行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
※ ※
※
大樓電力系統自動監控與能源管理之智慧型網路
※
※
※
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
計畫類別：□個別型計畫
□整合型計畫
計畫編號：NSC90－2212－E－002－219
執行期間：90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日
計畫主持人：陳希立 台灣大學 機械工程學研究所教授
計劃參與人員：黃孝怡 台灣大學 機械工程學研究所博士班研究生
計劃參與人員：王宏傑 台灣大學 機械工程學研究所碩士班研究生
計劃參與人員：王俊仁 台灣大學 機械工程學研究所碩士班研究生
執行單位：國立台灣大學 機械工程學系暨研究所
中
華
民
國 91 年 10 月 15 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
大樓電力系統自動監控與能源管理之智慧型網路
計劃編號：NSC90-2212-E-002-219 執行期限：90 年 8 月 1 日~91 年 7 月 31 日 主持人：陳希立 台灣大學 機械工程學研究所教授 計劃參與人員：黃孝怡 台灣大學 機械工程學研究所博士班研究生 計劃參與人員：王宏傑 台灣大學 機械工程學研究所碩士班研究生 計劃參與人員：王俊仁 台灣大學 機械工程學研究所碩士班研究生一.
中文內容摘要
本研究利用 BACnet 通訊協定發 展一套智慧型能源管理網路。智慧型 能源管理網路包括 ACMC 層、BCMS 層和 BACnet 設備層，它們構成了一套 資料處理分析決策與能源管理的智慧 型網路服務架構。特徵包括：分散式 的智慧型管理、資料處理與資料分析 能力、階層式的系統架構及具有整合 與擴充的能力。在未來智慧型能源管 理網路的發展中，可以分為平台技術 和應用服務兩方面來研究。就平台技 術而言，智慧型能源管理網路可以使 用更有效率的平台工具，例如使用 XML，來整合不同層間的資料。就應 用服務來說，智慧型能源管理網路可 以採用資料庫技術來發展完整有效的 商用服務，讓智慧型能源管理網路更 自動化。ABSTRACT
The paper develops an Intelligent Energy Management Network (IEMN) by using BACnet protocol. IEMN consists of ACMC layer, BCMS layer, and BACnet facility layer, which characterize the intelligent network
service architecture for analyzing the decision of the data process and the energy management. It comprises several features such as: distributed intelligent management, ability of data processing and data analysis, hierarchy system, and capability of integration and expansion. In the future development of IEMN, it can be divided into platforms technology and application service. For platform technology, IEMN can use more efficient platform tool, such as XML, to integrate different layer’s data. In the case of application service, IEMN can adapt the development of database technology to provide complete and efficient business services, which make the network more automation.
二.計劃緣由與目的
依據美國 ERRI 報告中所示，需 求面資源管理的意義為「電業有計 畫地從事影響用戶用電時間與數量 的一系列活動」，由此可知需求面資 源管理係為促進社會資源合理有效 使用，所推行協助輔導用戶於適當 時間以正確方法使用電能的一系列措施。需求面資源管理包括負載管 理（Load Management LM）與需求 面管理（Demand-Side Management DSM）。負載管理的主要目的為降低 尖峰負載，負載控制則包括直接負 載控制、分散式負載控制、獨立式 負載控制。需求面管理的目的為能 源效率計畫與用戶服務計畫。主要 包括高效率的空調、照明系統的設 計與使用，因此針對建築物的空調 用電進行有效而且即時的負載管 理，是降低尖峰負載，舒緩供電壓 力最有效的方法。 為了進行智能化的管理與決 策，本文將利用資料庫技術，包括 資料倉儲﹙Data Warehousing﹚與 決策支援系統﹙Decision Support System﹚發展一個適用於建築物空 調系統的電力需求面資源管理系 統。系統的實體架構為依照 ASHRAE 所發展推廣之 BACnet 作為依據並 配合 DDC 架構完成的智慧型控制網 路，可以自動偵測大樓空調電力設 備並且採取適當節能策略。智慧型 分散式網路具有以下的特點：分散 式的智慧型處理、具有資料處理分 析能力、階層式系統、具有整合與 擴充能力。能源管理決策支援系統 是一個智慧型的能源服務架構，利 用資料庫的分析技術來進行即時的 決策與分析，可達到決策自動化和 遠端監控管理的目的。
三.結果與討論
