淺談基于物聯(lián)網的能耗在線監(jiān)測平臺構建與實施

劉細鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

摘要：為加強能耗管理，改變人工抄表的現狀，柴里煤礦利用信息化技術、網絡技術、數據庫實時技術，建立了能耗在線監(jiān)測平臺，對能源介質的生產、輸送和消耗及供能、用能設備狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)控和數字化管理，通過實施運行，實現了能源的科學調度，能損隱患及時排查，規(guī)避了用能浪費，具有較高的推廣應用價值。

關鍵詞：能耗在線；物聯(lián)網；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，而且極易產生誤差，同時無法對數據進行動態(tài)分析、動態(tài)預警、對標管理，只能事后控制，已經無法滿足該礦自身對能耗管理的需要。
柴里煤礦年綜合能源消費量16000t標準煤，屬于國家重點用能單位，耗電4725萬kW•h，耗蒸汽293478萬t，耗水21.89萬t，年折合價值分別達到2646萬元、1681萬元、32.84萬元。按照國家能源戰(zhàn)略和《節(jié)約能源法》及國家發(fā)展改革委發(fā)布的《重點用能單位節(jié)能管理辦法》的要求，作為重點用能單位，必須加強節(jié)能管理，提高能源利用效率，控制能源消費總量，促進生態(tài)文明建設。為達到上述目標，必須積極推進能源在線系統(tǒng)平臺建設。

2構建能耗在線監(jiān)測平臺的總體思路及技術
2.1總體思路
  該平臺利用目前比較先進的lora技術進行組網。lora是一種基于擴頻技術的遠距離低功耗廣域網無線傳輸方式，屬于物聯(lián)網通信技術之一，它的特點就是低功耗、遠距離，可以有效地抗擊干擾并實現加密。軟件開發(fā)采用Java語言進行設計，后臺數據庫采用Mysql存儲，整個系統(tǒng)采用B/S架構。該平臺利用物聯(lián)網技術，結合自動采集、信息化管理、數據分析等現代化手段，構建適應柴里煤礦實際需要的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，并組織實施，從而逐步提升柴里煤礦能耗管理水平。

2.2流程實現及主要架構
  整個系統(tǒng)平臺劃分為三個層級：第一層級為能效數據采集層，第二層級為網絡通信層，第三層級為管理層。能效數據采集層是對各種用能設備進行能耗數據在線監(jiān)測，包括對耗水、耗電、耗汽等信息參數進行采集。網絡傳輸層是通過網絡通信方式，將現場采集到的各類參數數據傳送到數據采集服務器。管理層由路由器、數據庫服務器、數據采集服務器、WEB服務器等設備組成。系統(tǒng)通過對柴里煤礦的整體用能信息處理、分析和展現，可以動態(tài)了解當前的能耗和生產情況，并客觀地做出更好的能源管理決策、管理和調度，建立一種高效落實的生產能源管理體系。

2.3系統(tǒng)軟件設計思想及技術
  根據能源管理系統(tǒng)實時性、分布式計算，以及與其他子系統(tǒng)互聯(lián)的要求，采用了開放分布式的設計思想，采用國際標準IEC61970CIM/CIS，面向柴里煤礦電、水、蒸汽等能源介質，對計量數據統(tǒng)一采集、處理、管理，并預留擴展功能，實現了基于Internet的遠程維護和網上瀏覽功能，為礦井能源管理實現信息化提供一套先進的、開放的、可擴展的、可靠的管理平臺，并在此平臺上支持對礦井各種能源數據的高級分析應用。

3構建能耗在線監(jiān)測平臺數據采集系統(tǒng)
3.1硬件設施
  按照用能單位能源計量器具配備和管理要求，該平臺的電氣計量設施設備全部采用國網規(guī)范的國網表，精度為0.5s級。該類型計量設備具有計量準確性高、數據格式符合國網規(guī)范等優(yōu)點。用水設施采用外夾式超聲波水表，該類型水表具有不需要切割原來的管道、不會對生產生活造成停水、安裝方便快捷、計量準確等特點。蒸汽數據采用隔離器將三路輸入信號一分為二，新增二次表計的方式，該方式不會對原來表的使用造成影響。

3.2通訊與組網技術
  該通信系統(tǒng)基于Lora技術進行組網，實現各類參數與命令的下達、數據的采集及上傳，主要由通信基站、計算機終端、集成通信模塊的用戶設備、具備通信功能的用戶設備等組成，如圖1。
  系統(tǒng)采用了分時間片的組網方式，解決了無線串口收發(fā)模塊可以一發(fā)多收，不能同時多發(fā)一收的障礙。
  如圖2，這種組網方式是先由主機發(fā)起廣播時間，從機收到后，首先校對并同步本地時間，然后根據配置的編號進行陸續(xù)上傳，從而實現多發(fā)一收的功能。這種組網方式收發(fā)數據節(jié)約大量時間，并且能夠防止同時收發(fā)造成的系統(tǒng)沖突。

