在(zai)(zai)全球推進碳(tan)中和的(de)(de)(de)大(da)背景下，如何通過(guo)智(zhi)能(neng)用(yong)能(neng)平(ping)臺(tai)提升建筑節能(neng)成為關鍵課題(ti)。本篇(pian)(pian)文章展示(shi)了(le)焦耳科技(ji)利用(yong) TDengine Cloud 在(zai)(zai)樓宇(yu)能(neng)源管理中的(de)(de)(de)應用(yong)實踐。通過(guo)對電能(neng)表(biao)等(deng)設(she)備(bei)數據的(de)(de)(de)實時(shi)采集與分析，平(ping)臺(tai)實現了(le)分時(shi)電價、用(yong)能(neng)優(you)化等(deng)功能(neng)，幫助(zhu)用(yong)戶(hu)有(you)效(xiao)控制用(yong)電成本。這篇(pian)(pian)榮獲“2024，我想和 TDengine 談(tan)談(tan)”征文活動二等(deng)獎的(de)(de)(de)案(an)例，不(bu)僅(jin)分享了(le)技(ji)術選型(xing)與應用(yong)心得(de)，也為智(zhi)慧能(neng)源領(ling)域(yu)提供了(le)寶貴的(de)(de)(de)實戰(zhan)經(jing)驗(yan)。
據統(tong)計(ji)，中國(guo)的(de)建筑(zhu)運行(xing)耗能(neng)(neng)(neng)(neng)占社(she)會(hui)(hui)總用能(neng)(neng)(neng)(neng) 20% 左右[1]。因(yin)此，建筑(zhu)節(jie)能(neng)(neng)(neng)(neng)是實現碳中和(he)與碳達峰目標(biao)的(de)關(guan)鍵手段，同時也是推動建筑(zhu)行(xing)業及(ji)社(she)會(hui)(hui)向更可持續、環保和(he)健(jian)康發(fa)展的(de)重要(yao)舉措(cuo)。為此，我司焦耳(er)科技(ji)研發(fa)了樓宇智慧(hui)用能(neng)(neng)(neng)(neng)平(ping)臺(tai)，該平(ping)臺(tai)能(neng)(neng)(neng)(neng)夠進行(xing)建筑(zhu)能(neng)(neng)(neng)(neng)源的(de)分類(lei)、分項、分區(qu)計(ji)量(liang)及(ji)實時采集，提供(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)耗統(tong)計(ji)、動態監測、設備(bei)管理和(he)高(gao)負(fu)荷預警(jing)等(deng)功能(neng)(neng)(neng)(neng)，并具備(bei)在線(xian)統(tong)計(ji)和(he)分析能(neng)(neng)(neng)(neng)耗及(ji)碳排放(fang)的(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)力。
業務架構
樓(lou)宇智(zhi)慧用能(neng)(neng)平臺(tai)主要由(you)以下模塊(kuai)組成：能(neng)(neng)耗(hao)監測、環境感(gan)知、冷熱(re)源系統參數采集、末(mo)端空調、樓(lou)宇照明優化、用能(neng)(neng)優化和需(xu)求(qiu)響應模塊(kuai)。
平(ping)臺采用典(dian)型的物聯網(wang)架構，現(xian)場設備涵(han)蓋電能表、水表、天(tian)然氣表、熱(re)量表、環(huan)境監(jian)測(ce)(ce)儀、冷熱(re)源(yuan)控制(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)、照明控制(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)、變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)監(jian)測(ce)(ce)裝置等(deng)。現(xian)場數(shu)據(ju)通過 MODBUS 和 OPC 協(xie)議傳(chuan)輸(shu)至本地網(wang)關，經過初步處理后，利(li)用 MQTT 協(xie)議上傳(chuan)至云端。云端服(fu)務(wu)器(qi)(qi)(qi)(qi)負(fu)責數(shu)據(ju)采集和處理，并將數(shu)據(ju)存儲在 TDengine Cloud 數(shu)據(ju)庫（//cloud.yakult-sh.com.cn/）。應(ying)用服(fu)務(wu)器(qi)(qi)(qi)(qi)從數(shu)據(ju)庫中讀取數(shu)據(ju)進行分(fen)析、計算(suan)和可(ke)視(shi)化展示，同時(shi)下發現(xian)場控制(zhi)指令，實現(xian)閉環(huan)管(guan)理。
系統架構如下圖所示：
技術選型
平臺數據(ju)庫的使用經歷了三個階(jie)段：初期采用 MySQL，隨后過渡(du)到 MongoDB，中途測(ce)試了 TDengine 開源版(ban)，最終選擇了 TDengine 云服務(wu)版(ban)（TDengine Cloud）。具體使用情況如下圖所示：
