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      淺談建筑能耗大數據管理云平臺架構研究與分析

      2021-09-10 16:05:50

      標簽:公司動態

      來源:安科瑞電子商務(上海)有限公司

      周穎

      安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

      摘要:當前各公共建筑能耗監測系統存在服務對象較局限、通用性不足等問題,為了適應能耗大數據管理的發展要求,本文提出構建公共建筑能耗大數據管理平臺,并對其功能模型和總體結構進行研究和設計。面向不同氣候區域、不同規模的公共建筑用戶群體,該平臺將提供節能管理以及能源運營托管等服務。

      關鍵詞:建筑能源管理;大數據

      1 引言

      隨著全國省市級公共建筑能耗監測平臺的建設以及一直在國內推行的公共建筑分項計量及監測系統建設,各類系統已經積累了大量的公共建筑歷史能耗監測數據,這些數據資源為公共建筑的節能評價、能耗管理和決策產生不少價值。但是,公共建筑能耗數據源在地域上各自相對獨立且分散,各地能耗監測系統及其數據規范也不盡相同,沒有統一的組織和管理模式等,這些因素使得建筑能耗數據共享困難,且無法獲得同行業間的能耗橫向對比數據,公共建筑能耗數據的用戶在節能管理方面也難以得到更多的定量化認識和指導。

      針對當前各公共建筑能耗監測系統的服務對象較局限、通用性和開放性不足等問題,適應大數據管理的發展要求,研究構建開放式的公共建筑能耗大數據管理平臺(以下簡稱“平臺”),以大數據平臺管理關鍵技術為基礎,將數據庫系統、應用系統等進行集成整合,面向不同氣候區域、不同規模的公共建筑、不同用戶群體的需求,構建能耗數據在線云端數據中心,實現能耗監測數據的采集傳輸、數據修復、儲存、展示分析,并實現公共建筑能效評價、能耗預測與診斷等功能。

      2 平臺功能模型設計

      遵循國家標準、行業標準和企業內部標準規定,平臺需接入計量儀表、環境傳感和暖通空調等多種類型的底層設備,并通過這些底層設備實現對物理世界的感知和控制操作。

       

       1 平臺功能模型設計示意圖

      1是平臺功能模型的設計示意圖,該模型在設計時考慮了不同規??蛻魯祿尤氲男枰?。

      對于大型客戶和標桿客戶(比如大型醫院、商業綜合體等),客戶通常選擇自行建設硬件基礎設施并在本地安裝部署建筑能耗管理系統,接入數據進行處理;

      對于中小型客戶(比如單幢建筑),可將前置網關采集的數據直接傳至云端通信網關,云端以SaaS方式、采用租戶的形式提供能源管理相關服務。與此同時,企業級和云端級的數據服務部分提供開放接口,可供第三方應用調用和研發新型應用,為建筑能效評價、能耗預測與診斷等高級功能應用提供方便。

      SaaS模式最為顯著的特點就是提供多租戶服務,而多租戶目的則是為了在多用戶環境下使用同一套程序,且保證用戶間數據隔離。面向SaaS多租戶,結合建筑能耗管理的業務需求,平臺需要提供建筑能耗數據統計分析、能耗信息展示等功能?;诖诵枨?,對平臺的多租戶模型進行了設計,如圖2所示,它為接入各地不同的能耗監測系統、實現各租戶統一的組織管理及能耗數據共享提供前提。

       

       2 平臺多租戶模型設計圖

      平臺總體結構設計

        平臺的總體結構設計如圖3所示,計劃由兩個子系統、共計五個功能部分組成。其中,兩個子系統是指

      能耗監測子系統和租戶管理子系統,二者是獨立部署的Web系統,前者面向租戶提供能耗數據采集、監測、分析、告警等業務功能,后者則完成平臺接入租戶、進行維護等管理功能。

       

       3 平臺結構設計圖

      五個功能的組成部分包括:

      1)數據存儲。包括應用數據庫、數據服務平臺和緩存庫三種,其中應用數據庫存儲能耗監測子系統所需的應用和配置數據;數據服務平臺作為能耗監測數據的數據源;緩存庫則作性能優化的用途。

