高校节能监管系统设计与实施

李伟根

摘要：在全面响应国务院“十二五”节能减排规划，进一步加快大专院校节约型校园建设的步伐，促进节能减排工作纵深发展，使各高校尽快达到国家节约型校园建设的总体要求下，中国地质大学（武汉）开始了节能监管系统的规划、设计和建设工作。主要完成了全校用水用电的数据采集工作，并在此基础上按照国家住建部、教育部相关节能导则要求，进行了能耗的指标化、定额化管理，生成了各种能源审计报告、节能管理模型，通过一系列的数据加工和处理，全面提升了学校节能管理技术水平及节能意识，为下一步的碳交易打下坚实基础。

关键词：远传抄表、节能监管系统软件、能耗分析、B/S和C/S架构、碳交易

中图分类号： Tp277文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01 （a）-0000-00

一、节能监管系统建设前学校用能存在的问题

中国地质大学（武汉）主要消费能源种类就是水和电。其中，主要用电设备为实验仪器、空调、照明、电梯、办公设备以及其他电耗设备，近几年水电用量一直在不断增长，归纳原因主要包括学生扩招、建筑增多、缺乏有效的用能管理手段、水电用量计量设备陈旧、水管网陈旧漏损严重、节水节电意识不强。

二、节能监管系统建设目的

建立学校建筑节能监管体系，实现通过能源审计工作，发现用能中存在的问题，完善管理制度，优化能源管理。借助能耗定额管理机制，规范用能意识。最终实现节能量化目标，为下一步的碳交易提供基础数据。

1、实现大范围监测，促使节能监管向纵深发展，系统监测范围涵盖学校三大主要区域，教学区域、生活区域和运动区域，不仅对各区域能实现分栋、分层、分户进行监测，而且能实现对各区域用能分项监测，即对水、电、气进行监测和控制，可实现对学校内任何区域的用能进行分类和分项监测管理。在具体实施时，根据投资情况、进度规划等分期、分批实施，保证实施一步并达到每一步应有的成效。

2、提供丰富的用能管理手段，学校领导、管理者及能源管理数据中心管理专员仅需在中心平台的控制室就可以通过触控、遥控等方式查看各个区域、各个部门、各个房间的用能情况，能及时提醒（包括短信、微信、网站发布等）和预警重点用能部门、楼栋，促使各用能院系和部门自觉调整月度或年度用能额度，为学校领导和用能管理机构提供了丰富灵活的用能管理手段，包括远程控制用能开关、启动收费等管理模式。

3、实现用能总量控制和精细化管理为学校用能管理提供科学管理手段、为用能单位内部提供精细化管理和有效决策依据。为用能管理提供信息化和智能化支撑，促使学校、各级单位实现总量控制和节能任务定额分配，宏观上实现总量控制，微观上实现各部门指标精细化控制。

4、实现良好的经济效益，根据大专院校节约型校园建筑节能监管体系建设方案的工作计划和实施的建筑面积，按照建立监管体系而提升的能源利用率，通过该项工作的开展，节能监管体系建立后，预期年总能耗可足额足量完成国家节能减排规划——公共机构单位建筑面积能耗指标的要求。

三、节能监管系统设计原则

中国地质大学（武汉）节能监管系统方案设计完全符合《高等学校校园建筑节能监管系统建设技术导则》的要求，结合学校的能耗管理现状和信息化建设现状，满足学校建设节约型校园的总体要求。各类设备安装达到合格标准，确保数据准确及时上传，指令能有效执行，系统稳定运行，并通过住建部、国家民委、财政部的联合验收；方案具有设计上的先进行；运维上的扩展性和稳定性，并对系统的二次开发功能提出具体要求，为将来系统完善功能提供准备，确保平台处于全国高校范围领先地位。

1、经济性、实用性、有效性

充分利用校园内已有系统资源优化方案降低成本。通信网络采用学校校园网络，针对局部网络状况不佳的情况，进行必要的网络升级改造，不但能有效的实现系统建设，又能将学校校园网络得到延伸，为学校的教学管理提供便利，一举多得。学校学生公寓用电部分已经采用了网络化的智能电表，实现了经由校园网络的学生公寓用电数据采集，家属区水电表已经实现了预付费卡表管理，针对这些计量器具本次平台设计必须无缝包含已有的各个水电管理系统，以减少系统建设成本，合理利用资源。