我們之所以選擇 TDengine Cloud，原因(yin)很簡單(dan)：一(yi)是為(wei)了解放數(shu)據庫學習和運(yun)維上(shang)的(de)人力和時(shi)間成本，二是追求業務(wu)的(de)高穩定性。TDengine Cloud 基于(yu)企業版軟件，由官方統一(yi)維護，并提(ti)供明確的(de) SLA 保證。這意味(wei)著，我們幾(ji)乎(hu)只(zhi)需專注于(yu) SQL 查詢(xun)，無需再為(wei)數(shu)據庫的(de)安裝(zhuang)、部(bu)署、備份、升級、配(pei)置、調優等瑣碎事務(wu)耗費精力。這樣一(yi)來，開發(fa)團隊得以專注核心業務(wu)，項目也得以在短時(shi)間內順利上(shang)線。
使用實踐
數據建模
目前，我們的項目已正式接入了 3 座樓宇，并在數據庫中創建了一個庫 smartb，包括 12 個超級表和 420 個子表。下一步計劃逐步接入或遷移 82 座樓宇的數據。由于建筑節能的核心是節電，本篇文章將重點分析電能表數據。
電(dian)(dian)能表(biao)的采集參數包(bao)括 9 個：A、B、C 相電(dian)(dian)壓，A、B、C 相電(dian)(dian)流，功(gong)率、功(gong)率因數，以及(ji)電(dian)(dian)能。我們為電(dian)(dian)能表(biao)數據建(jian)立了(le)超級表(biao) DNB 和相應的子(zi)表(biao)，TAGS 字段(duan)包(bao)含(han)設備編號（deviceid）、功(gong)能類別（groupid）和位置（location）。此(ci)外(wai)，為了(le)滿(man)足用電(dian)(dian)分(fen)析需求，我們新增了(le)分(fen)時用電(dian)(dian)時段(duan)標記(ji)字段(duan) jfpg。超級表(biao)的結構如(ru)下圖所(suo)示：
新建(jian)超級表(biao) DNB 的 SQL 語句如下(xia)：
CREATE STABLE DNB (ts timestamp, ts_real timestamps, ia float, ib float, ic float, ua float, ub float, uc float, p float, pt float, w float, jfpg int) TAGS (deviceid varchar(64), location varchar(64), group_id int);插入電能表數據(ju)的 SQL 語句如下：
"insert into " + dbName + "." + deviceId + " (ts, ts_real, ia, ib, ic, ua, ub, uc, p, pt, w, jfpg) values(" + now +"," + ts_real +"," +values_ia + "," + values_ib + "," + values_ic + "," + values_ua+ "," + values_ub + "," + values_uc+ "," + values_p + "," + values_pt+ "," + values_w+ "," + jfpg + ")"這種數(shu)據結構和操作方(fang)式，為(wei)后續(xu)的用電分析提(ti)供(gong)了(le)堅實的數(shu)據基礎。
電力場景典型應用：時段用電分析模塊
分(fen)時(shi)(shi)(shi)(shi)電(dian)(dian)價(jia)制(zhi)度是指將一(yi)年按春夏(xia)秋冬分(fen)為(wei)(wei)(wei)四(si)季，每季的(de)(de)一(yi)天(tian) 24 小時(shi)(shi)(shi)(shi)再劃(hua)分(fen)為(wei)(wei)(wei)多個時(shi)(shi)(shi)(shi)段(duan)，根據系統運(yun)行的(de)(de)平均邊際成(cheng)本(ben)對每個時(shi)(shi)(shi)(shi)段(duan)進行電(dian)(dian)費定價(jia)。以山東省 2024 年的(de)(de)分(fen)時(shi)(shi)(shi)(shi)電(dian)(dian)價(jia)為(wei)(wei)(wei)例，具體時(shi)(shi)(shi)(shi)段(duan)劃(hua)分(fen)如圖所示。各時(shi)(shi)(shi)(shi)段(duan)電(dian)(dian)價(jia)系數如下：平時(shi)(shi)(shi)(shi)段(duan)為(wei)(wei)(wei) 1.0，尖峰時(shi)(shi)(shi)(shi)段(duan)為(wei)(wei)(wei) 2.0，峰時(shi)(shi)(shi)(shi)段(duan)為(wei)(wei)(wei) 1.7，谷時(shi)(shi)(shi)(shi)段(duan)為(wei)(wei)(wei) 0.3，深谷時(shi)(shi)(shi)(shi)段(duan)為(wei)(wei)(wei) 0.1。
分時電(dian)(dian)(dian)(dian)價通過(guo)價格(ge)杠(gang)桿，引(yin)導用戶合(he)理(li)調整用電(dian)(dian)(dian)(dian)行(xing)為，可以有效緩(huan)解電(dian)(dian)(dian)(dian)力供(gong)(gong)需矛盾，提(ti)升電(dian)(dian)(dian)(dian)網負荷率(lv)和設備利用率(lv)。這(zhe)不(bu)僅優(you)化(hua)了電(dian)(dian)(dian)(dian)力資源(yuan)配置(zhi)，降(jiang)低(di)高峰(feng)時段(duan)的(de)供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓力，還激勵用戶在低(di)谷時段(duan)多用電(dian)(dian)(dian)(dian)，從而降(jiang)低(di)整體用電(dian)(dian)(dian)(dian)成本，提(ti)高社(she)會(hui)經濟(ji)效益(yi)。這(zhe)一制度對促進電(dian)(dian)(dian)(dian)力市(shi)場健康發展和節能減排具有重要意義[2]。
