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篇1

關(guān)鍵詞： 太陽能； 遠程監(jiān)控； 數(shù)據(jù)中心； 能耗計量

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0145?04

Development of remote monitoring and energy metrology

system for solar heating water project

HUANG Chun?tao， JIANG Zhou?shu， RUAN Zhi?peng， HUANG Guo?hui

（Automation College， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The development and characteristics of the solar heating water project are elaborated. The design scheme and realizing solution of the remote monitoring system of the solar heating water project were proposed. The energy conservation and emission reduction data were got depending on the design formulas about technological and economic indicators. GPRS/Ethernet transmitter module was equipped. The data center utility software based on .NET digital platform and Web issue platform with functions for data reception， display， analysis， query and so on. The application result indicates that the system is stable and easy to operate， and has high data reliability.

Keywords： solar energy； remote monitoring； data centre； energy metrology

0 引 言

太陽能作為一種可再生能源，分布廣泛，資源豐富，是理想的未來能源。廣泛利用太陽能是解決能源短缺、減少環(huán)境污染的有效途徑之一。近年來，太陽能行業(yè)在新能源行業(yè)內(nèi)發(fā)展迅速，其中太陽能熱水器總集熱面積逐年上漲，目前總利用面積高達1.5億平方米[1]。近些年家用太陽能市場趨于飽和，增速緩慢，而太陽能熱水工程集熱面積的年增長率逐年上升，越來越多的工廠、學校、醫(yī)院、酒店開始建設(shè)太陽能集熱工程。

但我國在工程太陽能熱利用上存在的問題卻是顯而易見的[2]，太陽能工程項目大多不配備計量與監(jiān)控系統(tǒng)，這使得太陽能系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)、運行參數(shù)、能源節(jié)約指標、環(huán)境效益指標等無法得到真實可靠的數(shù)據(jù)支持。因此開發(fā)一種針對太陽能熱水工程的遠程監(jiān)控與能耗計量系統(tǒng)具有較高的工程應(yīng)用價值，可以為優(yōu)化太陽能熱水系統(tǒng)控制、探索太陽能最大利用率等問題提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

太陽能熱水遠程監(jiān)控系統(tǒng)由分布在不同地區(qū)、不同氣候的現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心平臺構(gòu)成?，F(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)通過GPRS與數(shù)據(jù)中心平臺軟件進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對現(xiàn)場的遠程監(jiān)控，同時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過服務(wù)器以網(wǎng)頁的形式。

1.1 現(xiàn)場監(jiān)測計量系統(tǒng)

現(xiàn)場監(jiān)測計量系統(tǒng)（以總系統(tǒng)中某個單水箱?熱泵系統(tǒng)為例）主要由現(xiàn)場監(jiān)測儀表和數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成。

現(xiàn)場監(jiān)測計量儀表主要包括：環(huán)境溫度傳感器T4、集熱管道溫度傳感器T0、集熱器溫度傳感器T1、用戶側(cè)管道溫度傳感器T3、水箱溫度傳感器T2、熱能表、電能表、流量計、輻照表、風速儀、壓力計等構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集裝置采集現(xiàn)場工程運行狀態(tài)及相對應(yīng)的能耗數(shù)據(jù)信息，如氣象信息、太陽能集熱器運行狀態(tài)、輔助能源供熱設(shè)備運行狀態(tài)、集熱器入出口水溫、集熱器循環(huán)水流量、設(shè)備功耗、系統(tǒng)總功耗等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)中繼器接受采集器所采集的數(shù)據(jù)信息并將數(shù)據(jù)打包、加密，以標準網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸格式通過GPRS或以太網(wǎng)發(fā)送給遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

圖1 太陽能?熱泵系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文設(shè)計的太陽能熱水遠程監(jiān)控與能耗計量系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：第一層為現(xiàn)場設(shè)備層，該層由數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)中繼器、GPRS通信模塊及各種傳感器組成，控制器用于控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的正常工作，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集器對各個傳感器的輸出參數(shù)進行采集，并將采集結(jié)果輸出到通信模塊完成數(shù)據(jù)的上傳；第二層為數(shù)據(jù)處理層，在監(jiān)測中心服務(wù)端開發(fā)遠程數(shù)據(jù)通信與管理軟件，利用Socket通信技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測中心與工程現(xiàn)場之間基于TCP/IP的數(shù)據(jù)通信；第三層為門戶應(yīng)用層，采用技術(shù)開發(fā)了數(shù)據(jù)網(wǎng)站，該網(wǎng)站部署在監(jiān)測中心IIS服務(wù)器內(nèi)，通過瀏覽器訪問該網(wǎng)站，用戶可隨時隨地瀏覽工程數(shù)據(jù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計

