电力监控系统在智能建筑和电气节能中的应用

    伴随着计算机和信息技术的快速发展及在各行业中的普遍应用，智能建筑应运而生，特别是商业和公共建筑不断提高的智能化管理和节能的要求，使建筑智能化的用途更为广泛，已经成为21世纪建筑业的发展主流。智能建筑是采用计算机技术对建筑物内的设备进行自动控制和管理，并对用户提供信息和通信服务等的一种新型建筑。可以说智能建筑是信息时代的必然产物，是一个国家的综合国力和科技水平的具体体现之一。目前世界各国都在加大力度发展智能建筑，中国也把智能建筑的建设纳入了重要的议程。由于网络技术、视频技术、通信技术、智能配电等新技术的发展，使未来的智能建筑正朝着集约化、系统化、标准化的方向发展，智能、绿色、环保、节能成为智能建筑发展的主流方向。
    智能建筑通常具备以下几个条件：一套先进的楼宇自控系统，以营造一种温馨、回归大自然的生活环境；一套结构化布线系统，将整座大楼或整个小区的数据通信、语音通信、多媒体通信融为一体；一个现代化的通讯系统，以满足现代信息社会高效率的工作需求；一个电力监控系统，对建筑物内的高低压配电设备进行统一监视和管理的智能电力监控系统平台。
    可见，电力监控系统是智能建筑的重要组成部分。配电系统的可靠性、安全性、连续性以及提高电能使用效率、节约用电成本与使用者的生产和生活息息相关，智能的电力监控系统为此提供了强有力的保证。下面以施耐德公司的PowerLogic电力监控系统为例，概述电力监控系统的作用和功能，并以应用实例着重介绍其在智能建筑和电气节能方面的应用。
    一、电力监控系统概述
    施耐德电气公司的PowerLogic电力监控系统是基于先进的现场总线方式（FCS）来实现电力系统信息的交换与管理。PowerLogic电力监控系统借助现代的网络技术和计算机技术实时监视电力系统的运行参数（包括开关状态，故障状态和位置，电压、电流、电度等实时变化的电气参数，报警信号等）、事件记录、波形记录等数据，不断地传送至电力监控计算机（以后简称监控中心），并可以实施遥控命令，使运行管理人员可以通过监控中心全面了解电力系统的运行状况，准确、快速地判断故障位置和故障原因，简便地实现各种数据分析（包括负荷分析，电能消耗分析，电能质量）。对于一些难于判断的故障，可以通过波形记录来帮助管理者分析故障原因。
    该电力监控系统能够实现的主要功能包括系统运行实时监视、电能质量监视、远程控制和操作记录、事件报警和记录、数据采集和历史数据管理、各种报表打印、电能管理。
    二、电力监控系统在智能建筑中的应用
    通过监控，可以实现对配电室内的二次设备（安全自动装置、传统测量仪表、操作控制、信号系统等）的功能进行智能化改造，取消了常规的人工电力管理，通过计算机和通讯网络进行电力系统的测量、控制、信号采集、故障分析、负荷控制和运行管理，实现了智能建筑中的配电管理透明化，极大地提高了配电系统的安全性、可靠性和管理水平的智能化。该电力监控系统具有良好的开放性，可以方便的与智能建筑中其他相关系统和智能装置通信，如建筑设备自动化系统、通信网络系统、办公自动化系统、火灾自动报警系统等，实现自动化系统间的相互通讯和信息共享。下面通过一个系统应用实例来具体阐述。
    某大型园区中，由于面积大、建筑物多，其中包含有厂房和办公用楼。园区中有中央空调、动力电源、安防等设备，因此采用了智能化设计。其中电力系统中，共有8个10kV变电站，每个变电站有两台10kV/380V变压器，采用两进线一母联结构，每个变电站内有低压馈出线80条。为了保证园区正常工作的可靠供电和实现供电系统的现代化管理，我们采用了电力监控将全系统分为8个子工作站和1个监控中心，主通讯网采用100m TCP/IP光纤以太网，子站内的现场监控层采用Modbus总线通讯。通过电力监控系统实现对建筑物配电系统的全面管理，并通过与楼宇自控系统的通讯，将电力监控纳入到整个智能建筑的综合管理中。这样不但极大地提高了智能建筑的管理效率与安全性、减少了故障损失，同时也降低了园区管理运营成本，大大提高了园区管理的智能化水平。
   
    三、电力监控系统带来的电气节能
    所有智能建筑所共有的唯一特性是其结构设计可以适于便利、降低成本的变化。经过十几年的发展，智能建筑已经处于更高智能的发展阶段，发达国家已经进入“绿色建筑”的新境界。通过对建筑物智能功能的配备，强调高效率、低能耗、低污染，达到节约能源、保护环境的可持续发展目标。