本研究所提的「智慧型能源管理 網路（IEMN）」，除了使用 BACnet 通訊 協定來整合各空調設備廠商的不同產 品外，並利用遠端連結單元（RCU）將 所有空調主機操作資料傳送到建築物 監控伺服器（BCMS）上作即時監視與 基本控制處理，並將資料存入該伺服 器內的資料庫內，這部分目前各廠商 都已發展成熟，也就前面章節常提到 的線上交易處理系統（OLTP）。此外， 將建築物監控伺服器上的操作整理資 料傳送到區域控管伺服器（ACMC），以 資料轉換服務轉入該伺服器內的資料 倉儲決策支援系統，並結合動態網頁 存取技術提供使用者遠端查詢分析資 訊，以增取時效迅速作出反應。 我們將資料倉儲建在區域管理中 心（ACMC）上。區域內所有建築物監 控伺服器將整理好的建築物層級資料 定期透過區域網路利用檔案傳輸協定 快速傳送到該區域內的區域控管伺服 器。在區域控管伺服器上，利用資料 轉換服務（DTS）將各種來自不同建築 物、不同資料格式的檔案匯入到資料 倉儲內。資料倉儲除了這種操作性資 料外，尚有設定性資料，以及負責管 理與分析工作的應用程式，能及時提 供可用的資訊，使分析人員可以取得 所需的正確統計資訊，作為其管理決 策的參考依據。 在區域控管伺服器上除了資料倉 儲系統外，為了讓決策者更方便存取 分析資訊，因此建置了 Web Server， 並利用 ASP 撰寫動態網頁程式結合 ADO 技術連結資料庫與利用 SQL 查詢資料 庫資料，讓使用者可以更方便的在任 何有網際網路的地方存取分析資訊並 可讓使用者就地列印成報表，其方便 性不可言喻。 本研究的內容是希望能對現行各 廠商的空調設備監控系統作太多改變 而作的研究。目前各廠商幾乎都已完成本研究所述的 BCMS 監控伺服器的大 部分功能，即線上資訊處理系統的部 分，但在能源管理資料倉儲與決策支 援系統的建置方面並沒有任何實際應 用。而這部分正是本研究的研究目 標，並希望能與現行各廠商的線上交 易處理系統整合成一套智慧型能源管 理網路，對節能作出貢獻。 在本研究中達成的目標如下所述： ◎區域控管伺服器上能源管理資料庫 的建置： 包括以來自線上交易處理系統的 操作性資料、各設備的設定性資料與 其他管理者設定性資料共同構成一個 能源管理資料庫。其中空調設備的操 作性資料利用資料轉換服務轉入操作 資料表中，如主機操作資料表；其他 設定性資料都參考操作性資料表與實 際查詢需要而於設計該資料表時，直 接輸入該設定性資料，如管理者資料 表、建築物資料表、主機資料表等。 ◎建立能源管理決策方案 能源管理資料倉儲除了資料庫的 資料外，尚包括處理和分析工作的應 用程式。透過能源管理資料倉儲的建 立，建立了一套知識發現（Knowledge Discovery in Data KDD）的過程， 讓原本細小繁雜的操作資料變成可用 的資訊，甚至建立了節能的決策方 案，提供上層決策者作節能策略的建 議。在知識發現過程，資料的演進層 次越來越高，重要性和價值也越來越 高，但資料量卻越來越少。將電力資 料分層設計的方式，讓不同階級的使 用者可利用不同性質的電力資料或資 訊作分工，使得電力資訊的使用更具 效益。 除了資料倉儲系統之外，本研究依 據理論與實際數據預先建置了模式庫 管理系統，模式庫管理系統內的資料 表都是經過事先預算合併過的資料 表，資料來源有各主機性能表、能源 管理資料倉儲內的資料表等，並配合 理論依據與專業知識所完成的。這套 系統的功能包括主機性能調控評估、 預測評估、故障診斷評估等。而事先 建立的這些預算表，可讓查詢更加快 速，節省不少運算時的等待時間。 資料倉儲系統及模式庫管理系統 並與 Web-Based ASP 使用者介面程式 結合，成為一整套能源管理決策資源 系統。 ◎開發 Web-Based 使用者存取介面： 以 VBScript 語言撰寫 ASP 動態網 頁，透過 ADO 技術以 ODBC 驅動程式與 OLE-DB 提供者連結到各種資料貯藏裝 置，並以 SQL 語言查詢資料庫資料， 再以 HTML 語法列表，讓使用者可透過 網頁即時查詢資料庫內的資料。 ◎將線上交易處理系統結合能源管理 資料倉儲、決策支援系統，與 Web-Based 使用者介面，構成一整套智 慧型能源管理網路。使用者可以在任 何有網際網路的地方存取相關電力資 訊，並直接列印成報表，節省公文往 來程序，進一步提昇公司的競爭力。
四.計畫成果自評
本計畫之研究成果已達目標雛形，未 來目標可以朝實作方向發展。五.參考文獻
[1]陳文龍，黃佳文 “需求面管理與 整體資源規劃研究”臺電工程 月刊,第 609 期,1999Automation In The 21st Century,” 4 th International Conference on Advances in Power System Control, Operation, and Management APSCOM97, 1997, pp.819-824
[3]T.Derek.J.Clements-Croome,”What do we mean by Intelligent Buildings,” Automation in Construction,
Vol.6,1997,pp.395-400 [4]G.Clark,P.Mehta,”Artifical
Intelligence and Networking in integrated Building Management Systems,” Automation in Construction, Vol.6,1997,pp.481-498 圖 1 資料倉儲邏輯架構圖 :Node Intranet Internet R R N R R N Intranet Internet N R
B :BACnet/IP Broadcast Management Device (BBMD) : internet Router CMC: Control and Management Center
CMS: Control and Management Station BACnet: Building Automation and Control Network
N Internet Power Company CMC BACnet N Device A1 System A Power Meter N N N B R N System X Device An Device X1 Device Xn Building CMS BCMS Server BACnet 1 Device A1 System A Power Meter N N B N R N Building CMS BCMS Server System X Device An Device X1 Device Xn Area CMC
ACMC Server PCCMC Server
: CMS Database : CMC Database : Terminate
Web Browser
圖 2 網路架構圖
圖 3 Distributed Internet-Based HVAC Control System 架構
圖 4 各資料表關聯性
圖 6 歷史資料查詢結果網頁 圖 7 日負載預測畫面 圖 8 由主機運轉比例計算總負載 圖 9 滿足空調負載的各種主機運轉比 例方案 圖 10 故障診斷評估模式畫面
