基于PLCC的高校校园照明节能系统设计与实现

秦娥，李卫锋

（1.浙江工业大学计算机科学与技术学院，杭州 310023；2.浙江华通云数据科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

我国在2016年已将节能减排作为科学发展观的基本国策纳入了“十一五”规划[1]。随着国家节能减排工作的大力开展，国务院已将节能定位“十二五”重要工作，节能已作为我国新的经济增长点。“十三五”期间，我国火电在节能减排方面制定了严苛的目标，将成为我国电力行业节能减排的重要战场。节能分为设备节能和管理节能。设备节能需要企业更新技术，提高设备的用能效率。管理节能则简单易行。

高校校园照明时间长，一致以来都是用电大户。伴随着远程抄表技术的快速发展，远程抄表能源管理系统将替代传统的人工管理模式，研究开发一套完善的节能管理信息系统，不经可以提高学校的用电效率，实现管理节能，还可以产生巨大的社会效益和经济效益。

1 国内研究现状

国内各公司和研发部门相继提出了不少方法致力于开发远程抄表节能管理系统，实现节能管理。其中主要有以下4种方法：

（1）无线自组网：即利用无线通信的方式管理各能源设备，将能源设备作为系统的节点，由这些节点构成整个通信网络，各节点间采用相应的无线通信协议进行通信，以实现以节能为目的的能源管理系统。这种方式的缺点是，无线通信方式容易受到外界信号的干扰，传播距离较短，无法对远距离的能源设备实现管理。

（2）专线：根据需求重新布线，用专有的线路和特定的协议来进行数据通信，远程控制各能源设备，实现节能管理。这种方式的最大缺点就是投资大、施工复杂，需要投入大量人力物力资源来铺设线路，而且很难在短时间内实现全面的覆盖。

（3）物联网/传感网：就是利用射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描等各种信息传感设备，与互联网结合而形成的一个巨大网络，让所有的物品都能够远程感知和控制，从而实现智能管理的节能系统[2]。该方法需要各种传感设备的支撑才能达到预期效果，适合小范围内的智能管理。

（4）低压电力载波：电力线载波通信（Power Line Carrier Communication，简称PLCC）以输电线路为载波信号的传输媒介的电力系统通信。开发出相应的载波芯片和通信协议，使用电力线作为载体，实现数据通信，以实现远程抄表、管理、监控功能，实现智能化、节能性管理[3]。这种方法的优势显而易见，具有节省大量人力、物力；工期短、施工快；扩容、扩展便捷；无运营维护费用；改造不影响业主正常工作，节能环保等优势。

综合分析以上节能方式，电力载波通信技术是一种较为合理、经济、有效、适用性强的实现方式[4]。可以从校园实际需求出发，改变落后的人工抄表方式，采用凯星公司的“多频段自适应直接序列展频通信技术”，科学合理地设计节能方案，搭建节能管理系统，实现校园用电的信息化、智能化管理。

2 基于PLCC的校园节能系统方案设计

本文在研究载波通讯技术的基础上，搭建节能应用系统，将载波通信技术全面应用到校园的教室照明、行政办公楼照明、体育场馆照明等的节能管理与科学调配中，按需实现电远程自动抄表、计量、通/断控制[3]，从而解决高校校园普遍存在的用电浪费现象，并改善传统的人工抄表管理方式，实现校园照明的信息化、智能化管理[4]。

（1）结合高校校园实际用电情况，搭建校园照明节电系统总体框架图。

整个系统由三部分组成，如图1所示：

图1 基于电力载波通信的校园照明节能系统框架图

管理控制中心由电脑、打印机、软件系统构成，数据采集终端即本地抄表设备（每台可控制5000个终端用户），终端设备即载波电表和载波控制器。数据采集终端与现场所有的载波电度表和载波控制器组成二级网络，可直接利用220V的低压电力线进行载波通信[5]。每个变压器台区需配一台载波控制器，它可控制该台区下的载波电表以及载波采集终端，实现从变压器低压端到终端用户之间的技术管理节能[6]。

（2）进行数据集中器和终端控制模块的设计。

依据照明节能系统的应用需求，与企业合作，设计生产出KS5001载波通信芯片，将KS5001载波通信芯片与外围电路二次集成，设计开发出电力载波专用通信模块4。将载波模块与电类产品进行一体化配套设计，开发出一系列载波终端系统产品（三相载波电表、控制终端、数据采集终端和数据集中器等），数据集中器和控制终端的模块结构分别如图2和图3所示。

图2 数据集中器的模块结构图

图3 控制终端的模块结构图

（3）通信协议的选择

由于系统需要和终端设备进行数据通信，以达到终端管理控制、数据采集等目的，本系统采用上位机与抄录器通讯协议（Kslink协议），方便系统能够成功和硬件设备进行交互操作。

