浅谈基于物联网的能耗在线监测平台构建与实施

王蒙蒙
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定  201801

摘要：为加强能耗管理，改变人工抄表的现状，柴里煤矿利用信息化技术、网络技术、数据库实时技术，建立了能耗在线监测平台，对能源介质的生产、输送和消耗及供能、用能设备状态进行动态监控和数字化管理，通过实施运行，实现了能源的科学调度，能损隐患及时排查，规避了用能浪费，具有较高的推广应用价值。

关键词：能耗在线；物联网；节能降耗；智慧矿山

1引言
  目前柴里煤矿能耗管理仍然依靠较为传统的人工操作方式，这种方式不仅速度慢，而且极易产生误差，同时无法对数据进行动态分析、动态预警、对标管理，只能事后控制，已经无法满足该矿自身对能耗管理的需要。
柴里煤矿年综合能源消费量16000t标准煤，属于国家重点用能单位，耗电4725万kWh，耗蒸汽293478万t，耗水21.89万t，年折合价值分别达到2646万元、1681万元、32.84万元。按照国家能源战略和《节约能源法》及国家发展改革委发布的《重点用能单位节能管理办法》的要求，作为重点用能单位，必须加强节能管理，提高能源利用效率，控制能源消费总量，促进生态文明建设。为达到上述目标，必须积极推进能源在线系统平台建设。

2构建能耗在线监测平台的总体思路及技术
2.1总体思路
  该平台利用目前比较先进的lora技术进行组网。lora是一种基于扩频技术的远距离低功耗广域网无线传输方式，属于物联网通信技术之一，它的特点就是低功耗、远距离，可以有效地抗击干扰并实现加密。软件开发采用Java语言进行设计，后台数据库采用Mysql存储，整个系统采用B/S架构。该平台利用物联网技术，结合自动采集、信息化管理、数据分析等现代化手段，构建适应柴里煤矿实际需要的能耗在线监测系统，并组织实施，从而逐步提升柴里煤矿能耗管理水平。

2.2流程实现及主要架构
  整个系统平台划分为三个层级：层级为能效数据采集层，层级为网络通信层，层级为中心管理层。能效数据采集层是对各种用能设备进行能耗数据在线监测，包括对耗水、耗电、耗汽等信息参数进行采集。网络传输层是通过网络通信方式，将现场采集到的各类参数数据传送到数据采集服务器。中心管理层由路由器、数据库服务器、数据采集服务器、WEB服务器等设备组成。系统通过对柴里煤矿的整体用能信息处理、分析和展现，可以动态了解当前的能耗和生产情况，并客观地做出更好的能源管理决策、管理和调度，建立一种高效落实的生产能源管理体系。

2.3系统软件设计思想及技术
  根据能源管理系统实时性、分布式计算，以及与其他子系统互联的要求，采用了开放分布式的设计思想，采用国际标准IEC61970CIM/CIS，面向柴里煤矿电、水、蒸汽等能源介质，对计量数据统一采集、处理、管理，并预留扩展功能，实现了基于Internet的远程维护和网上浏览功能，为矿井能源管理实现全面信息化提供一套先进的、开放的、可扩展的、可靠的管理平台，并在此平台上支持对矿井各种能源数据的高级分析应用。

3构建能耗在线监测平台数据采集系统
3.1硬件设施
  按照用能单位能源计量器具配备和管理要求，该平台的电气计量设施设备全部采用国网规范的国网表，精度为0.5s级。该类型计量设备具有计量准确性高、数据格式符合国网规范等优点。用水设施采用外夹式超声波水表，该类型水表具有不需要切割原来的管道、不会对生产生活造成停水、安装方便快捷、计量准确等特点。蒸汽数据采用隔离器将三路输入信号一分为二，新增二次表计的方式，该方式不会对原来表的使用造成影响。

3.2通讯与组网技术
  该通信系统基于Lora技术进行组网，实现各类参数与命令的下达、数据的采集及上传，主要由通信基站、计算机终端、集成通信模块的用户设备、具备通信功能的用户设备等组成，如图1。
  系统采用了分时间片的组网方式，解决了无线串口收发模块可以一发多收，不能同时多发一收的障碍。
  如图2，这种组网方式是先由主机发起广播时间，从机收到后，首先校对并同步本地时间，然后根据配置的编号进行陆续上传，从而实现多发一收的功能。这种组网方式收发数据节约大量时间，并且能够防止同时收发造成的系统冲突。