      2)公共框架。用于對數據庫、數據服務平臺、緩存庫等數據源訪問進行封裝,并為權限管理、日志訪問、頁面公共工具等公共功能提供統一支持。

      3)后臺服務。指需要在后臺進行持續運行和計算的任務,包括信息推送、診斷分析、告警接收、報告報表的自動生成和推送等。

      4)能耗監測頁面。完成能耗監測子系統的Web交互功能。WEB頁面交互支持用戶登錄的方式來訪問系統,并根據用戶的權限進行功能展示和操作。

      5)租戶管理頁面。完成租戶管理子系統的Web交互功能。

      3.1 能耗數據存儲及服務模塊

      能耗數據存儲及服務模塊是平臺的底層數據源。針對各地建筑能耗監測系統的能耗數據結構不同、數據共享困難的問題,由平臺側設計統一的基礎信息表、采集標準和數據接入協議,對來自各租戶的接入數據進行規范。在采集數據規范的基礎上,平臺考慮引入OLAP服務引擎技術,來完成能耗數據存儲、數據統計和數據分析等數據服務。OLAP在線分析處理是一種共享多維信息的快速分析技術,其基本多維分析操作有鉆取、切片和切塊以及旋轉等。Kylin則是分布式分析引擎,它將SQL接口與多維分析機制(OLAP)引入Hadoop,旨在對規模極為龐大的數據集加以支持。在本平臺的設計中,采用Hadoop/Hbase/Hive實現能耗數據的數據倉庫功能,并對應地部署 Kylin 提供OLAP查詢分析功能,以達到對動態能耗數據的準實時統計分析。通過研究,平臺KylinOlap查詢分析流程的設計如4所示。該流程設計的解釋如下:

      1)數據生成模塊FileManager監聽二次采樣數據,每小時生成一個能耗數據文件;

      2)Olap模塊每小時獲取一次能耗數據文件并入庫Hive ,然后生成mapReduce任務進行立方創建;

      3)創建完的立方文件入庫 Hbase,當Olap收到查詢請求時查詢Hbase并返回數據;

      4)針對手動修復能耗數據和數據著色的場景,數據生成文件模塊提供接口,能夠主動去查詢mysql各個租戶庫中特定時間段內的數據,并生成對應的數據文件提供給Olap模塊進行重新統計;

       

       4 平臺 KylinOlap 流程

      5)針對數據修復,數據生成模塊會監聽新的主題(topic),實時監聽所有需要修復的數據。對外部接口傳入的數據,每修改一條原數據就通知一條,然后在數據生成模塊對所有的傳入數據進行清洗、保存,后續傳入的數據若已經包含在緩存數據中,則直接拋棄。到了的周期節點,將緩存中數據進行處理,直接生成對應的數據文件,最終由統計模塊對數據進行處理,刷新立方;

      6)將整個統計模塊由全量統計修改為增量統計,這樣每次刷新立方就需要帶上時間區間;另外,數據修復后,需要有觸發機制,觸發已存在的立方進行重新刷新。

      3.2 公共框架模塊

      公共框架模塊的功能包括用戶權限校驗、日志管理、數據庫訪問、頁面公共工具(如能耗單位換算)等。其中,用戶權限包含功能權限和數據權限,功能權限主要使用基于角色的訪問模型控制和按鈕級別的訪問控制,而數據權限則主要使用基于能耗分類分項、時間、組織、區域等維度的訪問控制,管理員給用戶分配相應的維度權限,來控制用戶訪問對應維度標簽的數據。

      3.3 后臺服務模塊

      后臺服務模塊提供了基于Spring框架的多線程調度控制機制。所有后臺任務在創建時,都需要通過注解的方式,向框架任務管理器注冊任務,并由任務管理器根據系統的實時負載情況,進行統一的并發控制和調度。后臺服務模塊包括信息推送、告警接收、診斷分析、報告報表服務。同時,它還將執行應用服務一些預配置的數據計算。

      3.4 租戶管理模塊

      租戶管理模塊的基本功能包括租戶查詢、添加租戶、租戶資料修改、啟用/禁用租戶、修改密碼、密碼找回等功能。

      租戶類型模板根據租戶類型劃分,每種租戶類型對應一個模板,例如,預定義租戶類型模板可以是醫療類、商業建筑類和機場類。每種租戶類型模板分三部分信息:通用信息、基本信息和經營信息。

