淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)構(gòu)建與實(shí)施

劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

摘要：為加強(qiáng)能耗管理，改變?nèi)斯こ淼默F(xiàn)狀，柴里煤礦利用信息化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)技術(shù)，建立了能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)能源介質(zhì)的生產(chǎn)、輸送和消耗及供能、用能設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，通過(guò)實(shí)施運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了能源的科學(xué)調(diào)度，能損隱患及時(shí)排查，規(guī)避了用能浪費(fèi)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：能耗在線；物聯(lián)網(wǎng)；節(jié)能降耗；智慧礦山

1引言
  目前柴里煤礦能耗管理仍然依靠較為傳統(tǒng)的人工操作方式，這種方式不僅速度慢，而且極易產(chǎn)生誤差，同時(shí)無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)預(yù)警、對(duì)標(biāo)管理，只能事后控制，已經(jīng)無(wú)法滿足該礦自身對(duì)能耗管理的需要。
柴里煤礦年綜合能源消費(fèi)量16000t標(biāo)準(zhǔn)煤，屬于國(guó)家重點(diǎn)用能單位，耗電4725萬(wàn)kW•h，耗蒸汽293478萬(wàn)t，耗水21.89萬(wàn)t，年折合價(jià)值分別達(dá)到2646萬(wàn)元、1681萬(wàn)元、32.84萬(wàn)元。按照國(guó)家能源戰(zhàn)略和《節(jié)約能源法》及國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布的《重點(diǎn)用能單位節(jié)能管理辦法》的要求，作為重點(diǎn)用能單位，必須加強(qiáng)節(jié)能管理，提高能源利用效率，控制能源消費(fèi)總量，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。為達(dá)到上述目標(biāo)，必須積極推進(jìn)能源在線系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)。

2構(gòu)建能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的總體思路及技術(shù)
2.1總體思路
  該平臺(tái)利用目前比較先進(jìn)的lora技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。lora是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線傳輸方式，屬于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)之一，它的特點(diǎn)就是低功耗、遠(yuǎn)距離，可以有效地抗擊干擾并實(shí)現(xiàn)加密。軟件開(kāi)發(fā)采用Java語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用Mysql存儲(chǔ)，整個(gè)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)。該平臺(tái)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合自動(dòng)采集、信息化管理、數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代化手段，構(gòu)建適應(yīng)柴里煤礦實(shí)際需要的能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并組織實(shí)施，從而逐步提升柴里煤礦能耗管理水平。

2.2流程實(shí)現(xiàn)及主要架構(gòu)
  整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)劃分為三個(gè)層級(jí)：第一層級(jí)為能效數(shù)據(jù)采集層，第二層級(jí)為網(wǎng)絡(luò)通信層，第三層級(jí)為管理層。能效數(shù)據(jù)采集層是對(duì)各種用能設(shè)備進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)，包括對(duì)耗水、耗電、耗汽等信息參數(shù)進(jìn)行采集。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信方式，將現(xiàn)場(chǎng)采集到的各類(lèi)參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。管理層由路由器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、WEB服務(wù)器等設(shè)備組成。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)柴里煤礦的整體用能信息處理、分析和展現(xiàn)，可以動(dòng)態(tài)了解當(dāng)前的能耗和生產(chǎn)情況，并客觀地做出更好的能源管理決策、管理和調(diào)度，建立一種高效落實(shí)的生產(chǎn)能源管理體系。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想及技術(shù)
  根據(jù)能源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、分布式計(jì)算，以及與其他子系統(tǒng)互聯(lián)的要求，采用了開(kāi)放分布式的設(shè)計(jì)思想，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61970CIM/CIS，面向柴里煤礦電、水、蒸汽等能源介質(zhì)，對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、處理、管理，并預(yù)留擴(kuò)展功能，實(shí)現(xiàn)了基于Internet的遠(yuǎn)程維護(hù)和網(wǎng)上瀏覽功能，為礦井能源管理實(shí)現(xiàn)信息化提供一套先進(jìn)的、開(kāi)放的、可擴(kuò)展的、可靠的管理平臺(tái)，并在此平臺(tái)上支持對(duì)礦井各種能源數(shù)據(jù)的高級(jí)分析應(yīng)用。

