新能源系统设计报告

1、新能源与分布式发电基于教学主楼的终端能源管理和控制系统设计报告指导教师：吴锴电气95 李嘉丰 电气95 王 晨 电气95 熊觊新 电气92 胡秀明 2012年5月26日目录第一部分 概述一、智能控制系统概述1二、智能系统特点1三、楼宇智能控制系统2四、教学主楼在环保节能方面的弊端25、 教学主楼的系统框图3第二部分 系统设计一、教学主楼终端能源控制系统工作原理3二、系统设计原则4三、数据浏览录入系统5四、数据采集系统5五、数据中间件5六、能源管理系统应用6第三部分 系统优化与创新一、温度控制7二、光线控制8三、空气中CO2含量控制8四、新风机组的监控10五、中央空调的分布式控制11六、整体系统

2、结构12第四部分 系统扩展与总结一、本设计系统总结12二、本设计系统的扩展运用13参考文献15人员分工15第一部分 概述一、智能控制系统概述智能控制系统是一类崭新而至今最复杂的控制系统，代表着控制科学的总体发展方向。我们设计控制系统为智能控制系统提出了人机合一认识论，综述了智能控制系统的方法论与研究现状，从而创立了智能控制系统的科学研究体系。智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、运筹学等多种学科的高度综合与集成，是一门新的交叉前沿学科。从广义上讲，智能控制是研究对复杂的不确定性被控对象（过程）采用人工智能的方法有效地克服系统的不确定性，使系统从无序状态到有序状态转移的方法。 智

3、能控制已经出现了相当长的一段时间，并且已取得了初步的应用成果。但是究竟什么是“智能”，什么是“智能控制”等问题，至今没有统一的明确定义。归纳各种说法，主要有四种说法：定义一：智能控制就是由一台智能机器自主地实现其目标的过程。而智能机器则定义为，在结构化或非结构化的、熟悉的或陌生的环境中，自主地或与人交互地执行人的任务。 定义二：K.J.Astron则认为，把人类具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式化或机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，以期在一定程度上实现控制系统的智能化，这就是智能控制。K.J.Astron还认为自调节控制、自适应控制就是智能控制的低级体现。 定义三：智能控制是一类无需人

4、的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制，也是用计算机模拟人类智能的一个重要领域。 定义四：智能控制实际只是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。 二、智能系统特点智能系统具有以下几个特点：具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合制过程，也往往是那些含有复杂性、不完全性、模糊性或不确定性以及不存在已知算法的非数字过程，并以知识进行推理，以启发引导求解过程；智能控制的核心在高层控制，即组织级；智能控制器具有非线性特性；智能控制具有变结构特点；智能控制器具有总体自寻优特性； 智能控制系统应能满足多样性目

5、标的高性能要求；智能控制是一门边缘交叉学科；智能控制是一个新兴的研究领域。我们所想要实现的对学校主楼的智能化控制想要实现比现在更加节能环保。所以是一个基于楼宇智能控制系统的终端。三、楼宇智能控制系统楼宇智能控制系统(或称楼宇管理系统BA系统)是由中央管理站、各种DDC控制器及各类传感器、执行机构组成的，能够完成多种控制及管理功能的网络系统。它是随着计算机在环境控制中的应用而发展起来的一种智能化控制管理网络。目前，系统中的各个组成部分已从过去的非标准化的设计生产，发展成标准化、专业化产品，从而使系统的设计安装及扩展更加方便、灵活，系统的运行更加可靠，投资大大降低。随着计算机技术、信息技术和控制技

6、术的高速发展和广泛应用，智能控制技术取得了巨大的进展，智能楼宇综合管理系统逐渐成为智能大厦的技术核心。它将建筑物内各弱电子系统集成在一个计算机网络平台上，从而实现子系统间信息、资源和任务共享。它将为业主提供一个高效、便利、可靠的管理手段，给使用者提供全面、高质、安全、舒适的综合服务。智能楼宇综合管理系统是以实现各专业子系统之间的信息资源的共享与管理、各子系统的互操作和快速响应与联动控制，以达到自动化监视与控制的目的。它追求的目标是：信息资源的共享与管理、提高工作效率和提供舒适的工作环境、采用“分散控制、集中管理”的模式，尽可能地减少管理人员和节约能源、能适应环境的变化和工作性质的多样化及复杂性