    在当前的国内，对于用户来说，设备运行消耗是商业运作的主要支出之一。在今天的竞争环境中，合理控制这些费用并不断设法提高效率、削减支出，是每个用户的目标。为了有效控制这些费用，首先应该对其进行监测，这就是Powerlogic电力监控系统的主要功能之一。它可以提高管理效率和系统供电的可靠性，提供减少电能花费、降低成本设备投资和设备运行潜在消耗所需的信息。
    PowerLogic电力监控系统的电气节能体现在：通过对电力参数历史数据的分析，建立系统和设备的电能消耗模式，在实时监视过程中及时发现电能消耗异常现象，采取有效措施进行设备改造或补偿，以避免电能损耗，如设备故障和谐波引起的电能消耗。优化配电系统运行模式，减少不必要的电能花费，如对定时用电设备进行集中控制公共照明。对配电系统内部的各用电单位进行电能分配、计量和监控，以避免电能浪费现象，提高管理效率、降低运营成本。
    四、电力监控系统的客户价值
    冰山，通常我们看到的是漂浮在水面上的小山峰，而实际上那只是冰山的一角，还有巨大的体积都在水面以下。大多数的费用节余也可以用同样的方式来考虑。关于快速的投资回报方面，如果把帐单看成整座冰山，将很容易理解PowerLogic电力监控系统的价值。让我们来看看投资PowerLogic系统将给您带来的巨大回报。
    使用PowerLogic电力监控系统，将使用户有效管理现有资源和用电负荷，减少设备运行和电能消耗的支出。对于全部潜在费用节余而言，那仅仅是“冰山一角”；通过数据分析，使用户合理有效地利用设备，减少不必要的设备添置，避免了资源浪费，可以节约大量资金；及时发现潜在故障，减少设备维护费用，延长设备使用寿命；提高运行管理效率，减少运行维护人员工作量和提高供电可靠性，缩短停电时间，减少火灾、人员伤亡等严重事故的发生，节约大量事故费用。
    电力监控系统的电气节能实例的案例一：波音公司在美国的飞机制造厂仅照明的电能花费就达350万$/a，是其全部电能费用的30%。利用该配电监控系统得到的监测数据为波音提供了配电控制方案。实施该方案的结果是减少了20%的峰值电价费用，周末时可以达到50%。
案例二：最近DELL公司的一台重要设备内部发生了非常严重的暂态故障，但很快它又恢复了正常。如果没有监控系统，这个故障根本无法被察觉，然而这是一个很可怕的潜在威胁。由于安装该系统时发现了这个故障并捕捉记录了暂态故障波形，这个信息为DELL公司节省了25,000$的设备修理费。
    综上所述，施耐德公司的PowerLogic电力监控系统全面实现了配电系统的智能监控，帮助用户提高用电管理水平，降低了设备运营成本，达到智能、高效、节能的目的。
    文/施耐德电气（中国）投资有限公司 连文奇 

技术交流

解析消费总线技术

    智能家庭要求家用电器经网络（总线）实现互联，总线协议是其精髓所在。目前，国际上占主导地位的家庭网络标准有美国的X10、消费总线（CEBus）、日本的家庭总线HomeBust和欧洲的安装总线（EIB）。
    1. CEBUS简介
    CEBus是专门为家用电子产品通讯而制定的协议标准，又称作EIA-600协议。美国电子工业协会（Electronics Industry Association，EIA）联合其他厂商于1989年制定出一套家庭自动化控制规格的初步草案并在1992年发布，命名为CEBus（Consumer Electronic Bus），目标是建立一个针对家用电子产品的开放性协议；开发一套通用的、廉价的、与制造厂家无关的通讯方法；允许用户以很小的代价实现在系统中加入新的家电产品；减少家用电子产品设备功能的冗余。1997年，CEBus的EIA-600正式成为美国ANSI标准。 
    参与研究开发CEBus的公司多达几百个，像Microsoft，IBM，Compaq Computer Corp，AT &T，Bell Labs，Honeywell，Panasonic，Sony，Thomson Consumer Electronics，Leviton，Pacific Gas & Electric等都是它的会员。 
