任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：圍繞工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域節(jié)能降耗實際需求，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺總體方案，面向政府、行業(yè)、企業(yè)提供能耗管理信息化管理與服務(wù); 研究設(shè)計能耗監(jiān)測終端，支持多種工業(yè)總線及工業(yè)協(xié)議，實現(xiàn)電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設(shè)備以及工業(yè)控制系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)采集; 研發(fā)能耗在線監(jiān)測平臺，實現(xiàn)能耗實時監(jiān)控、能效分析、計量器具管理等功能; 以平臺為依托，在淄博某化工企業(yè)開展了應(yīng)用示范，切實為企業(yè)提高運行管理水平、強化能源管理提供支撐。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng) 能耗 實時監(jiān)測

0引言

能源是人類社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，能源消耗水平與環(huán)境、生態(tài)和全球氣候變化等息息相關(guān)。隨著節(jié)能工作向系統(tǒng)化、精細(xì)化、信息化方向發(fā)展，節(jié)能領(lǐng)域運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)手段深挖、細(xì)挖節(jié)能潛力成為必然趨勢。針對先進(jìn)技術(shù)開展了能耗監(jiān)測和能源管理系統(tǒng)的研究、應(yīng)用的探索。通過對已有能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究，企業(yè)級能耗監(jiān)測系統(tǒng)是基礎(chǔ)，其關(guān)鍵是能耗監(jiān)測終端的功能和性能實現(xiàn); 平臺級能耗監(jiān)測系統(tǒng)是支撐，其關(guān)鍵是如何為企業(yè)、節(jié)能主管部門等提供信息服務(wù)的支撐，實現(xiàn)資源共享和可持續(xù)、標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)體系建設(shè)。

基于此，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺總體方案，并針對企業(yè)級、平臺級的軟硬件進(jìn)行設(shè)計、研發(fā)，并在化工企業(yè)能耗管理方面進(jìn)行了實踐應(yīng)用，探索我國行業(yè)節(jié)能降耗的信息化支撐。

1平臺總體方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺總體方案架構(gòu)，該方案從采集層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層等層面，對實現(xiàn)能耗監(jiān)測的技術(shù)和方案進(jìn)行分析，為下步開展具體的軟硬件設(shè)計和研發(fā)打下基礎(chǔ)。

(1) 采集層。采集層與物理層直接通訊，主要基于部署在企業(yè)端的用能單位能耗采集端設(shè)備實現(xiàn)對能源消耗數(shù)據(jù)的采集、對能源計量器具的識別和動態(tài)管理。

目前，能耗數(shù)據(jù)的采集主要基于三種方式實現(xiàn):一是通過傳感器、數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備實現(xiàn)現(xiàn)場級數(shù)據(jù)采集，支持多種不同協(xié)議的能源計量傳感器，可同時對電表、水表、燃?xì)獗淼榷喾N智能儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集; 二是通過與 PLC、DCS、OPC 服務(wù)器等管理系統(tǒng)對接實現(xiàn)控制級數(shù)據(jù)采集; 三是部分無法通過在線采集方式獲取的能耗數(shù)據(jù)，通過手工填報方式采集。為減少平臺端數(shù)據(jù)處理的壓力，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)拆分、清洗，將來自不同儀表、不同傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成平臺可以識別的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)，經(jīng)過解析和校驗，進(jìn)行歸一化處理，傳輸至平臺端。

(2) 網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要包括互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)有線或無線網(wǎng)絡(luò)、端系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)庫等。采集層的能源消耗數(shù)據(jù)采集以后，在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行初步解析、校驗和存儲，并隨時準(zhǔn)備上傳數(shù)據(jù)層。網(wǎng)絡(luò)層作為采集層和數(shù)據(jù)層的中間層，起到承上啟下的作用。