7、和应付突发事件的发生。四、教学主楼在环保节能方面的弊端我们学校主楼的控制系统已经具有相当高的优越性。但在节能与环保方面还有一些弊端，比如夏天A、B楼的空调往往开得过冷，使得许多同学甚至在里面自习是还要加衣服，而C、D楼有些教室的空调有开得不足，起不到应有的效果；有时下雨天已经比较凉快，教室的空调却还是开得很冷。同样的问题也存在于冬天开暖气的时候，有的教室暖气开得过热，有的教室又开得不足。这种不完善的楼宇系统不能营造一个良好的自习环境。我们做设计的智能系统能够根据外界环境的温度自动调节室内温度，给学生营造一个舒适的学习环境。又比如学校有时自习室中只剩下一两个人时教室还是所有的灯都亮着，有时外面已

8、经很亮，靠近窗子的灯就没有必要开了。这是对能源的极大浪费。我们所设计的智能系统能够根据学生人数以及学生所处位置以及外界环境亮度自动调节灯的亮暗。还有就是教室的通风系统，教室的窗子全都需要人工控制，既麻烦又不能有效地起到很好的通风效果，我们所设计的智能系统能够完全实现对空气流通进行自动控制。五、 教学主楼的系统框图 第二部分 系统设计一、教学主楼终端能源控制系统工作原理针对学校使用照明、空调、计算机设备的具体情况，适时合理的利用智能化能源控制系统对照明实行亮度改变、空调输出温度改变、计算机关闭状态的监控等方面实现节能环保，我们议定采用下述能源控制终端：即采用时控和光控，通过传递自动遥控开、关灯时

9、间，并能智能调节输出电压，遥测现场各控制点的工作电流、电压等工作状态数据，可对采集的数据进行自动分析、判断各教室、办公室运行情况；同时，自动计算亮灯率。系统可实现各种故障的语音和声光报警、防盗报警、提高照明、空调系统的可靠性、安全性、经济性！该系统数据包括三种：能源供给状态数据、能源供给整点数据、能源供给累加数据，每种数据都有不同的应用范围。而能源供给状态数据是所有数据的基础，其它两种数据是通过仪器、仪表、手工录入或计算程序得到，是其它应用系统需要的关键数据。因此，智能化终端能源数据采集系统，就是在撷取能源供给状态数据的同时，能将其它应用程序需要的关键数据分检出来，主动发送到各应用程序，满足各

10、教室、办公室的办公、处理需要，在监测的同时，满足结算、决策的需求。二、系统设计原则针对目前国内外能源数据采集系统的水平，我们对学校能源管理系统提出如下的设计原则：采用先进、成熟、实用的技术目前能源数据采集系统技术的发展已经比较成熟，我们现在规划的是面临21 世纪的系统，要经得起时代的考验。因此，在技术上要追求先进，在使用上要求简便实用，而且，在技术上要讲究成熟、可靠，不带有任何试验性质的应用。系统应具有集中统一的管理能力，为系统管理大大提供方便根据实际的管理体制，公共安全管理是集中统一的，因此，我们的系统具有多级集中统一的管理中心，并实施科学合理的管理，使监控技术发挥最高的效用。 系统应具有开

11、放性、可扩性、兼容性和灵活性以安全为核心，系统具有开放性，能有机地与其它系统连接，融合成一个整体。系统范围大小差异很大，要求系统能适合多种规模，要有较强的可扩性；能随时适应对系统的扩容要求。系统具有很强的兼容性和灵活性，能适应产品的升级换代，是系统设计的一个重要思想。 系统的设计和产品的选择应标准化、规范化系统的设计和产品的选择标准化，规范化是必须的。系统必须具有安全性、可靠性、容错性系统设备的安全性可靠性是个非常重要的指标。为避免操作人员误操作等，致使系统工作不正常，要求系统具有较强的容错性和自检功能。 合理的性能价格比在系统设计时，从实际出发，在有限的价格下，追求最高的性能。三、数据浏览录

