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附录A 译文
基于物联网的建筑设备智能电力监控技术
Lei Yu1,2*,Babar Nazir2*,Yinling Wang1
1.黄淮大学河南省新能源转化与控制技术工程实验室
2.伊斯兰堡通信大学计算机科学系；巴基斯坦阿伯塔巴德22060通讯作者：雷宇(邮箱：yulei@huanghuai.edu.cn)以及Babar Nazir（电子邮件：babarnazir@cuiatd.edu.pk邮箱)
摘要：随着智能建筑的发展，系统集成困难、可扩展性差、跨系统协调操作困难等问题日益突出，物联网技术为解决这些问题提供了新思路。本文提出基于物联网的智能建筑体系结构，室内数据的聚合电气物联网与公共设施集成系统形成建筑大数据，并提供多种数据分析，为建筑运维管理提供决策算法。本文对监测对象的确定、监测对象的选择进行了分析，探讨智能电力监控系统中监控点的设置。通过搭建实验平台，进行系统功能调试，经过多次实验，基于本文设计的智能监控系统达到了预期的目标，系统已通过实验实现了对电源参数的采集，并与实际数据比较精度，可以满足监控系统的要求，当电源出现异常时能及时切断电源，有效地保护系统的安全。
关键词：物联网技术; 智能建筑; 电力监控; 室内电气物联网
介绍
在物联网时代，各种传感器有无线和有线的通信方法[1]、互联网等新技术的出现注入丰富的感知能力和计算服务能力到智能建筑[2]。城市可持续发展目标的提出促进了城市发展智能化的新变化。随着计算机技术和网络的飞速发展，以及人们对舒适生活的要求不断提高，工作环境、建筑智能化技术发展迅速，此时提供舒适高效综合服务的系统称为智能建筑[3]。传统的开关电源是定制和集中的，他们的功率是根据负载而定的，每次装载根据自身的功率匹配电源，不利于批量电源的组织管理[4,5]，一旦中央集权供电故障，整个供电系统故障。物联网技术解决弊端从底层设备端开始，基于物联网就变得容易多了。因此，智能建筑系统集成后，整体结构将发生变化，出现基于物联网的智能建筑体系结构是必然趋势。
在电力系统中，电源监控技术集电力电子、计算机、控制和通信技术于一体[6]。传统的逆变电源大多采用模拟控制技术，电路复杂、输出性能差[7]，一旦系统出现故障，必须在现场解决。因此，现场必须配备大量的技术人员，但是人员不足、维修方法落后，系统无法及时处理各种系统故障，降低了整个监控的可靠性系统操作。近年来，随着大规模集成电路和数字信号的发展，处理器技术也发展起来，人们推动全数字化、智能化和逆变电源系统可靠性及监测技术[8,9]的发展。供电的本质是对每个供电设备实时监控，改变了过去手工维护，实现少或无人值守，并使用快速准确的数据全面反映系统运行状况。目前，已经有许多研究和国内外文献与“智能电网”相关，但“智能电力”的概念却鲜见提及[10-12]，只有少数文献偶尔提到物联网智能的概念[13,14]。相关学者提到的物联网智能电源概念指利用GPRS数字移动技术将电源管理系统与智能电源建立远程电源监控系统，远程监控和管理保证智能电源的可靠性和稳定性[15,16]。研究者们研究了基于总线的模块化电源并联数字控制方法[17]，采用离散建模和数模混合仿真的方法，分析了模块供电并联系统的数字控制方法，提出了一套完整的数字控制策略，这种做法合理实现了控制策略，完成了模块电源控制系统的设计，实现了模块电源的控制，验证了系统的良好性能。通过处理和分析数据或无人值守供电系统，再运用科学的操作程序，充分利用技术数据量，可以对系统的工作质量作出准确的评价。相关学者提出了一种特殊的均流母线自由控制方案[18]，在这种均流方案中，没有交错线路的自动交错运行，每个并联模块的功率是完全独立的，他们之间没有连接线。针对模块电源并联时输出电流不均的现象，相关学者设计了一种利用电流对各模块电源进行均流控制的方法共享线[19,20]，采用这种方法的模块电源是一个三回路控制系统、应用物联网技术、全面感知建筑[21,22]。通过异构网络融合、信息聚合、决策诊断、在线控制、大数据分析等手段，从底层设备到统一的服务管理系统形成上层应用程序，实现了节能的全面优化管理、舒适、安全、健康和其他目标。
