基于物联网技术的无线建筑能耗监测系统优化方案

1.概述

2008年，住建部下发了《关于印发国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设相关技术导则的通知》。通知规定了大型公共建筑能耗监测系统的各项标准。

建筑能耗监测系统，是采用高科技手段对建筑的能耗设备进行节能控制、能耗评估，让管理者了解电能主要构成，进行分类分项统计，寻找高能耗环节，进而采取技术手段和管理手段达到节约能源的目标。

在这个背景下，近年来，各省市都已经开始大范围试点安装建筑能耗监测系统。在工程实施过程中主要发现存在以下一些问题。

首先，工程实施不方便。由于很多工程是改造性建设，原有建筑正常使用近十年，甚至十数年，安装时需要停电，给建筑用户带来不便。对于一些老建筑，甚至还需要增加测量CT、屏位等，工程实施非常不便。

其次，通信布线困难。市面上大多数能耗监测表计都是采用RS485接口方式，需要打开电缆层，重新布通信线。

最后，系统安装成本较高。除了仪表成本外，还要考虑到人工成本、电缆成本等，一般一栋建筑在20万元左右。

针对这种情况，本文提出了一种基于物联网技术，采用无线能耗采集传感设备的建筑能耗采集系统设计思路。基于该设计思想的产品已经开发完成，并成功应用于上海某高层公共建筑。

2.无线能耗采集系统的结构（见图1）

无线能耗采集系统由无线电量采集器、数据集中器、能耗采集终端三层设备组成。无线通信采用了ZigBee技术，设备层无需通信线连接，而是采取了分散安装、无线通信的模式。

图1 系统结构图

无线电量采集器用于配电出线回路电量采集；数据集中器用于通信中继，收集到无线采集器的信息后，通过无线方式转发到能耗采集终端；数据集中器与能耗采集终端可采用RS485有线通信方式，也可采用ZigBee无线通信方式；能耗采集终端收到本配电站（或楼宇）的全部能耗信息后，进行数据处理、存储、分析、转发、评估等功能。

3.无线电量采集器

在住建部发布的《楼宇分项计量设计安装技术导则》中，明确规定：“三相平衡设备应设置单相普通电能表，照明插座等供电回路宜设置三相普通电能表”“当无法直接安装电能表时，应采用加法或减法原则间接获取电耗数据。其他无法直接获取电耗数据的回路均应采用间接获取的方法。”

据此我们设计了一种无线电量采集器，可测量配电回路单相电量，三相回路电量由三个单相电量采集器汇总而成。无线电量采集器设备体积小巧，可直接挂接在配电回路二次CT端子上。设备具备ZIGBEE通信功能，无需现场部署通信线缆。

该采集器的结构由供电、采集、CPU、通信等四部分组成。

采集器供电回路直接由外部单相电压取电。

采集部分电压采样直接来自外部供电单相电压。电流采样使用了一个小型高准确度的CT，用于采集配电CT的二次侧电流。配合模拟滤波、数字滤波等电路，采集电流大小。设备电流采样只要将外部CT二次端子线穿过采集器即可，电压采样需要外接单相电压线。

CPU模块完成数据采集、通信控制、装置自检等功能。

通信部分选用最新ZigBee 2.4G无线网络通信模块。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。只需要很少的能量，即可在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

与市场上的单相电量采集器相比，该设备体积小、接线方便，并采用无线传输，具有较大综合成本优势。(www.xing528.com)

4.数据集中器（见图2）

数据集中器的功能是和无线电量传感器进行通信，采集电量数据，把数据传送到能耗管理终端。

数据集中器与能耗采集终端可以通过ZigBee无线方式，也可以通过RS485有线方式通信。采取无线通信方式时数据集中器具有信号中继功能。

该数据集中器最多可以与100个无线电量采集器通信。体积小巧，仅为一张名片大小。在使用时，安装在配电柜内，接收本柜内的电量信号。该数据集中器需要提供AC220V电源。

5.能耗采集终端（见图3）

能耗采集终端主要收到数据集中器的数据，进行存储、计算、通信转发，还可以在采集数据基础上实现能耗评估等高级应用功能。

该设备它采取嵌入式工控机设计，无旋转设备，可靠性高、免维护。能耗采集终端安装在挂壁箱内，可方便地固定在配电室的墙壁上。它与数据集中器之间通过ZigBee无线通信或者RS485有线通信。

图2 数据集中器

图3 能耗采集主机

6.工程应用

该系统完成研发后，选取了上海某公共建筑楼宇作为试点。

该楼宇属于商务写字楼类型，共22层，其主要用电负荷为中央空调、照明插座、电梯、特殊用电。

该系统安装于建筑的地下一层配电室。电量采集器及数据集中器分散安装在各进出线开关柜内。配电柜内已安装指针式电流表计，故利用表计的CT作为电量采集器的电流输入，只要将电量采集器串接在CT二次回路中即可。电量采集器体积小，只需固定挂接在CT二次侧端子线上，无需额外的安装位置。在开关柜中，选取信号良好的位置安装数据接收器。

能耗采集终端安装在挂壁箱里，与数据集中器之间通过无线接收数据。

在试点楼宇施工过程中，共停电约3h，就完成了全部47条出线的安装工作。整个过程中，无需增加额外的屏位，无需增加CT，无需打开电缆沟进行二次配线的工作。比集中安装的多功能表方式简单、高效。

7.结论

能耗采集系统用于对建筑能耗进行实时监测，配合能源审计使用，已经成为节能环保的第一步为广大业主所接受。很多新建建筑在验收前，已被要求必须安装能耗采集系统，但是对于已竣工建筑，有线设备的安装很不方便，这也成为制约推广建筑能耗采集系统的主要阻力。

基于物联网的无线建筑能耗采集系统的提出，很好地解决了安装不便的实际问题。上述系统也在试点楼宇进行安装、试运行。通过试运行，该系统得到了很好的实施，试用部门给予了较高的评价。

该方案具有造价小、灵活安装、停电时间较短等优势。我们相信，在不久的将来，该系统一定会得到普遍应用。

（作者：上海申瑞继保电气有限公司 王曼 胡大良 张卫红）