3構(gòu)建能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
3.1硬件設(shè)施
  按照用能單位能源計(jì)量器具配備和管理要求，該平臺(tái)的電氣計(jì)量設(shè)施設(shè)備全部采用國(guó)網(wǎng)規(guī)范的國(guó)網(wǎng)表，精度為0.5s級(jí)。該類(lèi)型計(jì)量設(shè)備具有計(jì)量準(zhǔn)確性高、數(shù)據(jù)格式符合國(guó)網(wǎng)規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)。用水設(shè)施采用外夾式超聲波水表，該類(lèi)型水表具有不需要切割原來(lái)的管道、不會(huì)對(duì)生產(chǎn)生活造成停水、安裝方便快捷、計(jì)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)。蒸汽數(shù)據(jù)采用隔離器將三路輸入信號(hào)一分為二，新增二次表計(jì)的方式，該方式不會(huì)對(duì)原來(lái)表的使用造成影響。

3.2通訊與組網(wǎng)技術(shù)
  該通信系統(tǒng)基于Lora技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)參數(shù)與命令的下達(dá)、數(shù)據(jù)的采集及上傳，主要由通信基站、計(jì)算機(jī)終端、集成通信模塊的用戶設(shè)備、具備通信功能的用戶設(shè)備等組成，如圖1。
  系統(tǒng)采用了分時(shí)間片的組網(wǎng)方式，解決了無(wú)線串口收發(fā)模塊可以一發(fā)多收，不能同時(shí)多發(fā)一收的障礙。
  如圖2，這種組網(wǎng)方式是先由主機(jī)發(fā)起廣播時(shí)間，從機(jī)收到后，首先校對(duì)并同步本地時(shí)間，然后根據(jù)配置的編號(hào)進(jìn)行陸續(xù)上傳，從而實(shí)現(xiàn)多發(fā)一收的功能。這種組網(wǎng)方式收發(fā)數(shù)據(jù)節(jié)約大量時(shí)間，并且能夠防止同時(shí)收發(fā)造成的系統(tǒng)沖突。

圖1基于Lora的組網(wǎng)通信系統(tǒng)組成示意圖

圖2分時(shí)間片組網(wǎng)圖

4構(gòu)建能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端
4.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
  所有電、水、蒸汽等計(jì)量設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸采用全新的基于Lora技術(shù)的無(wú)線模塊來(lái)完成。該技術(shù)是一種低功耗局域網(wǎng)無(wú)限標(biāo)準(zhǔn)，改變了計(jì)量設(shè)備的有線數(shù)據(jù)傳輸方式，每一處采集點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)匯總到lora無(wú)線模塊，而后，此模塊以lora協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端的無(wú)線接收模塊，接收模塊再將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)集中器。該設(shè)備替代了本該在每個(gè)采集點(diǎn)放置的數(shù)據(jù)集中器，并且省去很多的485通訊線等輔材及潛在的施工工時(shí)，在保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定的情況下，數(shù)據(jù)質(zhì)量*達(dá)到了項(xiàng)目要求。該方案的實(shí)施，一是很大程度地降低了成本，由于本項(xiàng)目表計(jì)眾多，位置復(fù)雜，舊表走線復(fù)雜，安裝分散，無(wú)線模塊在不改變舊表通訊線走線的情況下直接將數(shù)據(jù)送至服務(wù)器，可以節(jié)約大量成本；二是縮短了施工時(shí)間，確保了該項(xiàng)目如期完成并通過(guò)上級(jí)主管部門(mén)驗(yàn)收；三是很大程度地避免了重復(fù)施工問(wèn)題和很多潛在的施工隱患。

4.2通信設(shè)計(jì)
  本系統(tǒng)組網(wǎng)通信主要是有線485方式和無(wú)線Lora方式，通信方式為RTU，通訊協(xié)議為MODBUS，確?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和點(diǎn)（基站）對(duì)多（模塊）通信。

5構(gòu)建能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)信息管理系統(tǒng)
5.1軟件功能設(shè)計(jì)
  能源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)總體架構(gòu)遵循SOA設(shè)計(jì)理念，采用多層分布式體系架構(gòu)，在具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選擇上，針對(duì)本項(xiàng)目的功能需求，系統(tǒng)采用C++和JAVA混合的技術(shù)路線。其中系統(tǒng)的采集計(jì)算平臺(tái)主要面向采集設(shè)備，對(duì)于系統(tǒng)的性能、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性要求較高，采用C++技術(shù)實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)應(yīng)用主要面向操作人員實(shí)現(xiàn)管理分析功能，對(duì)于系統(tǒng)的易用性、易維護(hù)性和功能的可擴(kuò)展性要求較高，采用JavaEE技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