针对传统智能建筑体系结构存在的问题及物联网技术在智能建筑中的应用，本文对传统的物联网系统架构进行了改进，提出了一种基于物联网的建筑智能控制体系结构实现对各种物理参数的全面感知。架构包括两个部分，室内电气物联网系统和公共设施集成系统，以及两部分都有详细的解释。本文实现了上位机与上位机之间的参数传输，下位机通过无线网络实时监控电源设备操作，功率调节的输出值可以通过网络进行远程控制。基于网络的大功率直流电源设计方案完成后，通过监测，搭建了实验平台，验证了方案的可行性。经过多次实验证明，本文所设计的基于智能监控的直流电源装置实现了设计目标。
本文的其余部分安排如下。第二章分析了基于物联网的智能建筑体系。第三章中，论述了建筑设备智能电源。第四章是实验结果分析。最后，第五章总结全文。
基于物联网的智能建筑体系结构
2.1 基于物联网技术的智能建筑系统架构
在基于物联网的智能建筑中实现了建筑中各种物理参数的感知，它采用面向服务的概念并接受访问第三方系统或平台以及数据或应用程序访问。同时，它认为物联网技术、响应功能需求和新型智能建筑网络结构具有适应建筑使用包括三层如图1所示。
图1 智能建筑组网结构示意图
（1） 传感层：通过各种传感器识别建筑电气设备的信息，是底层的执行器和智能设备。各智能子系统的执行器和传感器也是智能大厦的接口。
（2） 网络层：通过传感器网络和现有网络的混合结构系统采用统一的通信协议实现数据的进一步处理和传输。互联网物联网层的物联网节点是一个具有数据转发功能的“内在智能”网关，各区域感知层的传感器通过物联网节点直接接入互联网与云服务器互联。
（3） 应用层：除了部署web应用程序、数据库、web服务组件等之外，还有大数据分析平台。大数据分析平台聚合互联网数据涉及的建筑物节点及智能子系统、专家知识、第三方平台，分析、预测所需的信息，并提供各种先进的应用工具，适用于建筑物的数据挖掘和机器学习，为高级服务的算法和模型统计分析，专家诊断等应用程序打包。服务接口是按照统一标准提供，帮助用户实现多维度建筑节能。
与基于传统智能单功能的垂直管道结构相比，这种新的体系结构具有自组织性、可扩展性和可重构性，实现了互联互通、无缝接入、分布式监控等功能。除了智能空调控制系统等公共电气设备的监控与管理照明控制系统，给排水控制系统也可以实施管理，以及控制私人区域的电气设备，如办公室和住宅。同时，物联网节点不占用太多空间，资源方面不需要专门的空间布局，且易于推广。智能建筑子系统集平台与物联网建筑云遵循统一的通信协议实现数据透明，将数据流统一到云平台，并按照约定的存储标准进行存储，从根本上解决了传统智能建筑的信息仓库。
2.2 室内电气物联网系统
室内电气物联网系统以小区为单元实现管理，对该地区设备、人员和环境进行控制，它集远程测控、环境意识和人员信息检测、设备管理和优化控制，以及能源管理于一体。室内电气物联网系统采用广域网运维模式，将一定区域内的电气设备连接到物联网系统，实现设备状态与信息的交互，形成大量数据，这将有助于今后的建筑节能研究。室内电气设备物联网系统支持设备的自组织网络功能，实现设备的即插即用，提供设备测控模块和物联网节点，支持动态添加、设备到网络和自动发现服务。室内电气网络的体系结构系统如图2所示。
室内电气设备物联网系统包括物联网节点，各种智能测量和控制模块（智能开关、智能插座、各种环境模块、红外转发模块等）、云服务器和应用程序。
物联网节点连接云服务器，通过以太网或WiFi，并利用无线网络管理下的智能测控模块进行通信。物联网节点是室内电气物联网系统的核心设备，完成控制指令和状态数据的双向首次发布、规则配置和存储，以及设备的自组织管理。
智能测控模块实时采集信息并发送该设备到物联网节点，即可实现室内照明控制、开关控制、环境报警、远程视频对讲、视频监控、红外设备控制等功能。
室内电气物联网云平台部署数据库、服务组件、web访问应用程序等，并提供远程监控、数据分析、场景设置、设备管理、用户管理数据、应用服务和人机交互软件支持。用户可以通过APP或web使用相关的应用功能，并可以远程监控状态、控制区域内设备、环境和人员的信息，并控制权限内设备，使用场景设置功能划分服务区域、设置背景、区域内的设备位置等。通过设备管理功能，可以看到详细信息，支持设备信息检索、故障诊断等功能。用户可以通过用户管理修改用户身份信息、权限信息等。通过数据分析，用户可以查看设备的历史数据，使用大数据分析功能实现相关节能分析、故障诊断等功能。
图2 室内电气物联网系统架构示意图
建筑智能电源监测对象及监测点的确定设备
3.1 监测对象的确定
智能电源是通信网络的智能电源，智能电网是最重要的，是智能电力监控系统实现监控的重要内容。为了保证通讯设备，机房内灰尘和温湿度条件非常很重要，从这个意义上讲，通信空调设备和电力设备一样重要，而且必须加强维护和管理。因此，在监控系统的建设中，通信空调设备也应作为监测对象之一。