圖1基于Lora的組網通信系統(tǒng)組成示意圖

圖2分時間片組網圖

4構建能耗在線監(jiān)測平臺數據監(jiān)測終端
4.1監(jiān)測系統(tǒng)
  所有電、水、蒸汽等計量設備的數據傳輸采用全新的基于Lora技術的無線模塊來完成。該技術是一種低功耗局域網無限標準，改變了計量設備的有線數據傳輸方式，每一處采集點采集到的數據匯總到lora無線模塊，而后，此模塊以lora協(xié)議將數據傳輸至服務器端的無線接收模塊，接收模塊再將數據送至數據集中器。該設備替代了本該在每個采集點放置的數據集中器，并且省去很多的485通訊線等輔材及潛在的施工工時，在保證數據穩(wěn)定的情況下，數據質量*達到了項目要求。該方案的實施，一是很大程度地降低了成本，由于本項目表計眾多，位置復雜，舊表走線復雜，安裝分散，無線模塊在不改變舊表通訊線走線的情況下直接將數據送至服務器，可以節(jié)約大量成本；二是縮短了施工時間，確保了該項目如期完成并通過上級主管部門驗收；三是很大程度地避免了重復施工問題和很多潛在的施工隱患。

4.2通信設計
  本系統(tǒng)組網通信主要是有線485方式和無線Lora方式，通信方式為RTU，通訊協(xié)議為MODBUS，確?？梢詫崿F點對點通信和點（基站）對多（模塊）通信。

5構建能耗在線監(jiān)測平臺信息管理系統(tǒng)
5.1軟件功能設計
  能源在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺總體架構遵循SOA設計理念，采用多層分布式體系架構，在具體實現技術的選擇上，針對本項目的功能需求，系統(tǒng)采用C++和JAVA混合的技術路線。其中系統(tǒng)的采集計算平臺主要面向采集設備，對于系統(tǒng)的性能、實時性、穩(wěn)定性和可靠性要求較高，采用C++技術實現；系統(tǒng)中的數據應用主要面向操作人員實現管理分析功能，對于系統(tǒng)的易用性、易維護性和功能的可擴展性要求較高，采用JavaEE技術實現。

5.2軟件系統(tǒng)功能特點
5.2.1能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)功能
  通過采集安裝在現場的各種智能表計、DCS/ERP等系統(tǒng)提供的能耗數據、生產過程數據、設備狀態(tài)數據、質量數據等，上送至系統(tǒng)主站中，包含電、水、汽、熱等能源數據的采集和手工補錄、集中器電表等設備的運行狀態(tài)、越限告警、異常告警等。

5.2.2實時監(jiān)測功能
  可根據實際配電系統(tǒng)組態(tài)模擬高壓系統(tǒng)圖、低壓線路圖，對高壓、低壓回路進行實時監(jiān)控，監(jiān)測電度、電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素等參數。

5.2.3能源數據的分析功能
  通過對不同對象的數據及趨勢曲線分析，有助于管理者了解各個能源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并迅速做出決策。

5.2.4能耗報警管理功能
  通過能耗分析系統(tǒng)智能感知，將能耗異常（用能定額超標、待機能耗、夜間常流水等）通知相關責任人。

5.2.5報表打印功能
  該系統(tǒng)不單能夠實現標準模板的打印，同時可以實現自定義數據功能?？蛻艨梢詫Ω黝悎蟊磉M行自定義管理、顯示，并能夠實現全圖形、全漢化的顯示和打印功能，人機界面較好。系統(tǒng)采用交互式、多窗口技術，可以方便快捷進行窗口調用。

5.2.6后臺管理功能
  包含檔案維護、權限管理、設備管理等功能。

6實施效果
  能耗在線監(jiān)測平臺在柴里煤礦實現自動化操作以來，不僅減少人工投入，還大大提高數據的時效性和準確性，據測算，每年可節(jié)省電、汽、水抄錄、匯總等人工費用90余萬元。2020年綜合能耗6.02kgce/t，較去年同期（8.50kgce/t）下降2.48kgce/t，能源消費量5404tce，較去年同期（6380tce）下降976tce，初步測算節(jié)能效率達15%，節(jié)約能源消耗成本70余萬元。日常對水、電、蒸汽費用的消耗情況進行實時預警，有效地降低了各項成本費用的支出，合計降低557.75萬元。

