封杰
北京中网华通设计咨询有限公司
摘要：本文分析了目前智能楼宇和智慧园区中的电能监测方法和节能手段，针对目前楼宇智能化改造必须停电破线的缺点，提出了一种基于微波和工业蓝牙5.0的无线节能方式和一种基于工业蓝牙5.0和非接触式高精度电量传感器的低成本低功耗简易电量监测方法。
一、3060碳中和计划和楼宇节能
2021年习近平主席在联合国气候峰会上宣布了中国的3060战略规划：到2030年碳排放达峰、2060年碳排放达中和。而国家十四五规划中进一步明确单位GDP能耗和CO2排放分别降低13.5%和18%，能耗每年降低3-5%；全面带动一二三产业和基础设施绿色升级。
在碳中和计划中，清洁能源对3060计划的贡献率在30%，节能的贡献率在70%。为持续推进工业节能和能效提升，国家各部委先后出台指导文件，率先从国家政府机关和央企国企开始，分配严格的碳排放和节能指标。
重点能耗单位主要包括煤炭、钢铁、矿山、电力、化工等重工业行业，以及新兴产业中的5G新基建、IDC数据中心、高新产业科技园区等。
二、目前楼宇节能的方法及弊端
从2006-2019年的三个五年计划中，国家单位GDP能耗下降了42.5%，以能源消费年均4.6%的增速支撑了国民经济年均8.8%增速。通过节能降耗，相当于减少二氧化碳排放45.8亿t，烟尘和工业粉尘排放906万t，但目前的节能方案存在以下问题：
?企业普遍采用有线方式进行改造，需要断电和破线，建设成本高；
?配电线路出现故障后，有线方式的检测成本高，且电力维护人员的人力成本也较高；
?由于缺乏有效的物联网手段，用电安全缺乏监控，导致电气火灾频发；
?高能耗企业往往是高污染和高危险企业，需安监和环保监测设备是否在线使用及是否造假；
?园区用电按面积分摊，无法精准计量，公共区域和会议室由于无人管理导致能耗浪费
而目前节能的智能化改造手段主要是采取智能电表、智能断路器、互感线圈等方法，感知距离有限且成本较高；先进的AI摄像头虽可精确感知但因涉及个人隐私和安全已逐渐被叫停。
1）智能电表改造方案
这是目前电力部门的主流改造方案：在企业车间或楼宇房间/楼层的配电箱内串接智能电表，读取该车间/楼层/房间的用电数据。优点是智能电表的测量精度高，有国家计量许可。但缺点有两个：第一是改造时必须破线，导致用户需停掉电，对不间断生产型企业损失很大；第二是智能电表成本较高，单相智能电表一般近200元/只，三相智能电表约500-600元/只。
2）智能断路器改造方案
这种方案是近年来的一种新兴改造模式，其优点是智能断路器不仅内嵌高精度ADC电量监测芯片实现电量检测，同时还可以通过云平台+物联网方式进行远程关断开合，实现了远程监控和运维，降低了人力维护成本，还可以兼顾电路消防监测功能。缺点和智能电表一样，需要破线停掉电、影响企业正常生产，而且成本较高，1拖4或者1拖8的断路器价格在1千元左右。
3）互感线圈方案
互感线圈是采用霍尔效应通过监测电缆旁边的电磁场变化来监测电流和功耗。这种方案的优点是无须破线停电，采用卡接方式改造方便。缺点是测量精度较低，无法达到智能电表的千分之二到千分之五的测量精度（如果能达到同样精度的，则价格非常高），同时，因为线圈体积大，在配电箱内部空间有限时，安装位置有很大影响。
三、物联网节能传感器创新方案
针对以上常见的能耗监测手段的缺点，本文提出两项微创新解决方案。
1、一种基于工业蓝牙5.0和非接触式电量测量的精细化能耗监测传感器
该传感器采用一颗基于电磁场转换为差分电流方式的电流监测芯片，同时内嵌功耗算法，采用将传感器非接触式卡接在电缆上的方式，精确读取电流参数并进一步折算为功耗，并采用工业蓝牙5.0无线方式，和能源网关连接上传到平台，从而避免了破线停电，实现了高精度能耗电量监测，该传感器参数如表1所示，完全可以替代智能电表，由于电量芯片和蓝牙芯片都属于低功耗芯片，因此可采用电池供电。
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2、一种基于工业蓝牙5.0和微波的节能传感器
该传感器采用无源多普勒微波方式（见图1），检测区域内的活动物体（人流量），并将感知结果通过工业蓝牙5.0无线方式，和能源网关连接上传到平台。通过感知区域内人流量、配合能源网关实现远程开关电。其波形图如图2所示，检测范围可达半径10M检测区域，且由于采用微波无线感知、蓝牙无线传输，因此大大减去了布线成本。
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四、两种创新传感器的应用前景
融合以上两种创新型节能传感器应用的组网图如图3所示：
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在办公室或者公共区域房顶或壁挂式部署微波人流量感知传感器，监控区域内活动人流量，在下班和休息期间，可在平台设定关灯、关空调等节能策略，由节能传感器和能源网关配合实现远程关断（能源传感器需要和智能断路器或空调控制器配合、或者直接接入配电箱控制断路器的方式进行关断）。
将非接触式高精度电量传感器卡接在配电箱的任何一个监控回路上（能耗监测），或者办公室任何一路功耗较大的供电线缆上（电路消防），实现针对某一房间、某一路供电电缆、某个用电设备的精细化监测。
该产品具有低功耗低成本、全无线非接触的优点，节省了布线成本、避免了破线停电，微小创新可用于多个市场领域，具有广阔的市场前景，方案可以应用于智能楼宇和智慧园区的分区（分企业）的精细化能耗管理和节能管理，校园按宿舍、酒店公寓、商户的精细化能耗管理和节能管理，运营商5G基站和IDC数据中心精细化能耗管理和节能管理和新能源光伏、新能源汽车动力电池和充电桩等的精细化能耗管理。
参考文献:
1、国务院2021《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》
2、发改委2019《重点能耗单位监测建设方案》
3、科技部2021《智慧园区绿色建设实施方案》