12、入系统该系统主要功能有以下两部分，一、给学校内网web发布实时能源数据，并生成各种报表、曲线、图表等。为各个相关部门，学校决策层提供科学的依据。二、能源数据手工录入。对于一些未设置自动化采集的监测点，需要该仪表的抄表员固定时间从该系统录入仪表数据，该功能同样适用于学校资金不足，设置自动化监测点很少，对于其它需要大量投入资金改造的人工监测点，即可采用手动录入的方式，这样在减少资金投入的同时，可以最大限度的对各种能源数据进行信息化管理。同时，在学校需要时，可以通过学校计算机安全管理网络对外网（Internet）发布实时能源数据，供有权限的学校人员进行远程浏览。为了保证数据安全，一般情况下能源数据不

13、允许外网人员进行数据录入和修改。四、数据采集系统主要完成能源数据的实时采集，上报的功能。该系统是企业能源管理数据的主要来源。学校能源管理所需的各种重要状态数据都要依赖可靠的数据采集终端INDTU-051G/10完成。采集系统主要由中心接收服务器，下位采集终端两部分组成。INDTU同RS232/485同计量仪表相联，获取实时数据，然后通过移动GPRS网络或者校区内网把实时数据发送给中心数据接收服务器。由于INDTU采用嵌入式操作系统，具备较强的运算能力与开放性。并且内置了信息自动采集组件，能根据信息变化主动向网络上报信息，取代传统的数据库轮循，保证数据的实时传递的同时，大幅度减少网络数据通讯量和

14、中心服务器的负担，保证中心服务器的稳定可靠。同时，INDTU内置存储可选模块，可以根据用户需要保存一定时间的数据，保证在通讯链路故障时的数据不会遗失。最大限度的保证数据的完整性，连续性。五、数据中间件该系统主要完成从其它学校现有的MIS系统或监控系统获取所需数据，并导入学校能源管理系统数据库，供能源管理系统使用。该数据中间件不会影响现有的其它系统，只是从学校现有系统中读取能源管理系统所需的信息，并不会给该系统写入任何信息。因此，该系统的数据流向是单向的，可以充分保证现有其它系统的安全。根据学校现有需要获取数据的系统不同，需要定制开发不同的数据中间件。以满足学校需求。同时，不同应用系统所能提供数

15、据获取方式也不尽相同，需要区别对待，分别处理。六、能源管理系统应用该子系统是主要是提供给企业能源管理系统的各种应用，分享能源信息化带来的成果。该系统主要由两部分组成，应用出版服务器，能源管理客户端。应用出版服务器主要把能源管理的各种数据发布给学校其它的应用系统，例如财务管理系统。其它应用主要根据其订阅的不同获取不同的数据。能源管理客户端主要完成能源管理的各种初始化，采集点的添加，删除。完成数据统计，核算。各个采集点的数据监测，报警，web发布数据的增减，各种人员权限的管理，分配。各种日常报表的生成。各种数据曲线，饼图，柱状图的生成等等工作。该系统特点：系统采用分布式部署，充分发挥各构件的运算能

16、力，将系统效能、处理速度发挥到极致，优点与效益还表现在几个方面： 稳定性与开放性兼顾。INDTU 具备环境适应能力强的特点，可部署在环境恶劣的现场，满足仪器设备数据撷取的需要。系统稳定，可长期连续工作，不需现场维护； 实时性高。通讯量少。由于采用数据主动上报的方式，大大减少的网络通讯量，同时又保证了数据的实时准确性。 各个子系统之间相互独立依存性弱。本系统的各个子系统之间相互独立，可以自成系统，可以分期，分批建设。无论是web数据浏览录入，还是实时数据采集都是相互独立，又同过企业数据库相互关联。因此，学校可以根据自身的情况，分时分批的建设，最大限度的减少资金投入。 系统投资报酬高。系统充分应用

17、了所有子系统的运算能力，使中心端专注于数据的接收和分发工作，在保证效率、效能的基础上，降低对硬件的需求，可降低企业对硬件的投入。并且当采集点多、数据量大时，可对系统进行方便的分布、丛集部署，而这种部署能同样充分保证系统的稳定性、安全性、和经济性；而关系型数据库仅用来储存满足历史查询、结算、核算等应用需求的数据，也可大大提高数据库的服务效能； 应用拓展性能力强。随着应用的不断延伸，学校数据的需求范围将不断扩大，系统可方便实现不同硬件、软件平台间的数据交换，可充分满足企业在不同发展时期对信息服务的不同需求。第三部分 系统优化与创新一、温度控制由于各个教室的人数不同，通风状况不同，因此若统一的用中央