7安科瑞重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)
  根據《重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設工作方案》的要求，重點用能單位接入端系統(tǒng)部署在重點用能單位內部，由重點用能單位負責建設。
  主要功能:通過計量儀表、工控系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數據，將數據上傳至省級平臺，或直接上傳至國家平臺；重點用能單位接入端系統(tǒng)要通過網閘、防火墻、隔離等措施，確保內部系統(tǒng)和數據；要具備遠程升級維保、一端多傳、接收國家和省級平臺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端設備
  企業(yè)接入端系統(tǒng)需要從生產過程控制系統(tǒng)中采集能耗相關數據，考慮到企業(yè)生產網絡與辦公網絡(互聯(lián)網) 之間并不互通的實際情況，企業(yè)接入端系統(tǒng)將通過具備2+1架構的物理隔離裝置--能耗在線監(jiān)測端設備，實現生產網絡和辦公網絡之間的物理連接，在數據傳遞過程中確保從生產網絡（內網）獲取的能耗數據以單向傳遞、隔離加密、文件擺渡的形式傳遞到辦公網絡(外網)，再通過外網主機側的CA數字認證證書進行身份認證識別后上傳至省(市）級平臺。結構如圖所示：

7.1.1端設備硬件參數

(1)單主板采用低功耗處理器；
(2)單主板內存大小4G；
(3)硬盤：64G 固態(tài)硬盤；
(4)獨立雙主機“2+1”架構非IP物理隔離；
(5)帶VGA接口，可外接顯示器，便于現場維護操作；
(6)雙冗余開關電源，互為備用、支持熱插拔，保障端設備的可靠性，具有電源故障聲光報警功能；
(7)8路RS485串口；
(8)4路千兆以太網；
(9)4個USB接口，可用于CA證書接口；

7.1.2端設備軟件功能
(1)支持從現場的儀表通過Modbus（GB/T19582）、DL/T645、CJ/T188等協(xié)議采集需要的能耗實時數據，并進行匯總生成上報的能耗數據；
(2)支持從能源網關、DTU、SCADA通過Modbus TCP（GB/T19582）、能耗協(xié)議等上傳的能耗實時數據，并進行匯總生成上報的能耗數據；
(3)支持從自動化信息系統(tǒng)通過OPC協(xié)議采集需要的能耗實時數據，并進行匯總生成上報的能耗數據；
(4)支持手工填報數據：對于不具備在線采集條件的數據，提供手工填報數據上傳；
(5)具有基礎數據處理、本地存儲功能，本地歷史數據可存儲6個月以上；
(6)可根據項目情況錄入企業(yè)基本信息、企業(yè)生產層級結構、計量器具檔案信息、端設備信息、數據采集項信息等各類基本信息；
(7)按照《NHJC-04-2018 重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范-端設備接口協(xié)議規(guī)范》的要求往國家或省級平臺上傳數據；
(8)支持斷線緩存，保證數據的連續(xù)性；
(9)端設備平臺方便用戶使用、配置；
(10)支持人工補錄、遠程升級；
(11)用能數據集抄；
(12)數據上傳日志。

7.2 ANet系列能源網關
 

  ANet系列能源網關，可將企業(yè)內分散的能源計量器具集中采集后上傳至端設備，滿足國家辦公、大型公共建筑、工業(yè)企業(yè)等能源管理系統(tǒng)中對于水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的能耗計量及分項數據采集需求，搭配簡單易用的數據配置軟件工具，可以快速配置所需采集數據及上傳數據等各項參數信息。

7.2.1能源網關硬件參數

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 實時數據轉發(fā)；
(3)分項計量 Xml 數據報文定時上傳；
(4)數據AES加密；
(5)斷點續(xù)傳；
(6)數據存儲；
(7)遠程配置及維護；

7.2.3相關報告及證書
(1)GB/T 17626.2-2018《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》4級。
(2)GB/T 17626.6-2017《電磁兼容試驗和測量技術射頻電磁場輻射抗擾度實驗》3級。
(3)GB/T 17626.4-2018《電磁兼容試驗和測量技術電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》4級。
(4)GB/T 17626.5-2019《電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》4級。
(5)GB 9254-2016《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》合格。

7.3設備選型

8結語
  該平臺的構建是利用信息技術推動節(jié)能降耗,是提升企業(yè)精細化管理水平的重要舉措，為企業(yè)準確把握和分析節(jié)能降耗發(fā)展趨勢,科學利用能源提供技術支撐，也為節(jié)能管理部門掌握、分析信息、研究節(jié)能改造和制定相關政策措施提供科學的依據。

【參考文獻】
[1]陳漢章，高宏濤，吳浩.大型煤炭企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用[J].煤炭技術，2019，38(11):159-163.
[2]馬勇,劉曉燕,姜灃恩.基于物聯(lián)網的能耗在線監(jiān)測平臺的構建與實施[J].山東煤炭科技,2021,39(02):173-175.
[3]安科瑞重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng).2020.10版

作者簡介：劉細鳳，女，本科，現就職于安科瑞電氣股份有限公司