(3) 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)對采集上傳數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理、存儲等操作。依據(jù)各行業(yè)數(shù)據(jù)采集指南中數(shù)據(jù)驗證要求，采集數(shù)據(jù)時對接入數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，判斷其數(shù)據(jù)是否合法、信息是否匹配、是否有丟包漏包、目的地址是否正確等。數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)是對企業(yè)能源結(jié)構(gòu)、能耗水平、能耗趨勢等信息從多個維度進(jìn)行匯總分析以及可視化展示的基礎(chǔ)。

(4) 應(yīng)用層。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)層匯總分析的數(shù)據(jù)按照平臺用戶類型應(yīng)用到實際生活中。針對不同的用戶，提供相應(yīng)的信息技術(shù)服務(wù)。如: 面向節(jié)能監(jiān)管部門，提供相關(guān)數(shù)據(jù)報表，實時監(jiān)測企業(yè)能耗情況，進(jìn)一步細(xì)化和落實節(jié)能任務(wù)，逐步形成系統(tǒng)化、信息化的能源消耗監(jiān)管體系; 面向用能企業(yè)，提供更優(yōu)化的生產(chǎn)方案，為企業(yè)提高能源利用效率、降低生產(chǎn)成本、減少能源浪費提供支撐; 面向社會大眾，及時提供新的節(jié)能信息，推廣節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品，提高全社會節(jié)能環(huán)保意識。

2平臺設(shè)計與研發(fā)

2．1 能耗采集終端設(shè)計

能耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、實時采集是平臺運用的基礎(chǔ)。在該方案中，能耗采集終端主要實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的實時采集。終端整體結(jié)構(gòu)框圖。該終端包括控制模塊、通訊模塊、存儲單元、安全管理單元、電源模塊、顯示模塊等。其中:

(1) 控制模塊。控制模塊采用低功耗處理器，主要實現(xiàn)對通訊模塊、存儲單元、安全管理單元、電源模塊、顯示模塊的控制，確保終端功能和實現(xiàn)，以及終端的長時間運行。

(2) 通訊模塊。通訊模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)采集通訊、以及終端與平臺間的數(shù)據(jù)通訊。終端支持 ＲS485總線以及 MODBUS、OPC 等工業(yè)協(xié)議，實現(xiàn)與電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設(shè)備的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。終端具備以太網(wǎng)接口，支持終端與平臺間的互聯(lián)互通; 同時平臺通過該以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)對終端的遠(yuǎn)程監(jiān)控和配置功能，包括: 外網(wǎng)主機(jī)部分的上傳地址、采集點信息、計算公式等參數(shù)的配置以及安裝、卸載、升級等操作。

(3) 存儲單元。終端具備本地存儲功能，上傳數(shù)據(jù)經(jīng)過 HTTPS 協(xié)議加密，如果傳輸超時或失敗，設(shè)備將重發(fā)數(shù)據(jù)，直到接收成功反饋消息，防止因為斷電、網(wǎng)絡(luò)異常等意外事故導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。

(4) 安全管理單元。設(shè)備采用“內(nèi)網(wǎng)主機(jī)+外網(wǎng)主機(jī)+安全數(shù)據(jù)交換單元"的“獨立雙主機(jī) 2+1"架構(gòu)，其中，安全數(shù)據(jù)交換單元不同時與內(nèi)外網(wǎng)主機(jī)連接，以此將內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)隔離，防止企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)泄露和外部病毒木馬程序入侵，保證數(shù)據(jù)傳輸安全。

(5) 電源模塊。電源模塊支持交流電壓 220V±10%，雙路冗余熱備電源輸入。

(6) 顯示模塊。支持 7 寸液晶觸摸屏，方便顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)以及設(shè)置參數(shù)等操作。

2．2 平臺軟件設(shè)計與研發(fā)

能耗在線監(jiān)測平臺是面向企業(yè)、節(jié)能安全監(jiān)管部門等用戶的窗口。軟件部分主要功能模塊包括:用能單位子系統(tǒng)、政府子系統(tǒng)、公眾服務(wù)子系統(tǒng)，基于 B /S 三層架構(gòu)、asp．net 技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)。