以查詢 8 月平時段的電量為例，我們使用了 TDengine 的會話窗口函數 SESSION。對應(ying)的 SQL 查詢語句如下：
select sum(quan) from (select tbname, SPREAD(w) as quan from (Select * from (select ts, tbname,to_char(ts,'hh24') as ts2, w from smartb_tz.dnb where ts>'2024-08-01 00:00:00' and ts<'2024-09-01 00:00:00') WHERE ts2 LIKE '%00%' OR ts2 LIKE '%01%' OR ts2 LIKE '%02%' OR ts2 LIKE '%03%' OR ts2 LIKE '%04%' OR ts2 LIKE '%05%' OR ts2 LIKE '%06%' OR ts2 LIKE '%07%' OR ts2 LIKE '%08%' OR ts2 LIKE '%09%' OR ts2 LIKE '%15%' OR ts2 LIKE '%16%' OR ts2 LIKE '%22%' OR ts2 LIKE '%23%') PARTITION by TBNAME SESSION(ts,1h));應用效果如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)：
電力場景典型應用：實時用電分析
實時用電分析功能可以對每個用電設備的日、月、年瞬時功率進行分析，幫助我們全面了解設備運行狀況。
以查(cha)詢當日設備編號(hao)為(wei) deviceid 的(de)電能(neng)表為(wei)例。由于程序折線圖以 15 分鐘為(wei)時間(jian)間(jian)隔顯示，而數據采集間(jian)隔為(wei) 10 秒，因(yin)此(ci)我們(men)使用 INTERVAL 窗口函數計算每(mei) 15 分鐘的(de)平均值(zhi)。對應的(de) SQL 查(cha)詢語句(ju)如下：
select avg(p) as avg_p from smartb_tz.#{deviceid} where ts>Today and ts<now interval(15m);在(zai)查詢(xun)當日功率數據最大(da)值及其對應時(shi)間(jian)時(shi)，TDengine 的 PARTITION BY 函數發揮了(le)關(guan)鍵作用。它通過對 ts 進行分(fen)組，實現了(le)多(duo)個電能表功率的匯總分(fen)析。查詢(xun) SQL 如下：
select max(sum_p) as quan_ly, ts_max as ws from (select ts as ts_max, sum(p) as sum_p from smartb_tz.dnb where ts>Today and ts<now partition by ts);對(dui)應的(de)程序界面如(ru)下圖所示：
“工欲(yu)善其事，必先利其器。”作為一款時序大(da)數據(ju)處理平臺(tai)，TDengine 不僅為我(wo)們提供了強大(da)的讀寫性能，還配備(bei)了高性價比的支持服(fu)務。未來，我(wo)們將繼續深挖其潛力，探索 TDengine 在智慧能源領域的更多應用(yong)場景。
最(zui)后分享一個有趣的(de)經歷：今年上半年，我們在試用(yong) TDengine 開(kai)源版(ban)時，最(zui)初通過(guo)社區(qu)與官方和用(yong)戶群體互動，但線上溝(gou)通的(de)效率還是不足(zu)以(yi)滿足(zu)我們的(de)測試進度。正巧那(nei)時，我看到 TDengine 舉辦的(de)“TDengine Open Day”線下活(huo)動，便特意(yi)從(cong)濟南飛往北京(jing)參(can)加。
在活動現場(chang)(chang)，我見到了長期在開(kai)源社區(qu)為(wei)我們(men)答疑(yi)解惑(huo)的工(gong)程師。我們(men)當(dang)場(chang)(chang)交流(liu)了整(zheng)整(zheng) 5 個小時，他(ta)耐(nai)心細致(zhi)地(di)幫我解決了所(suo)有使用中(zhong)的疑(yi)惑(huo)，大大加快了測試進(jin)展(zhan)。當(dang)天，我們(men)還約定共同撰寫一篇電(dian)力場(chang)(chang)景的應(ying)用案例分享(xiang)給 TDengine 開(kai)源社區(qu)，這(zhe)篇文(wen)章便(bian)由此而來。
參考文獻
[1] 中(zhong)國(guo)建筑(zhu)科(ke)學院．建言(yan)“十四五”――中(zhong)國(guo)既有公共(gong)建筑(zhu)節能工作(zuo)的困(kun)境與突圍［R］．北京：自然資源保護協(xie)會，2020.
[2] 遲海，陳菊(ju)紅. 分(fen)時電(dian)價對光伏(fu)和儲(chu)能系統的影響(xiang)研究(jiu)[J]. 電(dian)力技(ji)術與經濟，2024（05）: 249-251
