淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線(xiàn)監測平臺構建與實(shí)施

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(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、數據庫實(shí)時(shí)技術(shù)，建立了能耗在線(xiàn)監測平臺，對能源介質(zhì)的生產(chǎn)、輸送和消耗及供能、用能設備狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監控和數字化管理，通過(guò)實(shí)施運行，實(shí)現了能源的科學(xué)調度，能損隱患及時(shí)排查，規避了用能浪費，具有較高的推廣應用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：能耗在線(xiàn)；物聯(lián)網(wǎng)；節能降耗；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)法對數據進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)預警、對標管理，只能事后控制，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)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(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)值分別達到2646萬(wàn)元、1681萬(wàn)元、32.84萬(wàn)元。按照國家能源戰略和《節約能源法》及國家發(fā)展改革委發(fā)布的《重點(diǎn)用能單位節能管理辦法》的要求，作為重點(diǎn)用能單位，必須加強節能管理，提高能源利用效率，控制能源消費總量，促進(jìn)生態(tài)文明建設。為達到上述目標，必須積極推進(jìn)能源在線(xiàn)系統平臺建設。

2構建能耗在線(xiàn)監測平臺的總體思路及技術(shù)
2.1總體思路
  該平臺利用目前比較先進(jìn)的lora技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。lora是一種基于擴頻技術(shù)的遠距離低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線(xiàn)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、遠距離，可以有效地抗擊干擾并實(shí)現加密。軟件開(kāi)發(fā)采用Java語(yǔ)言進(jìn)行設計，后臺數據庫采用Mysql存儲，整個(gè)系統采用B/S架構。該平臺利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結合自動(dòng)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(shí)際需要的能耗在線(xiàn)監測系統，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)現及主要架構
  整個(gè)系統平臺劃分為三個(gè)層級：第一層級為能效數據采集層，第二層級為網(wǎng)絡(luò )通信層，第三層級為中心管理層。能效數據采集層是對各種用能設備進(jìn)行能耗數據在線(xiàn)監測，包括對耗水、耗電、耗汽等信息參數進(jìn)行采集。網(wǎng)絡(luò )傳輸層是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信方式，將現場(chǎng)采集到的各類(lèi)參數數據傳送到數據采集服務(wù)器。中心管理層由路由器、數據庫服務(wù)器、數據采集服務(wù)器、WEB服務(wù)器等設備組成。系統通過(guò)對柴里煤礦的整體用能信息處理、分析和展現，可以動(dòng)態(tài)了解當前的能耗和生產(chǎn)情況，并客觀(guān)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(shí)的生產(chǎn)能源管理體系。

2.3系統軟件設計思想及技術(shù)
  根據能源管理系統實(shí)時(shí)性、分布式計算，以及與其他子系統互聯(lián)的要求，采用了開(kāi)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(zhì)，對計量數據統一采集、處理、管理，并預留擴展功能，實(shí)現了基于Internet的遠程維護和網(wǎng)上瀏覽功能，為礦井能源管理實(shí)現全面信息化提供一套先進(jìn)的、開(kāi)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(xiàn)監測平臺數據采集系統
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(wǎng)規范的國網(wǎng)表，精度為0.5s級。該類(lèi)型計量設備具有計量準確性高、數據格式符合國網(wǎng)規范等優(yōu)點(diǎn)。用水設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 )對生產(chǎn)生活造成停水、安裝方便快捷、計量準確等特點(diǎn)。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(huì )對原來(lái)表的使用造成影響。

3.2通訊與組網(wǎng)技術(shù)
  該通信系統基于Lora技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現各類(lèi)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(hù)設備、具備通信功能的用戶(hù)設備等組成，如圖1。
  系統采用了分時(shí)間片的組網(wǎng)方式，解決了無(wú)線(xiàn)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)方式是先由主機發(fā)起廣播時(shí)間，從機收到后，首先校對并同步本地時(shí)間，然后根據配置的編號進(jìn)行陸續上傳，從而實(shí)現多發(fā)一收的功能。這種組網(wǎng)方式收發(fā)數據節約大量時(shí)間，并且能夠防止同時(shí)收發(fā)造成的系統沖突。

圖1基于Lora的組網(wǎng)通信系統組成示意圖

圖2分時(shí)間片組網(wǎng)圖

4構建能耗在線(xiàn)監測平臺數據監測終端
4.1監測系統
  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(shù)的無(wú)線(xiàn)模塊來(lái)完成。該技術(shù)是一種低功耗局域網(wǎng)無(wú)限標準，改變了計量設備的有線(xiàn)數據傳輸方式，每一處采集點(diǎn)采集到的數據匯總到lora無(wú)線(xiàn)模塊，而后，此模塊以lora協(xié)議將數據傳輸至服務(wù)器端的無(wú)線(xiàn)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(gè)采集點(diǎn)放置的數據集中器，并且省去很多的485通訊線(xiàn)等輔材及潛在的施工工時(shí)，在保證數據穩定的情況下，數據質(zhì)量*達到了項目要求。該方案的實(shí)施，一是很大程度地降低了成本，由于本項目表計眾多，位置復雜，舊表走線(xiàn)復雜，安裝分散，無(wú)線(xiàn)模塊在不改變舊表通訊線(xiàn)走線(xiàn)的情況下直接將數據送至服務(wù)器，可以節約大量成本；二是縮短了施工時(shí)間，確保了該項目如期完成并通過(guò)上級主管部門(mén)驗收；三是很大程度地避免了重復施工問(wèn)題和很多潛在的施工安全隱患。