通信站一般由大院、机房等组成辅助基础设施，机房也包括程控机房、传输机房、数据机房、测量室、动力室、蓄电池室、低压配电室，为了实现这些房间的无人值守或无人值守操作，必须有可靠的运行设备和可靠的远程集中监控管理。各种通信设备通常都建立了专业的集中监控、管理、交换、传输和接入网络设备的网络管理系统，电力设备和空调设备必须通过智能电力监控系统进行远程集中监控和管理。
通信机房的总配线架通常是维护的薄弱环节，许多火灾是由输电功率引起的。头柜和尾柜作为整个传输设备，电源中断将导致传输中断。沟通电缆充气机保护地下电缆，但如果要建立一个大规模的监测网络，对于每种类型的设备单独使用，无疑是不划算的。这些设备进入智能电力监控系统，并利用监控系统平台进行多专业辅助监控，是一个很好的解决方案。
除了监控设备，机房的环境条件也是非常重要监测内容，包括温度、湿度、浸水等。监控系统也要自我监控，监控系统的功能和提高系统本身的可靠性，这是实现自我管理和自我诊断的必要保证。监视对象监测系统应包括在表1中。
表1 监测对象
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类别 |
监测对象 |
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动力设备 |
（1） 高压配电设备：进线柜、出线柜、母线柜、直流操作电源柜、变压器； （2） 低压配电设备：进线柜、主电源配电柜、补偿柜、电压调节器和公用电油转换柜； （3） 完善的整流配电设备：交流屏，整流器开关电源，直接当前屏幕，电池组 |
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空调设备 |
专用空调、分体空调、中央空调 |
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辅助监测 |
传输电源柜，通信电缆充气机 |
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监视系统 |
监控系统软件、硬件、通信线路 |
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安全管理 |
智能门禁系统，门磁开关、防盗、图像监控 |
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火警 |
火警探测器，建筑消防系统，智能烟雾探测系统，灭火装置 |
从表1可以看出，监控系统实际上已经发展成为一个综合性的基础以智能电源为主，有专业的环境、安全、交换、传输、测量和管道等辅助监控功能。“综合”是指各种专业内容的综合，“基本”是指监测对象是通信网络的基本保障。这个表中所列监测对象不是最终结果，可根据实际情况增减进步。
3.2 监测点的选择
从应用的角度来看，监控系统的功能可以简单地分为监控功能、交互功能、管理功能、智能分析功能、辅助功能功能。管理功能包括数据管理功能、报警管理功能、配置管理功能、安全管理功能、自我管理功能和文件管理功能，如图3所示。
图3 监控系统的功能结构
合理选择监测点对建立经济实用的监控系统，从监测系统的基本目的出发，结合需要电源维护及监控系统实施经验的选择，监测点应遵循以下原则。
第一，在选择监测点时，要坚持需要监测点的原则，并尽可能简化系统。因为太多的监控点会增加系统成本和复杂度，降低可靠性，增加软件开销，影响系统的实时性能，对监控界面的监控量过大也可能带来不必要的维护故障。
第二，监测点应以遥测和遥信为基础，辅以遥控，遥控调节，遥控成像。对于电力系统，遥测和远程信号是监控系统的“眼睛”，遥控器和遥控器的“手”。正常情况下，操作电源系统应稳定可靠，不需要来自外面的世界。对于这样一个系统，监测系统应该“多观察，少动手”。作为辅助的数据监控手段，图像监控可以实时直观的查看现场情况、设备和环境，但成本高，占用网络资源，除非是必要时，一般尽量减少图像监控点的部署。
第三，选择监测点要从实际出发，同一监测点是指相同的物理量，不同的含义，在不同设备或同一设备的不同部位，要确定重点，根据实际需要进行选择。例如，温度和湿度对于以电子设备为主的通信设备室非常重要，并且需要监控，但对高低压配电室
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