图1基于Lora的组网通信系统组成示意图

图2分时间片组网图

4构建能耗在线监测平台数据监测终端
4.1监测系统
  所有电、水、蒸汽等计量设备的数据传输采用全新的基于Lora技术的无线模块来完成。该技术是一种低功耗局域网无限标准，改变了计量设备的有线数据传输方式，每一处采集点采集到的数据汇总到lora无线模块，而后，此模块以lora协议将数据传输至服务器端的无线接收模块，接收模块再将数据送至数据集中器。该设备替代了本该在每个采集点放置的数据集中器，并且省去很多的485通讯线等辅材及潜在的施工工时，在保证数据稳定的情况下，数据质量完全达到了项目要求。该方案的实施，一是很大程度地降低了成本，由于本项目表计众多，位置复杂，旧表走线复杂，安装分散，无线模块在不改变旧表通讯线走线的情况下直接将数据送至服务器，可以节约大量成本；二是缩短了施工时间，确保了该项目如期完成并通过上级主管部门验收；三是很大程度地避免了重复施工问题和很多潜在的施工安全隐患。

4.2通信设计
  本系统组网通信主要是有线485方式和无线Lora方式，通信方式为RTU，通讯协议为MODBUS，确保可以实现点对点通信和点（基站）对多（模块）通信。

5构建能耗在线监测平台信息管理系统
5.1软件功能设计
  能源在线监测系统平台总体架构遵循SOA设计理念，采用多层分布式体系架构，在具体实现技术的选择上，针对本项目的功能需求，系统采用C++和JAVA混合的技术路线。其中系统的采集计算平台主要面向采集设备，对于系统的性能、实时性、稳定性和可靠性要求较高，采用C++技术实现；系统中的数据应用主要面向操作人员实现管理分析功能，对于系统的易用性、易维护性和功能的可扩展性要求较高，采用JavaEE技术实现。

5.2软件系统功能特点
5.2.1能耗在线监测系统功能
  通过采集安装在现场的各种智能表计、DCS/ERP等系统提供的能耗数据、生产过程数据、设备状态数据、质量数据等，上送至系统主站中，包含电、水、汽、热等能源数据的采集和手工补录、集中器电表等设备的运行状态、越限告警、异常告警等。

5.2.2实时监测功能
  可根据实际配电系统组态模拟高压系统图、低压线路图，对高压、低压回路进行实时监控，监测电度、电流、电压、有功功率、无功功率、功率因素等参数。

5.2.3能源数据的分析功能
  通过对不同对象的数据及趋势曲线分析，有助于管理者了解各个能源系统的工作状态，并迅速做出决策。

5.2.4能耗报警管理功能
  通过能耗分析系统智能感知，将能耗异常（用能定额超标、待机能耗、夜间常流水等）通知相关责任人。

5.2.5报表打印功能
  该系统不单能够实现标准模板的打印，同时可以实现自定义数据功能。客户可以对各类报表进行自定义管理、显示，并能够实现全图形、全汉化的显示和打印功能，人机界面较好。系统采用交互式、多窗口技术，可以方便快捷进行窗口调用。

5.2.6后台管理功能
  包含档案维护、权限管理、设备管理等功能。

6实施效果
  能耗在线监测平台在柴里煤矿实现自动化操作以来，不仅减少人工投入，还大大提高数据的时效性和准确性，据测算，每年可节省电、汽、水抄录、汇总等人工费用90余万元。2020年综合能耗6.02kgce/t，较去年同期（8.50kgce/t）下降2.48kgce/t，能源消费量5404tce，较去年同期（6380tce）下降976tce，初步测算节能效率达15%，节约能源消耗成本70余万元。日常对水、电、蒸汽费用的消耗情况进行实时预警，有效地降低了各项成本费用的支出，合计降低557.75万元。

7安科瑞重点用能单位能耗在线监测系统
  根据《重点用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方案》的要求，重点用能单位接入端系统部署在重点用能单位内部，由重点用能单位负责建设。
  主要功能:通过计量仪表、工控系统等采集、汇总本单位能耗数据，将数据上传至省级平台，或直接上传至国家平台；重点用能单位接入端系统要通过网闸、防火墙、隔离等安全措施，确保内部系统安全和数据安全；要具备远程升级维保、一端多传、接收国家和省级平台推送信息和用能单位自身能源管理所需的功能。
  安科瑞可为企业接入端系统提供完整解决方案：