      通用信息是指所有租戶類型模板都具備的內容項,包含名稱、別名、租戶類型、總體介紹、地點、位置(坐標)、聯系方式、與其他租戶關系(上下級)、租期、當前有效狀態等。

      基本信息是指各租戶類型特有的、擴充的基礎內容項,比如醫療類租戶包含總建筑面積、各院區面積、醫院等級、醫院類別、編制床位數、開放床位數。

      經營信息是指各租戶類型經營性內容項,比如醫療類租戶包含年度/月度/日的門急診人次、平均住院日、年住院床日、年總收入。

      3.5 服務中心及應用的頁面交互模塊

      服務中心的頁面交互包含用戶注冊、用戶登錄、權限管理、局點/項目管理等。能耗監管應用的交互頁面則包含能耗對比、能耗排名、報告報表等。

      RESTful Web Services(REST式的Web服務)是一種遵守REST式風格的Web服務。REST式的Web服務是一種ROA(面向資源的架構)的應用。平臺中數據服務模塊將通過REST風格的WebService接口實現與能耗監管應用的交互,實現各租戶下不同用戶權限設置、消息訂閱設置、對實時數據操作、歷史數據統計、預測/基準數據查詢、業態對象配置等功能的需求,并通過總線實現與平臺其他模塊的數據和消息交互。

      4 平臺設計的優勢

      相較于當前已有的各公共建筑能耗監測系統,本平臺架構研究的原則著重在更好的開放性、更強的可擴展性和更利于數據集成性這幾個方面。平臺設計的優勢主要體現在如下幾點:

      (1)面向大數據管理的要求。平臺結構支持大規模可伸縮,并為上層應用提供統一通用的數據/控制服務接口,滿足了大數據管理所要求的虛擬、通用和高可用性。

      (2)數據存儲更易管理??梢圆捎脭祿频姆绞浇y一部署平臺數據中心,實現數據的集中管理,更有利于集成和互操作。

      (3)運維模式更先進。不同于之前單個項目獨立運營的方式,基于云端數據建立集中統一的平臺,不僅有助于提高能源管理效率,而且數據維度的增加更有利于能效分析的性和準確性。

      (4)服務對象更廣泛。平臺強調在安全的前提下,面向公共建筑的業主、業務管理方、運營管理人員,甚至終端客戶和總部管理方提供的數據和業務支持服務。

      5 安科瑞能耗在線監測系統介紹

      5.1 系統概述

      Acrel-5000建筑能耗監測系統是用戶端能源管理分析系統,在電能管理系統的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析,通過對用戶端所有能耗進行細分和統計,以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況,便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣,有效節約能源,為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

      5.2 應用場所:

      1)辦公建筑(商務辦公、國家機關辦公建筑等);

      2)商業建筑(商場、金融機構建筑等);

      3)旅游建筑(賓館飯店、場所等);

      4)科教文衛建筑(文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑等);

      5)通信建筑(郵電、通信、廣播、電視、數據中心等);

      6)交通運輸建筑(機場、車站、碼頭建筑等)。

      5.3系統功能

      1)登陸界面

      系統可以根據客戶要求定制個性化的系統登錄界面,登錄界面所用的圖片、 Logo等由用戶提供。

      2)綜合能耗展示

      系統登陸成功進入主頁面,主頁面顯示該建筑的建筑圖片,建筑基本信息,建筑當月分項用電餅圖和各種能源的消耗量。

      3)支路能耗概況

      系統可以根據分類能耗的支路名稱查詢用能情況,顯示當日和當月的用能峰值(電能對應需量值)、當日用能、當月用能、當年用能以及昨天同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。

      4)支路用能

      系統可以統計各支路某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。

      5)分項能耗概況

      系統可以按照動力、空調、插座等分項進行能耗統計與顯示,支持用能餅圖顯示各分項過去31天的用能占比;堆積圖顯示各分項過去31天的能耗趨勢;分項用能排名圖顯示被選中分項對應能耗值排名前10位的支路。

      6)分項用能

      系統可以統計各分項某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能(這里的支路須通過基礎數據中分類分項的配置。) 

      7)部門能耗概況

      系統可以按照部門進行能耗統計與顯示,并進行日同比分析圖,餅圖顯示各部門過去31天的用能占比;堆積圖顯示各部門過去31天的能耗趨勢;部門績效考核對比圖顯示實際用能和用能目標值,當實際用能值大于目標值時,實際值標為紅色。

      8)區域能耗概況

      系統可以按照區域進行能耗統計與顯示,日分項用能同比分析圖顯示不同區域的當日與昨日能耗柱狀圖;餅圖顯示各區域過去31天的用能占比;堆積圖顯示各區域過去31天的能耗趨勢;區域用能排名圖中顯示被選中區域對應能耗值排名前10位的支路。