4.2通信設計
  本系統組網(wǎng)通信主要是有線(xiàn)485方式和無(wú)線(xiàn)Lora方式，通信方式為RTU，通訊協(xié)議為MODBUS，確?？梢詫?shí)現點(diǎn)對點(diǎn)通信和點(diǎn)（基站）對多（模塊）通信。

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

5.2軟件系統功能特點(diǎn)
5.2.1能耗在線(xiàn)監測系統功能
  通過(guò)采集安裝在現場(chǎng)的各種智能表計、DCS/ERP等系統提供的能耗數據、生產(chǎn)過(guò)程數據、設備狀態(tài)數據、質(zhì)量數據等，上送至系統主站中，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(shí)時(shí)監測功能
  可根據實(shí)際配電系統組態(tài)模擬高壓系統圖、低壓線(xiàn)路圖，對高壓、低壓回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，監測電度、電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因素等參數。

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

5.2.4能耗報警管理功能
  通過(guò)能耗分析系統智能感知，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(guān)責任人。

5.2.5報表打印功能
  該系統不單能夠實(shí)現標準模板的打印，同時(shí)可以實(shí)現自定義數據功能?？蛻?hù)可以對各類(lèi)報表進(jìn)行自定義管理、顯示，并能夠實(shí)現全圖形、全漢化的顯示和打印功能，人機界面較好。系統采用交互式、多窗口技術(shù)，可以方便快捷進(jìn)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(shí)施效果
  能耗在線(xiàn)監測平臺在柴里煤礦實(shí)現自動(dòng)化操作以來(lái)，不僅減少人工投入，還大大提高數據的時(shí)效性和準確性，據測算，每年可節省電、汽、水抄錄、匯總等人工費用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，能源消費量5404tce，較去年同期（6380tce）下降976tce，初步測算節能效率達15%，節約能源消耗成本70余萬(wàn)元。日常對水、電、蒸汽費用的消耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)預警，有效地降低了各項成本費用的支出，合計降低557.75萬(wàn)元。

7安科瑞重點(diǎn)用能單位能耗在線(xiàn)監測系統
  根據《重點(diǎn)用能單位能耗在線(xiàn)監測系統推廣建設工作方案》的要求，重點(diǎn)用能單位接入端系統部署在重點(diǎn)用能單位內部，由重點(diǎn)用能單位負責建設。
  主要功能:通過(guò)計量?jì)x表、工控系統等采集、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(diǎn)用能單位接入端系統要通過(guò)網(wǎng)閘、防火墻、隔離等安全措施，確保內部系統安全和數據安全；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)接入端系統提供完整解決方案：

7.1端設備
  企業(yè)接入端系統需要從生產(chǎn)過(guò)程控制系統中采集能耗相關(guān)數據，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)接入端系統將通過(guò)具備2+1架構的物理隔離裝置--能耗在線(xiàn)監測端設備，實(shí)現生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )和辦公網(wǎng)絡(luò )之間的物理連接，在數據傳遞過(guò)程中確保從生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )（內網(wǎng)）獲取的能耗數據以單向傳遞、隔離加密、文件擺渡的形式安全傳遞到辦公網(wǎng)絡(luò )(外網(wǎng))，再通過(guò)外網(wǎng)主機側的CA數字認證證書(shū)進(jìn)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(pán)：64G 固態(tài)硬盤(pán)；
(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(chǎng)維護操作；
(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(wǎng)；
(9)4個(gè)USB接口，可用于CA證書(shū)接口；

7.1.2端設備軟件功能
(1)支持從現場(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)數據，并進(jìn)行匯總生成上報的能耗數據；
(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)數據，并進(jìn)行匯總生成上報的能耗數據；
(3)支持從自動(dòng)化信息系統通過(guò)OPC協(xié)議采集需要的能耗實(shí)時(shí)數據，并進(jìn)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(xiàn)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(gè)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(chǎn)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(lèi)基本信息；
(7)按照《NHJC-04-2018 重點(diǎn)用能單位能耗在線(xiàn)監測系統技術(shù)規范-端設備接口協(xié)議規范》的要求往國家或省級平臺上傳數據；
(8)支持斷線(xiàn)緩存，保證數據的連續性；
(9)端設備平臺方便用戶(hù)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(wǎng)關(guān)
 

  ANet系列能源網(wǎng)關(guān)，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(mǎn)足國家辦公機關(guān)、大型公共建筑、工業(yè)企業(yè)等能源管理系統中對于水、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(jiǎn)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中心等各項參數信息。

7.2.1能源網(wǎng)關(guān)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(shí)時(shí)數據轉發(fā)；
(3)分項計量 Xml 數據報文定時(shí)上傳；
(4)數據AES加密；
(5)斷點(diǎn)續傳；
(6)數據存儲；
(7)遠程配置及維護；

7.2.3相關(guān)報告及證書(shū)
(1)GB/T 17626.2-2018《電磁兼容試驗和測量技術(shù)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(shù)射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度實(shí)驗》3級。
(3)GB/T 17626.4-2018《電磁兼容試驗和測量技術(shù)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(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》4級。
(5)GB 9254-2016《信息技術(shù)設備的無(wú)線(xiàn)電騷擾限值和測量方法》合格。

7.3設備選型

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

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