2、稳定与可维护性

采用具有出现故障时能够迅速恢复并有适当的应急措施；如：采用容错功能的服务器及网络设备，选用双机备份、Cluster技术的硬件设备配置等方案；每台设备均考虑可离线应急操作，设备间可相互替代；采用数据备份恢复、數据日志、故障处理等系统故障对策功能；可灵活设置系统管理硬件设备的配置、删减、扩充、端口设置、分组管理等，系统地管理软件平台，系统地管理并配置应用软件；应用软件采用的结构和程序模块化构造，要充分考虑使之获得较好的可维护性、可移植性和可扩展性，即可以根据需要修改某个模块、增加新的功能以及重组系统的结构以达到程序可重用的目的。

3、统一性、模块化和可扩充性

节能监管系统建设在学校数字化校园平台及监管平台的统一规划下进行，各种数据定义、设备命名、访问门户等都保持与学校现有系统、现有称谓等的一致性，降低人机交互的难度，有利于系统的应用与推广。这里尤其是访问门户要与学校网络中心门户认证系统保持一致，还有一卡通等支付系统的对接应用。

水电气各个子系统的用量计量、状态监测、远程控制、数据分析、信息发布、催费缴费、登录身份认证等在学校统一的数据软件上完成。各个子系统既相互独立又相互关联，在平台下运行，都可以实现“即插即用”模式。

4、实时性、并行性

考虑到采集点的数量，系统需采用传输速度快的网络设计，保证信息数据的及时有效；系统具备自动并行数据上传和对多个远程采集点并行数据获取的功能，信道处理IPC应具备负载均衡处理能力，保证信道的畅通。

结合硬件平台，系统时间特性如下：数据采集平均响应时间<5S，最长响应时间<10S；数据统计平均响应时间<3S，最长响应时间<5S；统计分析平均响应时间<4S，最长响应时间<8S；空间分析平均响应时间<5S，最长响应时间<10S。

四、节能监管系统软件设计目标及方案

（一）、系统软件设计目标

系统软件采用B/S架构与C/S架构有机结合的方式，B/S架构的软件实现能耗数据查询的需求， B/S架构面向各院系和部门，能够查询各类的能源数据、报表、历史曲线图形等等。

用C/S架构的软件实现系统的能源实时监控功能，C/S架构面向能源管理部门，能够详细的监控校园内各级用能状况、设备运行状况等。CS软件与现场网络控制器的数据接口应采用国际通用的OPC Server。

（二）软件系统设计方案

1+X模式：即一个核心平台系统，通过服务扩展，可以任意拓展其他子系统以及与第三方系统对接的模式。

系统通讯模式：子系统与节能监管平台之间，采用TCP/IP协议；子系统与数据采集网关，采用TCP/IP协议、485协议或其他通用标准协议；数据采集网关与电能表之间，采用TCP/IP协议、485协议或其他通用标准协议。

物理链路：主干网络采用光纤通讯、局部光纤和通讯电缆、特殊位置可以考虑无线通讯。

系统采用B/S架构，基于面向服务构架（SOA）。从上图可以看到，整个应用系统从软件层次上主要分为基础设施、数据层、服务层、展示层。各层次的作用说明如下：

基础设施

这是保障系统正常运行和扩充的基础。包括校园网络、路由器、采集仪表、数据网关、服务器、客户端硬件、服务器系统软件、数据采集及校园其他系统、监管平台对接的应用运行的基于标准协议的信息软件。

数据层

数据层是系统的基础，处理能耗数据的采集、处理、上报、接收、存储、监测、决策、控制、收费等。通过网络、硬件、采集仪表、采集器完成用能实时能耗数据的采集、预付费管理等；对于外部系统数据，通过系统的接口服务完成与外部系统的数据交换。

服务层

可分为基础服务层和应用服务层。基础服务层提供业务组件服务和公共组件服务。基础服务层的数据二次计算服务通过对原始采集数据进行加工处理后储存到业务数据库。应用服务层把复杂的业务逻辑、庞大的基础数据、复杂的数据格式等封装成服务，对封装的服务进行自由组合与编排，快速进行不同应用模块之间的互联互通和数据交换。

展示层

展示层是面向学校师生及社会的公开数据，主要展现用能数据公示。各层次需要将业务数据和执行逻辑尽量分离，为了建立各层之间的松散耦合的关系，各层通过统一的服务接口来传递数据，形成具有高度可扩展的应用平台架构。