18、空调进行不加调节的使用，势必造成教室温度的不舒适和能源的浪费。因此应建立起一个温度采集、数据处理、计算机自动控制环节，根据不同教室的人数、温度以及时间段进行不同的控制，使各个教室温度适宜。为了减小改造成本，可以只对中央空调的出风口进行改造，通过控制其出风量来达到对温度的控制。由于教室不同时间人数变化较大，所以应以回风温度作为被控参数。为了克服干扰，实现精确调节，可以采用串级控制。变风量调节箱的串级控制示意图：此外，还可以对教室墙壁材料进行更换，使用隔温良好的材料作为墙壁涂层，减小能源消耗。二、光线控制 传统的控制方式是依赖人工，在特定时间楼内的照明设施被完全关闭或打开，主要的有以下几个方面的不

19、足:能源浪费、对设备的损坏、照明的分配不合理、不易掌握每个教室的实时信息、不能满足未来数字化校园建设的需求。鉴于上述的不足，一套教学楼的灯光控制系统是很有必要的。可实现对教学楼灯光的总体控制，不需要人工职守，能根据教室的光线情况、使用情况和设定的要求，自动分析各种状态给出照明控制信号，对教学楼的灯光进行自动控制。并能根据需要将每个教室的光线、当前教室人数、灯光使用情况反馈到中央控制单元，经过中央控制单元再反馈到学校的后勤管理灯光控制中心。以达到节约能源，节省设备，方便管理的目的。分机结构框图：主机结构框图：三、空气中CO2含量控制目前教学主楼内通风状况不佳，尤其是当上课时，学生人数多，空气中二

20、氧化碳浓度较高，导致学生上课时容易犯困睡觉，教学质量大打折扣。而目前教学主楼并没有实现对空气中CO2含量进行控制，此处属于一个盲点。本文将对此进行详细讨论。为了简单易行、节约成本，可将此CO2含量控制同温度控制结合起来，通过对中央空调的改造实现，具体说明如下：新风量的控制即室内CO2含量的控制，分为夏季和过渡季节两种工况。在夏季，由于新风温度较高，新风冷负荷占总冷负荷的很大的比例，所以在保证室内空气品质的前提下，应关小新风阀维持极限新风量，尽量开大回风阀充分利用回风中的能源。在过渡季节，环境温度较低。为了充分利用室外新风冷源，降低能耗，应尽量开大新风阀，关小冷冻水流量。焓值比较法(过渡季节)：

21、空气的焓值是空气温度和湿度的函数。焓值比较法控制原理是：如果室内外之间的焓差大于零，应把新风阀稳定在最小开度上;若焓差小于零，可加大新风阀的开度，适当增加新风比来减少冷水机组的能耗。焓值比较法的控制回路如下图所示，以回风和新风的温度、湿度信号，作为焓值比较器的输入信号。比较器经过PI运算后，控制风阀联动机构来调节新风比。控制新风比的执行机构是一个由新风阀、回风阀和排风阀所构成的联动机构，以保证总风量的稳定。 最小新风量法(夏季)：如下图所示，最小新风量的控制，是以空调区域CO2的浓度作为被控参数，调节器根据CO2的实际浓度和标准浓度(CO2浓度的限值人为设定)的偏差计算最小新风量，调整联动风阀

22、的开度，从而使最小新风量能够随室内CO2浓度的变化而变化。这种控制方法适用于人员密度大且人数很不稳定的主楼环境。四、新风机组的监控为了保证设备的正常运行，还需要对新风机组进行监控。新风机组一般与风机盘管配套使用。将室外新风进行过滤、降温、除湿处理后，给空调房间补充鲜度、洁净、温度适宜的新风，与风机盘管共同对空调房间实施温度、湿度等空气品质的调节。具体监控内容如下：1、检测功能(1)室内外温/湿度信号。(2)送/新风温度信号。(3)过滤器堵塞报警信号。(4)水温调节阀阀位信号。2、控制功能(1)新风电动阀与送风机连锁控制。(2)根据软件程序控制新风机组启/停。(3)根据送新风温度控制水量调节阀开