2．2．1 政府監(jiān)管子系統(tǒng)

政府部門，提供能耗監(jiān)測、能效分析、節(jié)能管理、計量管理等功能。

(1) 能耗監(jiān)測。提供對用能單位的能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能，包括: 能源消費強度、能源消費構(gòu)成及各能源品種消費量指標(biāo)統(tǒng)計分析; 基于 GIS的企業(yè)和區(qū)域能耗分析，并形成圖表等可視化表示形式;服務(wù)政府各級節(jié)能部門的數(shù)據(jù)匯總，報表填報等信息化工作需求。

(2) 能效分析。提供從宏觀監(jiān)測、地區(qū)、行業(yè)及產(chǎn)品的角度進(jìn)行能效的統(tǒng)計分析功能，基于歷史能效指標(biāo)狀況預(yù)測能效趨勢。

(3) 節(jié)能管理。提供總量及強度控制、節(jié)能業(yè)務(wù)管理、節(jié)能監(jiān)察、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)與技術(shù)產(chǎn)品發(fā)布等功能; 對能源“雙控"指標(biāo)進(jìn)行分配并對節(jié)能形勢進(jìn)行分析和預(yù)測預(yù)警; 對企業(yè)管理崗位、主要負(fù)責(zé)人進(jìn)行備案; 提供節(jié)能公司和節(jié)能審核機(jī)構(gòu)的注冊與查詢功能。

(4) 計量管理。提供用能單位計量器具配備情況匯總查詢功能，對用能單位計量器具的配備數(shù)、配備率、檢定校準(zhǔn)情況進(jìn)行匯總查詢，對即將到期或已到期的進(jìn)行標(biāo)注預(yù)警。

2．2．2 用能單位管理子系統(tǒng)

用能單位管理子系統(tǒng)主要為企業(yè)用戶提供相關(guān)能耗數(shù)據(jù)、計量器具、政策法規(guī)等信息的維護(hù)查詢。

(1) 能耗監(jiān)測。對能耗監(jiān)測終端采集的煤、油、水、電、氣、汽等實時能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)。

(2) 能效分析。企業(yè)內(nèi)部能耗數(shù)據(jù)，進(jìn)行能耗分析和成本分析，主要包括需量配置、需量查詢、峰平谷電耗分析、能源綜合成本分析的查詢功能，并支持企業(yè)與同行業(yè)其他企業(yè)進(jìn)行相應(yīng)節(jié)能指標(biāo)的對比分析和改進(jìn)指導(dǎo)。

(3) 能源報表。匯總企業(yè)的電力損耗信息、能耗綜合成本、單位產(chǎn)品能耗、班次單位產(chǎn)品能耗、班組單位產(chǎn)品能耗、峰平谷電耗、能耗單位匯總、能耗成本單位匯總、能耗費用匯總、能耗比較等報表信息。

(4) 能耗預(yù)警。統(tǒng)計各報警類型的報警次數(shù)和報警時長，為企業(yè)開展能耗管理決策提供參考。

(5) 能源計量器具管理。對企業(yè)能源計量器具的使用、檢驗、計量等情況進(jìn)行記錄和管理，從而提升企業(yè)能耗監(jiān)測的準(zhǔn)確性和有效性。

(6) 能源管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范查詢。方便企業(yè)及企業(yè)人員實時在線查詢國家有關(guān)法律法規(guī)、政策文件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等資料。

2．2．3 公眾服務(wù)子系統(tǒng)

公眾服務(wù)子系統(tǒng)主要面向社會公眾提供服務(wù)，具備發(fā)布相關(guān)的政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、新聞動態(tài)、節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品等信息的功能，是平臺的門戶窗口，為實現(xiàn)節(jié)能降耗的多元共治局面提供支撐。

