（南京师范大学电气与自动化工程学院 江苏南京 210046）
摘要：随着计算机科学和电子信息技术的广泛应用，智能建筑得到了快速发展，为未来建筑行业的发展指明了方向，并吸引了对其子系统的各类研究。本文主要关注智能建筑中的电气系统的两个重要组成部分，即供配电系统与无线传感器网络系统，并讨论了这些系统应用中的具体问题。在供配电系统中，为了兼顾系统运行的稳定性与效率，需要进行谐波抑制，无功补偿与过电压保护。而在无线传感器网络中，由于传感器的高精度和脆弱性，需要在物理强度与信息传输领域两方面增强传感器的抗干扰能力。基于此，本文列举了行业中针对这些问题的最新措施，反映了最前沿的发展方向，并为对该领域感兴趣的研究人员提供了简要的参考。
关键词：智能建筑，电力系统，自动化，综述
1 简介
现如今，各式各样的智能建筑拔地而起，受到广泛的关注与欢迎，以其提供的具有高竞争力的功能不断替代传统建筑。而智能建筑内部的电气系统，作为建筑物最重要的部分之一，具有很高的研究价值。
一般而言，智能建筑系统分为3部分：CA（通信自动化），OA（办公自动化）和BA（建筑自动化）。在其下更加细分，又有通信网络系统，消防联动系统，自动扶梯和电梯系统，冷冻和冷却系统，空调系统，给排水系统，安全保障系统，综合布线系统等。各独立工作环节不断将信息反馈到电气控制系统，而电气系统的中央处理器（CPU）则接受反馈，并发出相应的程序指令[1]。因此，在整个建筑物系统的运行过程中，电气系统起着至关重要的作用。通过电气自动化控制系统，智能建筑能够实现对建筑物内部组件的自动控制，从而可以随环境的变化不断进行调整。
2 相关研究
“智能建筑”的概念源起于20世纪后期的美国。如今的智能建筑将结构、系统、服务和管理四个要素根据用户的需求进行最优化组合，为用户提供了高效、舒适的建筑环境。
在智能建筑行业刚刚起步时，楼宇自动化实现了信息传输和处理的功能，为传统建筑行业带来了突破。
1980年至1985年是“单功能系统”时代。研究人员主要侧重于建筑系统的终端，如传感器[2]，CCTV [3]与空调等子系统。当时，功能性与便利性是衡量智能程度的标准。
在1980年代下半叶，随着第一座智能建筑的出现，人们更多地集中精力与提高智能建筑内部器件的互动[4]和拟人化。例如，感应灯的生产过程中考虑了更多环境变量，从而提高了灵敏度和节能性能。人们开始重视综合安全系统、楼宇自动控制系统与火灾报警系统，以前分散的子系统形成了局部连接。
1990年代在智能建筑的发展过程中有重要意义。性质不同的子系统实现了以计算机网络为核心的、系统化、集成化和智能化管理。智能建筑中的电力系统规模在不断扩大。同时，控制系统与终端设备之间的通信精度不断提高[5]，促进了整个行业的繁荣，智能建筑切实为人们提供了更加便捷，经济的生活方式。
自21世纪初以来，研究人员开始着手研究降低能耗的方法[6]。研究人员利用现有技术使建筑更加生态友好，以符合环保的时代主题。作为建筑学，电学与材料科学的综合运用，该学科不断吸引着世界的注意力，为人类生活带来福祉。
3 智能建筑中的供配电系统
在智能建筑电力系统中，由于消耗大量能量，正常情况下其输入电压为10kV。电能通过高压配电系统被分配到变电所，接着被降低到常规电压等级。该系统采用单母线分段操作，两个高压电源同时提供能量[7]。如果其中一个电源熄灭，则中间接触开关将自动或手动闭合，另一电源仍应能够确保所有第一级和第二级负载的额定运行——根据表1中的国际标准，基于其可靠性与安全性，电气设备负荷可以被分为三个级别。
表1 国际标准下的电力设备负荷等级.png)
供配电系统为智能建筑提供了必要的能源，确保了建筑物智能系统的正常运行，具有举足轻重的地位。而在供配电系统中，研究者通常关注的三类问题：谐波抑制，无功补偿与过电压保护。
（1）谐波抑制
智能建筑中的大量非线性负载（如电气和电子设备）会产生谐波，对配电系统造成严重污染，降低了电能质量[8]。 如果不消除这些谐波源，则会导致电源变压器的低压侧谐波电压增加，低压侧的负载无法正常工作。谐波对潮流分布的危害主要体现在以下几个方面：
①导致电动机产生额外的功率损耗和热量，产生脉动转矩和噪音。变压器线圈温度上升，加速其绝缘老化。
②缩短照明设备的寿命，特别是白光源。
③导致电压表、电流表的测量误差，最高偏差可高达20％。
④对附近的通信线路造成谐波电压的静电干扰与谐波电流的电磁干扰。与此同时，谐波将在通信系统中产生噪声，降低语音或所传输图像的清晰度，导致信息丢失，整个系统停止工作。
（2）无功补偿
无功功率对电源系统的正常运行至关重要，但过量的无功功率会带来明显的不利影响：
①要求更多的设备容量。无功功率增加将导致电流和视在功率增加，从而使发电机、变压器以及其他电气设备和导体的容量增加。
②设备和线路损耗的增加。随着电流的增加，设备和线路的损耗不断增加。如果有冲击无功功率，电压将发生急剧波动，严重降低电源质量。
传统的谐波补偿方法一般使用无源功率滤波器。该滤波器由滤波电容器、电抗器和电阻器组成，具有结构简单、初期投资少、运行可靠性高与利用率高的优点。但是，无源功率滤波器的局限性也很明显，因为它只能满足某一指定频率点的要求，而随着特殊谐波的阻抗和频率的变化，电网阻抗可能会发生串联或并联谐振，从而导致电压波形失真与谐波电流放大，最终形成无源功率滤波器过电压。
