图1知，对于传统的建筑能耗监测系统，硬件上增加一台安装有数据采集软件的服务器，为将采集能耗数据上传至数据中心服务器，还可增加一个路由器，直接由数据采集器采集各电表的数据经路由器发给数据中心服务器。对于已安装有远传电表的部分建筑，因无法知晓能耗监测系统数据中心的数据格式，使得能耗监测数据无法上报与展示，只需安装数据上报软件即可。

能耗采集系统建设流程大致可分为“建筑能耗计量与数据采集方案设计——能耗监测设备安装实施——能耗数据采集传输调试——能耗数据使用与维护”几个阶段。京基100大厦的节能监管系统能耗数据采集传输分为两个方面：一是数据采集，实现多种能耗监测计量表计到数据采集器（网关设备）之间的网络链路和数据传输；二是数据传输，通过数据采集设备（网关设备）和公共网络通道向建筑节能监管平台数据服务器发送采集数据。

2.1 建筑能耗数据采集系统框架

本文基于实际调研的情况，对能耗数据采集系统软件的需求进行了详细的分析，主要包括功能总体描述、功能性需求、用例描述、用例实现、外部接口需求及非功能性需求。采用微软的WCF通信框架作为方案的通信架构，避免复杂的自定义通信框架，使得系统设计大大简化。未沿用老式的DCOM方式来获取现有电力监测系统的OPC数据源，而是在其上直接实现一个OPCServer Wrapper类的应用程序，自动将其转发出去，大大地降低了OPC服务器配置的难度，同时也提高其可靠性。

建筑物内能耗数据采集系统由监测建筑中的各计量装置（本文主要是电表）、数据采集器和建筑物上位机软件组成，如图2中虚线框内所示。系统结构遵循分散采集、集中管理的原则，在功能上由监测层和管理层两个网络结构组成。监测层为工业总线结构，负责能耗数据采集和现场设备的运行状态监控及故障诊断；管理层为以太网结构，负责数据存储、数据处理、数据传输以及本建筑物监测网络运行管理。

图2 数据采集系统结构框图

2.2 数据采集

为了达到标准计量的技术要求，各计量装置均采用TCP／IP协议和DL／T645协议（多功能电表通信规约）的标准计量装置。计量表计通讯协议符合P645规约、ModBUS协议等国家相关行业的通讯标准协议，根据计量表计的接口特点，采用以RS-485总线技术为主，对部分布线距离较长施工难度大的计量表辅助采用短距离无线传输技术，根据现场实际情况两种传输方式可以组合使用。

本文以“OPC数据采集”为主来实现数据采集，该方案包括一套完整的软件与硬件措施，其功能需求如表1所示，基本结构框图如图3所示。

表1 数据采集功能需求列表

图3 数据采集平台结构框图

数据采集器在数据采集过程中起着关键作用，本质上起着数据采集网关的作用。它通过在用能末端安装的具有数据通信功能的计量装置来采集分项用能数据，再将分项能耗数据依靠通信媒介传输给建筑物内上位机进行进一步的分析统计，或依靠互联网等直接将原始数据传递到数据中心。

按照参考文献［8］的要求，一台数据采集器支持32台计量装置，支持根据数据中心命令采集和主动定时采集两种数据采集模式，采集周期为15 min。计量装置和数据采集器之间采用主-从结构的半双工通信方式。从机在主机的请求命令下应答，数据采集器是通信主机，计量装置是通信从机。采集器内置大容量CF卡及存储数据库，采集到的原始数据及时存储在采集器的SD卡内，保证数据的完整性。采集器与数据中心连接断开后，可保存至少1个月内的所有采集数据，从而实现数据中心端的数据完整性。当采集器与数据中心重新连接时，将主动对断线期间的数据进行历史恢复，同时支持对指定时间段历史数据人工恢复功能。数据采集器程序的主流程如图4所示。

图4 数据采集器程序主流程

公共建筑用电能耗监测的关键在于分项计量，为实现电量分项采集，区分各电表的分项和回路，要在上位机内对各电表进行信息配置。根据国家建设部规定的能耗编码规则［10］，在上位机内规定各电表的终端信息，即电表所在的分项和回路的编码。各电表的原始数据按照规定发送到指定的位置并进行显示，方便上位机将数据按分项信息归类存储。

2.3 数据远传的实现

数据采集器除了将所采集的分项数据定时传输给建筑物内上位机之外，还应将采集到的能耗数据通过TCP／IP协议进行定时远传，一般规定分项能耗数据每15 min上传1次，不分项的能耗数据每1 h上传1次。网络通讯层使用基于TCP／IP协议的方式对数据进行传输，数据通讯使用基于TCP的Socket类进行数据传输操作。

京基100大厦内已有监测系统设置有监控主机，为使其能耗数据能上传到深圳市建筑能耗监测数据中心，需要使每一台监控主机能够连接到互联网另一端的固定网络IP和端口的数据中心接收服务器。数据采集通讯服务负责监听指定IP和Port的端口，接收来自客户端的心跳连接、身份验证、采集数据接收等。数据采集通讯服务向数据采集网关发送心跳连接，身份验证和数据包接受响应等，它和数据中心的通信过程如图5所示。

图5 采集器和数据中心通信流程

3 总结及展望

本文基于实际调研的情况，对能耗数据采集系统软件的需求进行了详细的分析和软件系统的开发设计。采用OPC+WS（WebService）的方法，介绍了其通讯方式，系统总体结构，数据采集终端和数据中心。由于该系统针对建筑能耗进行了分项计量，并上传至能耗监测数据中心，可获取大量而细致的建筑能耗数据，如建筑的时耗电量、日耗电量等，有利于总结大型公共建筑的用电规律和特点，揭示大型公共建筑耗电量巨大的原因，明确节能潜力所在，为加强大型公共建筑节能控制和运行管理提供可靠的数据支持。

本采集方案的实现，不但能增大现有建筑的能耗监测系统的覆盖面，增强能耗监测应用的适用范围，而且节省了项目投资，从根本上避免了建筑监测领域的重复建设，还能够为该领域的行业应用标准的制订提供参考，因此具有很强的技术领先性、经济实用价值及巨大的潜在社会效益。

同时也应注意，监测系统的维护比建设更重要。能耗采集系统在监测设备、采集传输和数据处理等过程中均可能出现数据异常现象，除上述策略外，系统维护人员还应定期抄取各表计现场读数，与数据中心数据进行核对；加强数据分析，定期对表计进行检定和维护，确保能耗数据采集的准确、安全、可靠。

［1］建设部.关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见［Z］.2007.

［2］陈 梅，张永坚，牛祺飞.公共建筑能耗监测系统研究［J］.电子测量与仪器学报，2009（增刊）：167-170.

［3］杜 冰，卢迎华.大型公共建筑节能存在的问题与对策探析［J］.价值工程，2010，29（21）：94-95.

［4］Bumpei Magori，Tomonari Yashiro.Building energy monitoring system［D］.Tokyo：University of Tokyo，2008.

［5］郑明明，陈 硕.建筑能耗检测平台的研究［J］.智能建筑与城市信息，2009，155（10）：53-55.

［6］王立雷，梁俊强，刁乃仁.基于能耗统计数据库的能耗评测方法研究［J］.山东建筑大学学报，2010，（2）：109-113.

［7］张永坚，聂玉庆，贾鲁峰.公共建筑能耗监测系统设计与标准化集成［J］.工程设计与计算机技术，2010（增刊）：273-277.

［8］建设部.国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据传输技术导则［Z］.2008.

［9］清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2010［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［10］建设部.国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则［Z］，2008.