5.2軟件系統(tǒng)功能特點(diǎn)
5.2.1能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能
  通過(guò)采集安裝在現(xiàn)場(chǎng)的各種智能表計(jì)、DCS/ERP等系統(tǒng)提供的能耗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)等，上送至系統(tǒng)主站中，包含電、水、汽、熱等能源數(shù)據(jù)的采集和手工補(bǔ)錄、集中器電表等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、越限告警、異常告警等。

5.2.2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能
  可根據(jù)實(shí)際配電系統(tǒng)組態(tài)模擬高壓系統(tǒng)圖、低壓線路圖，對(duì)高壓、低壓回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)電度、電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因素等參數(shù)。

5.2.3能源數(shù)據(jù)的分析功能
  通過(guò)對(duì)不同對(duì)象的數(shù)據(jù)及趨勢(shì)曲線分析，有助于管理者了解各個(gè)能源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并迅速做出決策。

5.2.4能耗報(bào)警管理功能
  通過(guò)能耗分析系統(tǒng)智能感知，將能耗異常（用能定額超標(biāo)、待機(jī)能耗、夜間常流水等）通知相關(guān)責(zé)任人。

5.2.5報(bào)表打印功能
  該系統(tǒng)不單能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模板的打印，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自定義數(shù)據(jù)功能。客戶可以對(duì)各類(lèi)報(bào)表進(jìn)行自定義管理、顯示，并能夠?qū)崿F(xiàn)全圖形、全漢化的顯示和打印功能，人機(jī)界面較好。系統(tǒng)采用交互式、多窗口技術(shù)，可以方便快捷進(jìn)行窗口調(diào)用。

5.2.6后臺(tái)管理功能
  包含檔案維護(hù)、權(quán)限管理、設(shè)備管理等功能。

6實(shí)施效果
  能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)在柴里煤礦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作以來(lái)，不僅減少人工投入，還大大提高數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，據(jù)測(cè)算，每年可節(jié)省電、汽、水抄錄、匯總等人工費(fèi)用90余萬(wàn)元。2020年綜合能耗6.02kgce/t，較去年同期（8.50kgce/t）下降2.48kgce/t，能源消費(fèi)量5404tce，較去年同期（6380tce）下降976tce，初步測(cè)算節(jié)能效率達(dá)15%，節(jié)約能源消耗成本70余萬(wàn)元。日常對(duì)水、電、蒸汽費(fèi)用的消耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，有效地降低了各項(xiàng)成本費(fèi)用的支出，合計(jì)降低557.75萬(wàn)元。

7安科瑞重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
  根據(jù)《重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推廣建設(shè)工作方案》的要求，重點(diǎn)用能單位接入端系統(tǒng)部署在重點(diǎn)用能單位內(nèi)部，由重點(diǎn)用能單位負(fù)責(zé)建設(shè)。
  主要功能:通過(guò)計(jì)量?jī)x表、工控系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至省級(jí)平臺(tái)，或直接上傳至國(guó)家平臺(tái)；重點(diǎn)用能單位接入端系統(tǒng)要通過(guò)網(wǎng)閘、防火墻、隔離等措施，確保內(nèi)部系統(tǒng)和數(shù)據(jù)；要具備遠(yuǎn)程升級(jí)維保、一端多傳、接收國(guó)家和省級(jí)平臺(tái)推送信息和用能單位自身能源管理所需的功能。
  安科瑞可為企業(yè)接入端系統(tǒng)提供完整解決方案：

7.1端設(shè)備
  企業(yè)接入端系統(tǒng)需要從生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)中采集能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，考慮到企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)(互聯(lián)網(wǎng)) 之間并不互通的實(shí)際情況，企業(yè)接入端系統(tǒng)將通過(guò)具備2+1架構(gòu)的物理隔離裝置--能耗在線監(jiān)測(cè)端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)之間的物理連接，在數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中確保從生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)（內(nèi)網(wǎng)）獲取的能耗數(shù)據(jù)以單向傳遞、隔離加密、文件擺渡的形式傳遞到辦公網(wǎng)絡(luò)(外網(wǎng))，再通過(guò)外網(wǎng)主機(jī)側(cè)的CA數(shù)字認(rèn)證證書(shū)進(jìn)行身份認(rèn)證識(shí)別后上傳至省(市）級(jí)平臺(tái)。結(jié)構(gòu)如圖所示：

7.1.1端設(shè)備硬件參數(shù)