23、度。(4)当接收到故障或消防报警信号时，停止风机运行。(5)根据室外温度和湿度进行工况转换。(6)调整送风温度设定值。3、报警功能(1)风机故障信号报警。(2)过滤器堵塞信号报警。(3)送风温度超限报警。五、中央空调的分布式控制中央空调的各个设备分布广散，而且各个设备又独立运行。各个空调设备的DDC现场控制器，通过通讯网络和中央控制机相连接，对空调设备实施现场监控和集中管理功能，形成全空调设备的分布式控制结构。空调设备的分布式控制结构如下：六、整体系统结构为了实现以上功能，其整体系统结构图如下：灯光通风系统中央空调传感器中央控制系统数模转换CO2光强温度第四部分 系统总结与扩展一、本设计系统总

24、结本系统的设计是由于笔者观察体验到主楼在温度高低、光强强弱、二氧化碳浓度等方面的控制上，存在着资源严重浪费的现象。在当今这个节能环保为主题的21世纪，这些现象必须得到改观。此外，自动控制理论与相关技术如今已发展比较成熟，对各设备进行实时精确地控制已不是太大的难题。虽然我国广大地区还不是很发达，特别是西部地区，技术人员和资金还比较匮乏，不能将各种自动控制系统都运用在生活当中，但是随着社会的进步，自动控制的广泛应用是一个不可避免的趋势。因此我们必须提前做好准备，思考生活之中哪些地方能应用自动控制系统，并做好一些基本模型的设计，为之后该模型在其他类似情形下进一步的完善和扩展做好充分准备。本系统虽然是

25、基于教学主楼的终端能源管理和控制来设计的，但是其思路和用途还可作为其他形式的控制系统的参考。例如现在的很多政府部门、公司、车站等人员较密集，但同时又显现出人员密度随时间的不同而出现显著差异的地方，都可以本设计为蓝本，按照其提供的思路进行适合于该场所自身要求与特点的改进和完善。笔者还注意到，大多数新建不久的大楼虽安装了中央空调（相对而言对能源的控制已有进步），但是都如同主楼现存的系统一样，依然存在着能源浪费的问题。而更多的已经建成较久的大楼，甚至连中央空调也没用安装，空调的开关全凭人根据自身感受来进行控制，这不仅费人费时，而且对资源是极大的浪费。从长远角度来看，这样的浪费不仅是资源的浪费，同时也

26、是该单位金钱的浪费。虽然对于老旧系统进行改造，安装类似于本设计提供的系统需要一次性投资较多金钱，但是长远看来，对于一些单位来说，还是利大于弊的。同时，国家也应注意到节能环保的重要性，对于改造设备的金钱，因给予适当补贴。二、本设计系统的扩展运用将这种控制的思想放大到生活的各个领域，其前景是很光明的。将各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。从而让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。例如，把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将由传感器获知

27、的信息与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。下面将结合笔者所构思的“绿色城市”以及的智能住宅进行说明。 随着全球对环境的重视，低碳的、绿色的生活越来越受到大家的认可，绿色城市也被大家提起。对于绿色城市，大家所关注的是如何实现城市绿化。通常实现“绿化”的手段包含以下措施:1、提升城市人居密度；2、雨水管理；3、减少“特权道路”的使用；4、

28、采用互动式街道照明；5、采用城区供热网络及生物燃料锅炉；6、采用气动废料回收系统；7、优化建筑能源效率；8、电信级集成: Internet,IP电话及IP TV。而其中住宅是组成城市的一个不可或缺的重要组成部分，绿色城市离不开智能住宅。智能住宅以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。下面就如何进行能源监测及控制做简单介绍。1.测量系统与控制系统的集成把公寓里每个住户的控制系统、智能照明系统、门禁系统(摄像头)以及能源管理系统进行系统集成。控制器通过对空调系统的温度调节，对照明系统的亮度调节及照明的开关控制以及监视住户外面的环境安全情况，通过网关、无线等方式将数据上传到人机界面接口触摸屏上，再通过以太网上传到数据库服务器将数据备份保存，方便用户的调用查看及物业的管理。2.能源管理及账单制作在我们的日常生活中，与我们的生活密切相关的能源消耗是电消耗、热消耗、生活热水消耗、饮用水消耗。我们通过测量仪表把数据采集回来，进行汇总分析。每栋楼的电表成组装配在一个盘箱内可通过M-Bus总线形式、无线形式或者Zigbee形式上传到网关或控制器，再通过以太网网络上传到数据库里，