    CEBus是一个较完整的开放系统，它定义了在几乎所有传送媒体（如电力线、双绞线、同轴电缆线、光纤、红外线和无线电）中信号的传输标准，并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传送速度（lOKbps）传送，从而有效地避免信号传输中可能出现的“瓶颈”问题，任何符合CEBus标准的电器产品都可以直接互联及通信，其寻址能力超过40亿，足以与互联网相媲美。美国电子工业协会拥有CEBus的商标，但在CEBus步出实验室走向市场时，改由一个名为CIC（CEBus Industry Council）的非盈利机构来主导，目前CIC对于厂商使用CEBus商标并无任何限  制。
    消费总线网络拓扑结构灵活，可以是总线型、星型、树型或混合型。总线中的每个节点的地位是平等的，不需要主控设备。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突解决（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection and Resolution，CS MAICDCR）。网络中各节点的控制关系通过绑定来实现，从而使整个家庭中的电器系统能成为一个智能的整体。
    2. CEBus技术
    1）模型 
    CEBus采用了简化的OSI模型，它分为物理层、数据链路层、网络层和应用层四层。除此以外，CEBus还包括层系统管理部件。其系统模型如下图所示。 
    下图的节点模型中，整个物理层的功能已经芯片化，某些芯片还包括了数据链路层的功能。数据链路层中的介质访问控制子层提供带或不带应答的无连接数据传输服务，有时还承担查错任务，同时还要生成数据分组的控制域以表明数据分组的类型、优先级、服务级别和序列号。数据链路层中的逻辑链路控制子层是个空壳，只转发命令，无实质性的工作。网络层具有路由、路桥功能，负责确定网址、流量控制、数据分段以及丢弃传输介质收到的重复数据分组等。应用层可以通过原语向网络层指明优先级、是否需要应答、是否使用流量控制、传输介质类型以及选择路桥和路桥的网址。层系统管理是一个CEBus部件而不是一个层，它可以与网络节点中的所有协议层进行通讯。层系统管理负责层的复位、层参数的初始化以及接收和发布层故障信息。层系统管理也能访问各层的参数，如介质访问控制子层中的统计计数器。
图：CEBus节点模型
    2）CAL简介
    CEBus在应用层定义了一种面向对象的、严格的设备描述语言CAL（Common Application Language EIA721），简称公共应用语言[1]，其内容涵盖了家庭中可能拥有的家电。公共应用语言采用了面向对象的方法，把任意一个家电设备按照功能分解成几个预定义的对象模型。在面向对象的编程语言中，一个对象由数据和操作这些数据的函数组成。在消费总线中，这些对象也由数据（称为实例变量）和操作（称为方法）组成，不同的设备可以采用相同的对象、用相同的方法操作，但是控制结果随设备的不同而有不同的意义。
    CAL用一种层次关系描述设备的功能，如下图所示。一个设备可以分成几个上下文，它们代表了这个设备按照功能划分的子系统。上下文又被分为几个对象，每个对象代表了上下文中的一种控制功能。对象分为若干类，每一类代表一种共有的功能。CAL预定义了27个对象模型。例如，类号为07的对象是模拟控制对象（Analog Control Object），它可以用来代表音量控制、温度调节或调光器。一个对象的具体功能完全由他所属的上下文决定。它们包含一定数量的实例变量，每个对象都能够解释执行方法，更新实例变量并完成实际操作。
图：CAL的层次关系
    3. CEBUS的层系统
    1）CEBUS的物理层通讯
    消费总线使用五种类型的介质（电力线、无线、红外、双绞线和同轴电缆），其中以电力线的应用最为广泛。鉴于家庭中电力线载波通讯的特殊性，CEBus在以电力线作为物理层的传输介质时采用扩频载波（spectrum spread carrier）通讯来实现控制流。扩频通讯的理论基础是信息论中的香农理论。香农关于噪声信道的主要结论是：任何带宽为WHz、信噪比为S/N的信道，其最大传输速率C为：
C=W×log2(1+S/N)，式中C-最大传输速率，N-噪声功率，W-带宽，S-信号功率。
    这一公式表明，相对于在信道中所存在的信噪比而言，一条信道差错传递信息的能力与传输信息所用的带宽之间所具有的关系。由此可得，为了获得同样的信道容量（用信息速率表示），信号带宽与共信噪比的对数成反比，即信号带宽越宽，则所要求的信号信噪比就越低，甚至信号淹没在噪声之中也能实现可靠通信。