在无源滤波器的基础上，研究者们发明并推广了一系列电力电子设备，如BESS（电池储能系统），DSTATCOM（配电静态同步补偿器），DSC（配电串联电容器），DVR（动态电压恢复），和APF（有源功率滤波器）。其中APF取得了尤为瞩目的成就，被公认为该领域中最有前途的方法。其基本工作原理是检测补偿对象中谐波电流的大小，并生成一个谐波电流大小相等方向相反的补偿电流，以使电网电流仅包含基本分量。APF实现了动态补偿，可以同时或分别补偿谐波、无功功率和负序电流，且无功补偿的程度可以连续调节。其补偿特性受电网阻抗的影响较小，还避免了谐波放大的风险。
（3）过电压保护
为了保证微电子设备安全有效地工作，应向设备提供全面的防雷电过电压保护。除避雷针等外部避雷设备外，还应设置内部避雷系统，以加强对电磁干扰的防护。
内部避雷系统可分为以下几个部分：
（1）配电变压器的过电压保护。由于10kV高压配电线路的绝缘水平低，变压器的高压和低压侧的进线电压波都将导致垂直绝缘与高压侧中心点附近的绝缘被破坏，故变压器两侧的每一相均应安装避雷器。它们的接地线应在接地（四点接头接地）之前连接到变压器的金属外壳和低压侧中心点。此外，安装低压避雷器仅能限制低压绕组两端的过电压，而超出微电子设备耐压的电压波会通过低压线路侵入建筑物。为了限制这些雷击线性波与感应过电压波，应在低压电源线的主配电箱上安装具有较低残留电压的额外过压保护设备。
（2）配电线路的过电压保护。总雷电流的一半会通过防雷装置直接流入地面，而其余的则会分配到各种电气通道，如电源线、信号线与金属管道[9]。分流器需要多个电流通道来逐步释放雷电流，以确保过电压电流的幅值与陡度已减小到设备的承受水平。电涌保护器是目前配电线路保护的分流措施之一。设备的最大钳位电压应与信息系统的基本绝缘等级以及设备允许的最大浪涌电压相协调。
（3）等电位联结。等电位联结的目的是降低各种金属零件与各种系统之间的电位差，防止配电线路短路和过载，降低接地故障引起的电气火灾、爆炸的风险。当建筑物的电气安全等电位连结与其他防雷接地设备之间的距离小于两米时，将使用集成了防雷电势的公共接地设备。等电位联结将建筑物中的导体及设备与防雷接地系统结合在一起，消除了不同瞬态过电压区域之间的瞬态电势差，使它们的电位尽可能地与地面电位相等。
4 无线传感器网络
为了从环境中收集和传递信息，智能建筑中安装了大量传感器，形成了复杂的传感器网络。无线传感器网络的典型结构包含了传感器节点、接收器和发送器、因特网与用户界面等。整个系统分为两个子系统，即数据采集和控制系统。
传感器节点是网络的基本单元，被随机分布以测量监测区域中的信号，并使用内置处理器执行主要处理[10]。由于功率限制，节点的传输距离是有限的。而通过节点间的接力中转运输，这些节点最终将向网关节点发送相关信息。网关节点是具有相对较强的处理器和较大的存储空间的特定节点。基于这一多跳中继原理，由数据采集子系统感知外部环境而采集到的物理信息被上载到服务器中。来自服务器的命名信息又通过多跳中继发送到控制子系统中的特定控制节点，从而实现对物理设备的控制。
根据数据的不同流向，将数据链路区分为上行链路和下行链路。数据传输协议（Data transfer protocol）贯穿整个无线传感器网络，对于系统的稳定性和运行效率有重要意义。根据重要性的不同，网络中的数据主要分为三个级别：关键数据、重要数据与常规数据[11]。控制命令和环境变化警报等关键数据是实现系统功能的关键，对传输质量有严格的要求。而重要数据（例如路由信息）往往允许某些丢包率和延迟率。普通数据则具有相对较高的信息冗余度，这一类数据包括温度、湿度、光强度和定期收集的其他信息。
当前，无线传感器网络中仍有许多安全缺陷需要克服。例如，无线信号接收器的稳定性较低，信号容易被其他电磁信号干扰，从而降低了通信的可靠性。随着智能建筑的内部环境变得越来越复杂，需要进行各种电磁测试来提高无线传感器网络的准确性[12]。此外，智能建筑中的传感器节点暴露于相对开放的环境中，分布范围广泛，容易受到攻击或物理捕获[13]。因此，必须提高节点的损坏感知能力并加密节点的核心数据。
由于资源的限制，在应用算法（如完整性认证和安全通信）时也发现了困难。通过分析以前的案例，设计人员找出了他们可能面临的不同类型的网络和潜在攻击，从而提出了一种具有高安全性和复杂可控性的简化算法，以满足传感器使用的需求。
5 结论
智能建筑的普及使得对其内部各类系统及大量微电子设备的深入研究成为可能。为了提高其运行效率并抑制负面影响，在智能建筑的每个部分采取了相应的措施，包括配电系统中的谐波抑制，无功补偿和过压保护以及无线传感器网络中的协议实现。 随着研究的深入，针对已有问题的更实用、更经济的解决方案不断被提出，而未来的智能建筑需要在节约能源与其他资源的方面进一步改进。这反映了该行业的发展方向，绿色建筑必将占据整个行业的大部分，为世界各地的人们提供更加舒适宜居的环境。
参考文献
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