该协议主要实现以下五方面的功能：

①集中器、终端能源表的添加、删除、修改，以及参数的设定。可以根据实际情况构建相应的设备关系网络，便于服务器对设备的管理。

②终端设备控制参数设置，用于实现能源表的定时开关、功率限制等控制。能够为能源部门提供节能方案实施的途径。

③远程自动/手动相结合的读取表数据操作，可以准确地、快速地读取远距离能源表的数据，节约时间、人力、物力。

④终端设备状态反馈，能够远程实施设备监控，对存在问题的设备进行有目的性的管理维护。

⑤付费方式，警告形式、时长，充值等设置，可以自动实现收费管理。

3 节能系统需求分析

（1）节能管理需求

根据浙工大屏峰校区的能耗管理现状中存在的问题，以及需要实现的目标，通过进一步分析，得出本系统的具体节能管理需求，如下：

①信息管理模块：其子模块有区域信息管理、硬件设备管理、配表；

②数据采集模块：其子模块有自动采集、单表采集；

③查询分析模块：其子模块有数据查询分析、日志查询；

④策略控制模块：其子模块有定时器管理、控制群管理、单表控制[7]。

（2）管理配置需求

除了节能管理需求外，为了保证系统正常运行，确保系统完善性，得出管理配置需求，如下：

①计费管理模块：费率管理、结算管理、收费查询；

②用户管理模块：账户管理、权限管理、密码修改；

③辅助功能模块：数据字典、数据备份/还原。

4 搭建照明节能系统平台架构

本项目采用Delphi和SQL Server 2008 R2相结合的方式来进行照明节能系统的设计与开发，节能管理系统平台架构如图4所示。

本系统平台主要分为三层：数据层、接口层和平台管理层。其中数据层包括两个部分：应用数据和设备数据。该层主要通过SQL Server 2008来实现的，本系统将应用数据和设备数据以数据库表的形式存储在数据库中，以便接口层对其进行访问。接口层主要由数据接口和设备接口组成。数据接口用于平台管理对数据层的访问和操作；设备接口将平台和硬件设备相连接，方便平台使用者对设备进行控制操作。平台管理层包括六个功能模块：信息管理、数据采集、查询分析、策略管理、计费管理、用户管理[8]。为了实现对设备的控制和抄读，策略引擎和抄表引擎起到了至关重要的作用，通过这两个引擎的调用，平台才能真正意义上实现节能管理。本系统将数据层放置在主站服务器，而接口层和平台管理层则封装成客户端监控终端应用软件，用于客户端的安装。客户端通过访问主站的数据以实现对所有终端设备的管理和监控。

图4 照明节能系统平台整体架构

5 节能管理系统主要功能实现

5.1 查询分析功能实现

为了使学校能够最为直观、准确地了解各区域、各时间段和各表型的数据，实现表数据的多条件查询、多格式展示是数据查询分析的主要功能。根据查询所得的数据学校可以结合以往能源管理经验和能源使用的实际情况，制定相应的、具有针对性的节能管理策略。在本系统中，用户可以按时间（年、季、月）、区域（集中器、群组、组用户）、表型（水、电表）组合条件查询所需的能源表数据，最后还能够根据需求展示表格、折线、柱状图、饼图。以模拟数据中的家和东苑-东12#101用户为例，其电表在2017年6月的数据如图5、图6所示。

5.2 计费管理模块实现

（1）费率管理

费率管理有三种方式：普通费率、梯度费率、分时段费率。普通费率和梯度费率的管理与群组、组管理非常相似，故此处就不再介绍其实现方式。由于分时段费率是基于分时段管理来实现的，故要设置分时段费率，并需先添加分时段管理。

分时段的设置必须在归属于集中器下来实现，选择集中器后，添加时段数，然后设置时段的时间界限，其中时间段必须为递增的。如图7所示。

完成分时段设置后，点击分时段费率设置，选择集中器，界面就会显示该集中器下的分时段设置情况，然后为每个时段设置费率，即可完成分时段费率设置。如图8所示。

图5 抄表数据折线图

图6 抄表数据饼图

图7 分时段窗口

图8 分时段费率窗口

（2）结算管理

点击计费管理中的结算管理，可以实现对终端能源表的结算，通过查询条件查询出需要结算的设备，然后选择结算方式，对这些终端能源表的用量进行结算，以便收费使用。

5.3 用户管理模块实现

用户管理主要是有三个子模块：账户管理、权限管理和密码修改。

（1）账户管理

管理员可通过账户管理模块实现新增、修改和删除账户操作，对账户信息进行统一管理。可以通过主菜单栏中的高级操作，点击账户管理图标，即可进入账户管理页面。管理页面如图9所示。

图9 分时段费率窗口

（2）权限管理

此模块主要是由管理员对每个系统用户分配相应的权限，控制他们对系统的操作范围，防止用户误操作，保证信息安全性。单击账户管理页面上的“权限”按钮，打开权限设置，对权限进行选择设置。权限列表如图10所示。

图10 权限列表

（3）密码修改

每个用户在使用初始密码登录系统后，可以对用户密码进行重新设置，保证用户信息的安全性。

6 结语

本文主要研究基于电力载波技术在校园用电节能管理上的应用，对节能系统的整体软硬件架构、节能技术与方案以及功能结构进行了简单的介绍。依据浙工大校园的自身用电情况，设计并开发了基于PLCC的节能管理信息系统，通过科学的策略调配、能耗监测，从而实现了高校校园用电的节能管理和信息化管理。