（三）、各个应用子系统设计介绍

1、设计原则

对校内要改造的楼栋实行三级计量，对有条件和需求的重点监测点也可以实行四级计量。计量的分级按照以下原则实施：

行政、教辅类单位：以处级单位为二级单位安装二级表计，以每间办公室为三级单位安装三级表计。

教学类单位：以学院为二级单位安装二级表计，以每间实验室为三级单位安装三级表计。

后勤类：

a、经营性：以各个经营实体为二级单位安装二级表计，根据实际需要适当安装三级表计。

b、服务性：以科室为二级单位安装二级表计，以每个办公室为三级单位安装三级表计

公共类及其他（含学生宿舍公共用电）：以每栋楼为二级单位安装二级表计，以每层楼或者每间房为三级单位安装三级表计，

根据学校不同的建筑类型、不同的用能单位及不同的用电类型进行分建筑、分部门、分类、分项电能统计。通过对监测数据进行分析挖掘节能潜力，优化用能收费与相关管理制度。根据各个部门的用电监测情况制定用电定额量，督促用能单位及个人进行节能减排工作。

2、子系统架构

数据网关使用RS485方式平均每5分钟采集一次表计的数据点，并将采集的数据主动上传平台中心服务器。服务器实时处理保存采集的数据，如检测分析到异常问题会将报警信息及时发送给相关管理人员。用户可以在学校任意一个校园网覆盖的地方，通过浏览器、手持终端设备访问平台随时办公。

3、子系统功能

电表信息实时在线采集、监测、图表分析及日、月、年度的环比、同比报表。

子系统自动采集电表的实时电量和功率，采集间隔设置为5分钟一次，定时自动整理表计的日电量、月电量，并提供查询窗口，以便用户随时查询历史数据点、日用量、月用量、年用量，及电量的同比环比分析。

各种建筑（部门）的统计、查询、分析为各个楼栋、部门用电提供考核管理依据。

建筑（部门）用电明细：根据用户输入的起止时间查看建筑（部门）内各个表计的用电量，并提供导出功能。

用电统计：建筑（部门）用电统计主要是提供用电报表查询，主要包括：用电年度台账、用电月度台账、用电年度汇总、用电月度汇总、用电逐月度汇总。用户可以选择建筑（部门）、时间、等相关信息进行报表操作。系统自带快捷的报表设计器，普通的使用人员可以轻易的掌握一些基本的编辑功能。

用电分析：用电分析功能是对建筑（部门）已经使用了的数据进行相关的分析，以表格+图形的方式表现。分析方式有按建筑（部门）比较、按建筑（部门）逐日、按建筑（部门）逐月、按用电性质、按用电分项。

用电模型、待机功耗为学校电网异常用电现象的发现提供分析依据，电流异常短信提醒。

电能匹配模型是节能平台中重要的功能，也是实现节能的重要节能手段，本系统采用能耗超标的短信提示形式，告知对应管理联系人。节能监管模型包括待机功耗模型及用电匹配模型两部分。待机功耗模型通过配置待机功耗参数监测待机能耗情况；用电匹配模型通过单独配置电表能耗限定，来监测能耗情况。

定额管理为未来各独立部门用电考核以及各办公室、公共实验室用电考核、收费管理创造条件。根据各个部门不同的情况（如部门人数，耗能设备数量等），对各个部门进行能源定额管理；提供定额分配明细查询功能；电能定额一览：查询已分配的定额状况及当期定额使用状况，添加、编辑、删除定额信息。

4、节能监管系统拓展功能介绍

学校信息技术经过多年的发展，已经具备了诸多智能化系统（如财务系统、门户系统、一卡通系统、用电监控系统、用水监控系统等），这些应用系统是宝贵的资产和財富，应该为企业或单位继续发挥应有的价值。应用集成（EAI）的目的就是充分发挥现有系统的功能，连接各个应用系统，为更高水平的应用提供基础。

五、节能监管系统项目实施总结

经过近2年的建设，中国地质大学（武汉）节能监管系统于2012年正式投入运行，在不断完善系统软件功能的同时，学校也针对节能管理体系进行了建设，节能宣传的的工作也有效的进行了开展，节能监管系统的各项目的基本完成。尤其是在2014年和2015年，在全校增加不少空调、实验设备的基础上水电用量，在2013年的基础上反而有所减少，这些都得益于节能监管系统的广泛应用，为学校取得了可观的经济效益与社会效益。

参考文献：

[1]《高等学校校园建筑节能监管系统建设技术导则》2009.10。

[2]高等学校节约型校园示范建设工作会议—会议材料 同济大学 中国上海2009。

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[5]任羽中 甘露 如何建设节约型校园 科学时报 2006.12。

[6] 王旭东 试论高校校园能源管理网络平台之构建 职业教育研究 2011.1。

[7] 陈峰 殷帅 北京交通大学节约型校园建设 建设科技2010.3。