      9)參數查詢

      查詢各回路戓支路某段時間內的參數,以曲線的形式反映趨勢(具體可以查詢的參數與安裝的儀表有關,查詢時不能跨月,且繪制曲線時以1分鐘為間隔),電力參數可以多選。

      10)數據檢查

      系統可以統計某段時間內各回路與下級支路的用能差值,超過一定百分比后醒目顯示(紅色區域),確保計量體系的完整性、準確性。 

      11)非工作日用能分析

      系統可統計各支路工作日與非工作日的能耗情況。此處的工作日和非工作日是在基礎數據中非工作日設置中配置的非工作日。

      12)能耗數據同比環比分析

      系統可將各種類型(電、水、氣)和各主要耗能設備的能耗與去年同期值和上月值進行同比環比分析,檢驗節能效果,根據分析結果執行節能績效考核,以及節能目標的修正。 

      13)分時段用能統計

      在儀表帶有復費率統計功能的前提下,系統可以采集電表內尖、峰、平、谷參數,并將數據存儲到數據庫中方便后期查詢。不同時段可以分別設置用電單價,統計報表會呈現出分時段電能值與電費。 

      14)日月年報表

      系統提供方便的日月年報表統計功能,通過選擇不同回路,報表類型,查詢日期,生成對應報表。選中報表中的某一行數據,會自動顯示對應的柱狀圖。

      15)儀表網關斷線報警

      系統通過能耗網關采集數據時,可以獲得儀表的通訊狀態。當系統判斷儀表通訊中斷時間大于10分鐘時或網關通訊中斷時間大于20分鐘時,系統會彈窗或者通過鈴鐺報警,顯示當前通訊中斷的儀表或者網關。

      16)圖表導出

      系統可將分析統計的曲線、棒圖、報表導出到Excel格式文件,以便于用戶數據二次利用。

      17)用戶管理

      系統用戶權限管理采用分級模式,為系統管理員、后勤管理人員、設備維護人員三級,進行訪問權限管理,防止未授權的訪問,并對所有操作自動進行帶時標事件記錄,可建立良好的反事故措施。

      18)基礎信息配置與維護

      系統可根據項目實際情況配置每塊智能儀表所屬的能耗類型和分項、歸屬區域、設備類型,這些數據將作為用能分析的基礎信息。

      19)人工錄入數據

      系統提供數據手工錄入功能,可錄入儀表每天的抄表值與每天的用能值,用于后期報表統計。

      20)遠程訪問功能(C/S模式)

      系統采用C/S架構設計,在任意一臺連接廣域網的計算機上安裝Acrel-5000建筑能耗監測系統客戶端軟件即可實時訪問該能耗監測系統。

      5.4 系統網絡結構

      AcrelCloud-5000能耗管理云平臺采用分層組網架構,將系統分為設備層、網絡層、應用層。

      設備層:設備層作為平臺數據來源的基礎,通過儀表與傳感器對參數進行監測和計量。

      網絡層:網絡層通過強大的協議轉換功能將采集到的設備層的數據傳遞到應用層,起到承上啟下的作用。

      應用層:應用層對設備層的數據進行分類、存儲、統計分析,通過友好的人機界面為用戶提供優質的體驗。

       

      5 系統結構

      5.5 能耗監測系統產品選型

       

      6 結論

      為了加強公共建筑節能監測工作,國家有關部門已明確提出要建立節能信息服務及披露機制的要求,并應充分整合公共建筑能耗統計、能源審計及能耗動態監測數據信息,構建面向政府、市場、業主、金融機構、社會團體等利益相關方的公共建筑節能信息服務平臺 。

      為了落實這些要求,在公共建筑能耗大數據管理平臺的設計考慮中,重點強調利用大數據技術,并將能耗數據中心與具體應用模塊間完全解耦,著力構建面向跨區域的能效管理數據云,以充分滿足綠色建筑能耗管理的應用需求,提供節能管理、用能安全以及能源運營托管等服務。

      【參考文獻】

      [1]詹少偉,沈慧強,金寶云.基于云計算的醫院能耗管理系統研究 [J].低碳世界 ,2016 ( 34 ) :152-153.

      [2]詹少偉,苗升伍. 公共建筑能耗大數據管理平臺架構研究.

      [3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06.

       

      作者簡介:宋兵兵,男,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為絕緣監測及剩余電流監測, QQ:3007723194 手機:13482141563(微信同號)