3 應(yīng)用案例

基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺總體方案目前已在山東省淄博市某化工企業(yè)進(jìn)行了實際應(yīng)用。該企業(yè)目前主要使用的能源類型包括: 原煤、電、天然氣、蒸汽，其中: 企業(yè)利用工業(yè)水進(jìn)行自發(fā)電，部分電力上網(wǎng)，同時有外供蒸汽給周邊企業(yè)使用。部分能源數(shù)據(jù)已經(jīng)采集到企業(yè)自建的 MES 系統(tǒng)中。根據(jù)企業(yè)實際情況，結(jié)合有關(guān)政策要求，在平臺總體方案的基礎(chǔ)上，研究提出了符合企業(yè)需求的能源在線監(jiān)測方案。在邊緣采集側(cè)，部署能耗監(jiān)測終端，與企業(yè)的 MES 系統(tǒng)進(jìn)行對接，通過ＲJ45 接口實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的采集，同時終端通過有線網(wǎng)絡(luò)/4G/無線局域網(wǎng)等數(shù)據(jù)通訊模式將能耗數(shù)據(jù)定時發(fā)送到能耗在線監(jiān)測平臺。在云服務(wù)平臺側(cè)，主要面向企業(yè)、節(jié)能安全監(jiān)管部門，以軟件即服務(wù)的模式開展信息技術(shù)服務(wù)。

(1) 面向企業(yè)的云服務(wù)。企業(yè)登錄能耗在線監(jiān)測平臺，開展企業(yè)能耗信息化管理，對本企業(yè)實時能耗情況、計量器具情況等進(jìn)行管理，對企業(yè)歷史能耗情況、能耗趨勢等進(jìn)行分析，形成各類預(yù)警信息，如企業(yè)能耗指標(biāo)預(yù)警、節(jié)能量預(yù)警、能源儲備預(yù)警等，并為企業(yè)提出安全生產(chǎn)和能源使用的具體改進(jìn)措施提供數(shù)據(jù)支撐。如: 針對企業(yè)各類能耗比例進(jìn)行同比或環(huán)比分析，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)企業(yè)能耗過程中的問題，提出生產(chǎn)或能源使用的改進(jìn)措施。

(2) 面向節(jié)能安全監(jiān)管部門的云服務(wù)。依托平臺實現(xiàn)企業(yè)能耗信息的匯聚和分析，為節(jié)能安全監(jiān)管部門開展管理提供數(shù)據(jù)化和平臺化支撐。如: 監(jiān)管部門可通過分析企業(yè)的能耗數(shù)據(jù)，分析行業(yè)和企業(yè)能源結(jié)構(gòu)，為能源管理決策和規(guī)劃提供支撐。

4 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機(jī)和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預(yù)付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應(yīng)用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運維等領(lǐng)域。

（3）平臺結(jié)構(gòu)

（4）平臺功能

◆電力集抄

電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進(jìn)行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運行（包括歷史和實時參數(shù)，并根據(jù)實際情況進(jìn)行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

◆能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術(shù)，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機(jī)結(jié)合起來，運用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

◆預(yù)付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機(jī)、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表中心：提供售電、售水財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出。

預(yù)付費看板

◆充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能。

充電樁看板

◆智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實現(xiàn)定時開關(guān)策略配置及后臺遠(yuǎn)程管理和移動管理等，降低路燈設(shè)施的維護(hù)難度和成本，提升管理水平，并達(dá)到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

◆安全用電

安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災(zāi)探測器，對引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導(dǎo)企業(yè)實現(xiàn)及時的排查和治理，達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然"的目的。

◆智慧消防

通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。tian補了原先針對“九小場所"和?；飞a(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應(yīng)于所有公建和民建，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"、用電管理“精細(xì)化"的實際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺總體方案基于政府強化能源管理等各方需求，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[7]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.

作者簡介：

任運業(yè)，安科瑞電氣股份有限公司。