根據(jù)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測中心軟件的總體設(shè)計，構(gòu)建了.Net平臺下3層架構(gòu)模式，分別為用戶界面表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。在WINDOWS操作系統(tǒng)下設(shè)計了一套基于面向?qū)ο笏枷?、以Microsoft SQL2005為數(shù)據(jù)庫，并引入NI、MSChart和Flash等繪圖控件，使用TCP/IP為基本通信協(xié)議的數(shù)據(jù)中心計量監(jiān)測軟件。

2.2 軟件功能

遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件包含9個功能模塊：系統(tǒng)配置模塊實現(xiàn)對各個監(jiān)測子項目的項目與采集點信息配置，界面顯示模塊實現(xiàn)對項目監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的多功能顯示，遠程網(wǎng)絡(luò)通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)場采集裝置GPRS/以太網(wǎng)連接，遠程設(shè)備控制模塊實現(xiàn)對各個工程項目中的采集裝置參數(shù)設(shè)置以及部分現(xiàn)場運行設(shè)備開關(guān)控制，故障報警模塊實現(xiàn)對工程項目現(xiàn)場設(shè)備非正常狀態(tài)信息的多方式通報提醒，數(shù)據(jù)查詢模塊實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的查詢以及報表打印，日志管理模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)自身的監(jiān)測管理，用戶管理模塊實現(xiàn)對操作人員權(quán)限的管理。具體功能框架圖如圖3所示。

圖3 遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)功能框架圖

2.3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.3.1 通信機制

數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)中繼器之間使用GPRS進行通信。GPRS無需通過外接線路接入網(wǎng)絡(luò)，只需在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域安裝GPRS接入裝置即可[3]。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有實時在線、傳輸速率高、傳輸時延小等特點[4]，很好地滿足了本文監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

在網(wǎng)絡(luò)傳輸層上，選擇面向連接傳輸穩(wěn)定的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。TCP的可靠機制允許設(shè)備處理丟失、延時、重復(fù)及讀錯的包，超時機制允許設(shè)備檢測丟失包并請求重發(fā)。此外，監(jiān)控數(shù)據(jù)中心異步開啟TCP監(jiān)聽后，可同時接受多個工程中繼器的連接請求，建立穩(wěn)定連接后進行數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.3.2 遠程設(shè)備控制

遠程設(shè)備控制操作使數(shù)據(jù)中心工作人員無需到現(xiàn)場即可對工程設(shè)備進行操作。

選用面向連接的TCP/IP作為通信協(xié)議，服務(wù)器可以使用Listen方法偵聽連接[5]。Accept方法處理任何傳入的連接請求，并返回可用于與遠程主機進行數(shù)據(jù)通信的Socket。基于套接字的TCP連接，理論上能夠自動偵測套接字是否斷開，但是如果遇到長時間無數(shù)據(jù)交互或者網(wǎng)線拔出等非正常情況下，系統(tǒng)可能無法偵測到套接字的斷開[6]，導致丟失客戶端上傳的數(shù)據(jù)。TCP異常情況如圖4所示。

圖4 TCP異常情況圖

針對以上問題，每次Socket收發(fā)數(shù)據(jù)時，服務(wù)端采用TCPClient.Client的Peek方法，試讀客戶端一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，Peek參數(shù)指定讀取的字節(jié)不會從數(shù)據(jù)緩存區(qū)中移除，如果能夠讀到此一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，表示Socket連接仍然完好；一旦沒有讀到此字節(jié)，表示Socket已處在非正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)主動斷開Socket，下位機進行重連。同時中繼器定時向數(shù)據(jù)中心發(fā)送心跳包監(jiān)測TCP連接是否正常，一旦發(fā)現(xiàn)服務(wù)端一段時間內(nèi)未收到心跳包，則認為中繼器連接斷開，重新請求連接。這樣的通信機制，使得中繼器與數(shù)據(jù)中心始終保持正常連接，為設(shè)備遠程控制提供保障[9]。

在網(wǎng)絡(luò)連接保證穩(wěn)定有效的基礎(chǔ)上，對中繼器發(fā)送控制指令，實時控制現(xiàn)場設(shè)備。控制過程中，中繼器將控制指令發(fā)送給控制器，控制器動作后，返回完成指令。如果指令返回時間在上位機延時等待的時間內(nèi)，則控制成功；未收到完成指令，上位機重發(fā)控制指令。中繼器上傳一幀最新的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以確認系統(tǒng)工作在最新的狀態(tài)。這樣的操作機制類似于TCP[10]三次握手，能夠保證控制的可靠性與實時性。