    CEBus在电力线上有四种编码，分别是：“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。它们都是扩频扫描范围为100-400kHz的线性扫频chirp信号：从203kHz经过19个周期线性变为400kHz，再在1个周期内变为100kHz，然后在5个周期中变为203kHz，整个时间长度为100μs，也就是1个UST。其波形图如下：
图：CEBus的线性扫频chirp信号
    这种chirps波形具有很强的自相关特性和自同步性。这种逢相关性决定了所有连接在网络上的设备都可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形。
    CEBus物理层的数据帧由帧头、数据体和CRC校验和组成。帧头与数据体内编码有所不同，编码方式如表1所示。
表1：CEBus的物理层编码长度
    帧头用来解决多机共享信道时的竞争问题。没有扫频信号的状态称为劣态（Inferior State），有扫频信号的状态称为优态（Superior）。如果一个节点发送了劣态（实际上什么也没有发送），而它同时却收到了优态，那么就检测到了竞争。这个过程发生在帧头中，所以不会造成数据的丢失。通过这种类似与逻辑中的“线或”方法，对解决通讯信道的竞争有着重要的意义。优态还有两种相反的相位，分别记做φ1和2。为了便于检测，在帧头中，每一个UST是114μs，但是扫描的时间并不变。所有的优态都采用φ1，在帧头中采用振幅移位键技术，优态和劣态交替出现，其中优态仅仅使用第一种相位。优态和劣态统称为某一种状态，某一状态的持续时间就代表了码元，无论是优态或者是劣态都可以代表0或者1。帧头的波形如下图所示，它的编码是1101。
    ■  浙江大学系统工程研究所[Page]
图：帧头的波形图
    在数据体中采用反相键控技术，没有劣态，而是两个相位交替出来，类似于四种码元通过某一个状态持续出现的次数来代表。数据体的波形如下图所示，它的输出是1101。
    2）CEBus的数据链路层
数据链路层的功能是使有噪音和干扰的数据通道看起来成为一个无差错后数据通道。
    CEBus的介质多重访问采用CSMA/CDCR机制，从而使得各节点可以高效地使用通讯信道。CEBus数据包（packet）有三种优先级：高、普通、低，可满足不同的控制信息对时间的要求。数据链路层中每帧最短11字节，最长41字节。最长的发送时间大约是55ms，典型的控制命令只要10ms就可以完成。
    CEBus的数据链路层只提供面向无连接的服务，根据数据帧中是否含源节点地址和是否要求响应分为四种类型服务。这四种类型的服务根据通讯的可靠性依次为：
（1）无地址无响应（UNADD_UNACK）；
（2）带地址无响应（ADD_UNACK）；
（3）无地址要求响应（UNADD_ACK）；
（4）带地址要求响应（ADD_ACK）。
    其中常用到的类型是带地址要求响应型；无响应的服务主要用于广播，并且在数据链路层采用多次重发的机制，可以提高无响应服务的可靠性。
研究表明，在家电控制这种轻负载的网络条件下，CEBus的通讯效率是很高的。
    4. 结束语
    个人计算机正在成为家庭中工作、通信、教育和娱乐的强大平台。与此同时，几乎在一夜间，Internet逐渐成为信息交流的基本方式之一。正如把户外的信息和宽带娱乐资源（如Internet和有线电视）高速接入的需要不断增加一样，在家庭里，把家电设备进行数字化连接的需求也在迅速增长。当然可以通过局域网来实现家庭内部的连接，然而在家中布置一个局域网成本太高，布线也比较复杂。于是，人们设计出利用现有的电话线或者电力线来完成简单、高速和廉价的家庭网络。家庭网络的兴起和推广应用将会带来一场家电市场的革命。    
CEBus以其简便的协议、日臻完善的技术正日益成为消费电子设备互操作的企业标准，CEBus通讯的低层功能已实现了芯片化，所以接入设备比较便宜。 
    目前，市场上此类芯片有LM1893、ST7536、SSC-P485、CEWay-Ⅲ等。随着载波通讯技术的进一步成熟，CEBus将在仪器仪表、家庭自动化、智能楼宇建设、智能小区建设以及工业厂区建设中得到更为广泛的应用。 

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