(1)單主板采用低功耗處理器；
(2)單主板內(nèi)存大小4G；
(3)硬盤(pán)：64G 固態(tài)硬盤(pán)；
(4)獨(dú)立雙主機(jī)“2+1”架構(gòu)非IP物理隔離；
(5)帶VGA接口，可外接顯示器，便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)操作；
(6)雙冗余開(kāi)關(guān)電源，互為備用、支持熱插拔，保障端設(shè)備的可靠性，具有電源故障聲光報(bào)警功能；
(7)8路RS485串口；
(8)4路千兆以太網(wǎng)；
(9)4個(gè)USB接口，可用于CA證書(shū)接口；

7.1.2端設(shè)備軟件功能
(1)支持從現(xiàn)場(chǎng)的儀表通過(guò)Modbus（GB/T19582）、DL/T645、CJ/T188等協(xié)議采集需要的能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行匯總生成上報(bào)的能耗數(shù)據(jù)；
(2)支持從能源網(wǎng)關(guān)、DTU、SCADA通過(guò)Modbus TCP（GB/T19582）、能耗協(xié)議等上傳的能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行匯總生成上報(bào)的能耗數(shù)據(jù)；
(3)支持從自動(dòng)化信息系統(tǒng)通過(guò)OPC協(xié)議采集需要的能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行匯總生成上報(bào)的能耗數(shù)據(jù)；
(4)支持手工填報(bào)數(shù)據(jù)：對(duì)于不具備在線采集條件的數(shù)據(jù)，提供手工填報(bào)數(shù)據(jù)上傳；
(5)具有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、本地存儲(chǔ)功能，本地歷史數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)6個(gè)月以上；
(6)可根據(jù)項(xiàng)目情況錄入企業(yè)基本信息、企業(yè)生產(chǎn)層級(jí)結(jié)構(gòu)、計(jì)量器具檔案信息、端設(shè)備信息、數(shù)據(jù)采集項(xiàng)信息等各類(lèi)基本信息；
(7)按照《NHJC-04-2018 重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范-端設(shè)備接口協(xié)議規(guī)范》的要求往國(guó)家或省級(jí)平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)；
(8)支持?jǐn)嗑€緩存，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性；
(9)端設(shè)備平臺(tái)方便用戶使用、配置；
(10)支持人工補(bǔ)錄、遠(yuǎn)程升級(jí)；
(11)用能數(shù)據(jù)集抄；
(12)數(shù)據(jù)上傳日志。

7.2 ANet系列能源網(wǎng)關(guān)
 

  ANet系列能源網(wǎng)關(guān)，可將企業(yè)內(nèi)分散的能源計(jì)量器具集中采集后上傳至端設(shè)備，滿足國(guó)家辦公、大型公共建筑、工業(yè)企業(yè)等能源管理系統(tǒng)中對(duì)于水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的能耗計(jì)量及分項(xiàng)數(shù)據(jù)采集需求，搭配簡(jiǎn)單易用的數(shù)據(jù)配置軟件工具，可以快速配置所需采集數(shù)據(jù)及上傳數(shù)據(jù)等各項(xiàng)參數(shù)信息。

7.2.1能源網(wǎng)關(guān)硬件參數(shù)

7.2.2軟件功能
(1)支持多種儀表協(xié)議：支持 DL/T645 、GB/T 19582-200（Modbus）、 CJ/T 188-2004 等；
(2)Modbus TCP 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；
(3)分項(xiàng)計(jì)量 Xml 數(shù)據(jù)報(bào)文定時(shí)上傳；
(4)數(shù)據(jù)AES加密；
(5)斷點(diǎn)續(xù)傳；
(6)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；
(7)遠(yuǎn)程配置及維護(hù)；

7.2.3相關(guān)報(bào)告及證書(shū)
(1)GB/T 17626.2-2018《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)》4級(jí)。
(2)GB/T 17626.6-2017《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度實(shí)驗(yàn)》3級(jí)。
(3)GB/T 17626.4-2018《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》4級(jí)。
(4)GB/T 17626.5-2019《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)》4級(jí)。
(5)GB 9254-2016《信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法》合格。

7.3設(shè)備選型

8結(jié)語(yǔ)
  該平臺(tái)的構(gòu)建是利用信息技術(shù)推動(dòng)節(jié)能降耗,是提升企業(yè)精細(xì)化管理水平的重要舉措，為企業(yè)準(zhǔn)確把握和分析節(jié)能降耗發(fā)展趨勢(shì),科學(xué)利用能源提供技術(shù)支撐，也為節(jié)能管理部門(mén)掌握、分析信息、研究節(jié)能改造和制定相關(guān)政策措施提供科學(xué)的依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：劉細(xì)鳳，女，本科，現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司