7.1端设备
  企业接入端系统需要从生产过程控制系统中采集能耗相关数据，考虑到企业生产网络与办公网络(互联网) 之间并不互通的实际情况，企业接入端系统将通过具备2+1架构的物理隔离装置--能耗在线监测端设备，实现生产网络和办公网络之间的物理连接，在数据传递过程中确保从生产网络（内网）获取的能耗数据以单向传递、隔离加密、文件摆渡的形式安全传递到办公网络(外网)，再通过外网主机侧的CA数字认证证书进行身份认证识别后上传至省(市）级平台。结构如图所示：

7.1.1端设备硬件参数

(1)单主板采用低功耗处理器；
(2)单主板内存大小4G；
(3)硬盘：64G 固态硬盘；
(4)独立双主机“2+1”架构非IP物理隔离；
(5)带VGA接口，可外接显示器，便于现场维护操作；
(6)双冗余开关电源，互为备用、支持热插拔，保障端设备的可靠性，具有电源故障声光报警功能；
(7)8路RS485串口；
(8)4路千兆以太网；
(9)4个USB接口，可用于CA证书接口；

7.1.2端设备软件功能
(1)支持从现场的仪表通过Modbus（GB/T19582）、DL/T645、CJ/T188等协议采集需要的能耗实时数据，并进行汇总生成上报的能耗数据；
(2)支持从能源网关、DTU、SCADA通过Modbus TCP（GB/T19582）、能耗协议等上传的能耗实时数据，并进行汇总生成上报的能耗数据；
(3)支持从自动化信息系统通过OPC协议采集需要的能耗实时数据，并进行汇总生成上报的能耗数据；
(4)支持手工填报数据：对于不具备在线采集条件的数据，提供手工填报数据上传；
(5)具有基础数据处理、本地存储功能，本地历史数据可存储6个月以上；
(6)可根据项目情况录入企业基本信息、企业生产层级结构、计量器具档案信息、端设备信息、数据采集项信息等各类基本信息；
(7)按照《NHJC-04-2018 重点用能单位能耗在线监测系统技术规范-端设备接口协议规范》的要求往国家或省级平台上传数据；
(8)支持断线缓存，保证数据的连续性；
(9)端设备平台方便用户使用、配置；
(10)支持人工补录、远程升级；
(11)用能数据集抄；
(12)数据上传日志。

7.2 ANet系列能源网关
 

  ANet系列能源网关，可将企业内分散的能源计量器具集中采集后上传至端设备，满足国家办公机关、大型公共建筑、工业企业等能源管理系统中对于水、电、气、油、冷量、热量等各种形式的能耗计量及分项数据采集需求，搭配简单易用的数据配置软件工具，可以快速配置所需采集数据及上传数据中心等各项参数信息。

7.2.1能源网关硬件参数

7.2.2软件功能
(1)支持多种仪表协议：支持 DL/T645 、GB/T 19582-200（Modbus）、 CJ/T 188-2004 等；
(2)Modbus TCP 实时数据转发；
(3)分项计量 Xml 数据报文定时上传；
(4)数据AES加密；
(5)断点续传；
(6)数据存储；
(7)远程配置及维护；

7.2.3相关报告及证书
(1)GB/T 17626.2-2018《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》4级。
(2)GB/T 17626.6-2017《电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度实验》3级。
(3)GB/T 17626.4-2018《电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》4级。
(4)GB/T 17626.5-2019《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验》4级。
(5)GB 9254-2016《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》合格。

7.3设备选型

8结语
  该平台的构建是利用信息技术推动节能降耗,是提升企业精细化管理水平的重要举措，为企业准确把握和分析节能降耗发展趋势,科学利用能源提供技术支撑，也为政府节能管理部门掌握、分析信息、研究节能改造和制定相关政策措施提供科学的依据。

【参考文献】
[1]陈汉章，高宏涛，吴浩.大型煤炭企业能耗监测系统设计与应用[J].煤炭技术，2019，38(11):159-163.
[2]马勇,刘晓燕,姜沣恩.基于物联网的能耗在线监测平台的构建与实施[J].山东煤炭科技,2021,39(02):173-175.
[3]安科瑞重点用能单位能耗在线监测系统.2020.10版.
作者简介：王蒙蒙，女，本科，现就职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为重点用能单位能耗在线监测。