3 技術(shù)經(jīng)濟評價指標

太陽能集熱工程能源管理系統(tǒng)的經(jīng)濟評價指標主要有系統(tǒng)耗電量、太陽能熱水系統(tǒng)得熱量、常規(guī)能源替代量（噸標準煤）、二氧化碳減排量、二氧化硫減排量、太陽能集熱系統(tǒng)效率、太陽能保證率、熱泵能效比等。文章基于以上指標進行分析計算。

3.1 太陽能集熱量

在集熱的過程中涉及到的計量指標有太陽能輻射能以及太陽能集熱量。太陽能輻照能通過總輻射表并按公式（1）計算獲得，太陽能集熱量可以通過熱量表測量或者通過測量溫度和流量的方法并采用計算公式（2）獲得：

[Qs=GAcτ×10-3， G≥50 W/m2] （1）

[Qc=cfmf（t1-t2）τ3 600] （2）

式中：[Qs]表示太陽能輻射能，[Qc]表示太陽能集熱量，單位均為[kJ]；[G]代表太陽總輻照度，單位為[Wm2]；[Ac]表示熱水系統(tǒng)中的太陽集熱器的輪廓采光面積，單位為[m2；][τ]表示積分采集時間間隔，單位為s；[cf]表示工質(zhì)平均溫度的傳熱比熱容，單位為[J/（kg?℃）；][mf]表示傳熱工質(zhì)質(zhì)量流量，單位為[th]；[t1，t2]分別表示熱量測量高溫點水溫與低溫點水溫，單位為℃。

3.2 常規(guī)能源替代量分析

常規(guī)能源替代量反映的是整個系統(tǒng)用戶真正節(jié)能的部分。所謂真正節(jié)能是指通過集熱將熱量吸收并且最終被用戶利用的熱量。常規(guī)能源替代量的定義如下：

[Qbm=（Qsh-Qaux）W] （3）

式中：[Qbm]表示常規(guī)能源替代量，單位為噸/標準煤；[Qsh]表示太陽能熱水系統(tǒng)供熱量，單位為[GJ；][Qaux]表示輔助熱源供熱量；[W]表示太陽能熱水系統(tǒng)耗電量，單位為[kW?h；][W]取值為29.307[GJ/tec。]

一周常規(guī)能源替代量走勢圖見圖5。

圖5 常規(guī)能源替代量

3.3 二氧化碳減排量、二氧化硫減排量分析

二氧化碳減排量[QCO2]（單位為t/a），二氧化硫減排量[QSO2]（單位為t/a）[7]是重要的環(huán)境效益指標，可按式（4），式（5）計算：

[QCO2=2.47Qbm] （4）

[QSO2=0.02Qbm] （5）

式中：[Qbm]為常規(guī)能源替代量，單位為t/a；2.47為標準煤的二氧化碳排放因子；0.02為標準煤的二氧化硫排放因子[8]。

一周二氧化碳減排量見圖6。

通過實驗（集熱面積為39 [m2，]水箱大小為2 t，實驗月份為8月），可以得出如表1所示的一周太陽能能耗評價指標。

圖6 二氧化碳減排量

表1 以日為單位的技術(shù)經(jīng)濟指標

[日期＼&太陽能集

熱量/MJ＼&系統(tǒng)耗

電量/（kW?h）＼&常規(guī)能源替

代量/（kgce/t）＼&二氧化碳

減排量/kg＼&二氧化硫

減排量/kg＼&2013?08?06＼&136.5＼&0.6＼&7.2＼&17.8＼&0.144＼&2013?08?07＼&91.3＼&1.1＼&4.8＼&11.9＼&0.096＼&2013?08?08＼&219.7＼&1.2＼&11.5＼&28.4＼&0.23＼&2013?08?09＼&75.4＼&0.8＼&4＼&9.9＼&0.08＼&2013?08?10＼&80.6＼&1.0＼&4.3＼&10.6＼&0.086＼&2013?08?11＼&88.1＼&1.6＼&4.6＼&11.4＼&0.092＼&2013?08?12＼&171.6＼&1.1＼&15＼&37＼&0.3＼&]

4 結(jié) 論

本文研制的太陽能熱水遠程監(jiān)控與能量計量系統(tǒng)通過TCP網(wǎng)絡(luò)編程，以穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸、集中的數(shù)據(jù)監(jiān)測、便于查看的B/S架構(gòu)，有效解決了熱水工程地域分布廣、管理難度大等問題，為太陽能企業(yè)優(yōu)化系統(tǒng)效率、深化認識提供了有效的數(shù)據(jù)支持，也為節(jié)能減排提供了可靠依據(jù)。

參考文獻

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