淺析無線物聯網的能耗在線監測平臺研究與應用

淺析無線物聯網的能耗在線監測平臺研究與應用

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：圍繞工業生產等領域節能降耗實際需求，提出基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案，面向政府、行業、企業提供能耗管理信息化管理與服務; 研究設計能耗監測終端，支持多種工業總線及工業協議，實現電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設備以及工業控制系統的能耗數據采集; 研發能耗在線監測平臺，實現能耗實時監控、能效分析、計量器具管理等功能; 以平臺為依托，在淄博某化工企業開展了應用示范，切實為企業提高運行管理水平、強化能源管理提供支撐。

關鍵詞:物聯網 能耗 實時監測

0引言

能源是人類社會發展的物質基礎，能源消耗水平與環境、生態和全球氣候變化等息息相關。隨著節能工作向系統化、精細化、信息化方向發展，節能領域運用物聯網、大數據等信息技術手段深挖、細挖節能潛力成為必然趨勢。針對先進技術開展了能耗監測和能源管理系統的研究、應用的探索。通過對已有能耗在線監測系統的研究，企業級能耗監測系統是基礎，其關鍵是能耗監測終端的功能和性能實現; 平臺級能耗監測系統是支撐，其關鍵是如何為企業、節能主管部門等提供信息服務的支撐，實現資源共享和可持續、標準化的服務體系建設。

基于此，本文提出基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案，并針對企業級、平臺級的軟硬件進行設計、研發，并在化工企業能耗管理方面進行了實踐應用，探索我國行業節能降耗的信息化支撐。

1平臺總體方案

基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案架構，該方案從采集層、網絡層、數據層、應用層等層面，對實現能耗監測的技術和方案進行分析，為下步開展具體的軟硬件設計和研發打下基礎。

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

目前，能耗數據的采集主要基于三種方式實現:一是通過傳感器、數據采集器等設備實現現場級數據采集，支持多種不同協議的能源計量傳感器，可同時對電表、水表、燃氣表等多種智能儀表進行數據采集; 二是通過與 PLC、DCS、OPC 服務器等管理系統對接實現控制級數據采集; 三是部分無法通過在線采集方式獲取的能耗數據，通過手工填報方式采集。為減少平臺端數據處理的壓力，采集的數據經拆分、清洗，將來自不同儀表、不同傳輸協議的數據轉換成平臺可以識別的標準協議數據，經過解析和校驗，進行歸一化處理，傳輸至平臺端。

(2) 網絡層。網絡層主要包括互聯網、企業有線或無線網絡、端系統存儲數據庫等。采集層的能源消耗數據采集以后，在網絡層進行初步解析、校驗和存儲，并隨時準備上傳數據層。網絡層作為采集層和數據層的中間層，起到承上啟下的作用。

(3) 數據層。數據層主要實現對采集上傳數據的進一步處理、存儲等操作。依據各行業數據采集指南中數據驗證要求，采集數據時對接入數據進行驗證，判斷其數據是否合法、信息是否匹配、是否有丟包漏包、目的地址是否正確等。數據層數據是對企業能源結構、能耗水平、能耗趨勢等信息從多個維度進行匯總分析以及可視化展示的基礎。

(4) 應用層。應用層主要負責將數據層匯總分析的數據按照平臺用戶類型應用到實際生活中。針對不同的用戶，提供相應的信息技術服務。如: 面向節能監管部門，提供相關數據報表，實時監測企業能耗情況，進一步細化和落實節能任務，逐步形成系統化、信息化的能源消耗監管體系; 面向用能企業，提供更優化的生產方案，為企業提高能源利用效率、降低生產成本、減少能源浪費提供支撐; 面向社會大眾，及時提供新的節能信息，推廣節能技術產品，提高全社會節能環保意識。

2平臺設計與研發

2．1 能耗采集終端設計

能耗數據的準確、實時采集是平臺運用的基礎。在該方案中，能耗采集終端主要實現能耗數據的實時采集。終端整體結構框圖。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?？刂颇K采用低功耗處理器，主要實現對通訊模塊、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，以及終端的長時間運行。

(2) 通訊模塊。通訊模塊支持數據采集通訊、以及終端與平臺間的數據通訊。終端支持 ＲS485總線以及 MODBUS、OPC 等工業協議，實現與電表、油表、水表、氣表、煤氣表等能耗計量設備的數據接口，實現數據的采集。終端具備以太網接口，支持終端與平臺間的互聯互通; 同時平臺通過該以太網接口，實現對終端的遠程監控和配置功能，包括: 外網主機部分的上傳地址、采集點信息、計算公式等參數的配置以及安裝、卸載、升級等操作。

(3) 存儲單元。終端具備本地存儲功能，上傳數據經過 HTTPS 協議加密，如果傳輸超時或失敗，設備將重發數據，直到接收成功反饋消息，防止因為斷電、網絡異常等意外事故導致的數據丟失。

(4) 安全管理單元。設備采用“內網主機+外網主機+安全數據交換單元”的“獨立雙主機 2+1”架構，其中，安全數據交換單元不同時與內外網主機連接，以此將內網與外網隔離，防止企業內部數據泄露和外部病毒木馬程序入侵，保證數據傳輸安全。

(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，方便顯示監控數據以及設置參數等操作。

2．2 平臺軟件設計與研發

能耗在線監測平臺是面向企業、節能安全監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、政府子系統、公眾服務子系統，基于 B /S 三層架構、asp．net 技術開發實現。

2．2．1 政府監管子系統

政府部門，提供能耗監測、能效分析、節能管理、計量管理等功能。

(1) 能耗監測。提供對用能單位的能耗數據的統計分析功能，包括: 能源消費強度、能源消費構成及各能源品種消費量指標統計分析; 基于 GIS的企業和區域能耗分析，并形成圖表等可視化表示形式;服務政府各級節能部門的數據匯總，報表填報等信息化工作需求。

(2) 能效分析。提供從宏觀監測、地區、行業及產品的角度進行能效的統計分析功能，基于歷史能效指標狀況預測能效趨勢。

(3) 節能管理。提供總量及強度控制、節能業務管理、節能監察、節能標準法規與技術產品發布等功能; 對能源“雙控”指標進行分配并對節能形勢進行分析和預測預警; 對企業管理崗位、主要負責人進行備案; 提供節能公司和節能審核機構的注冊與查詢功能。

(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、配備率、檢定校準情況進行匯總查詢，對即將到期或已到期的進行標注預警。

2．2．2 用能單位管理子系統

用能單位管理子系統主要為企業用戶提供相關能耗數據、計量器具、政策法規等信息的維護查詢。

(1) 能耗監測。對能耗監測終端采集的煤、油、水、電、氣、汽等實時能耗數據進行監測，實現。

(2) 能效分析。企業內部能耗數據，進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，并支持企業與同行業其他企業進行相應節能指標的對比分析和改進指導。

(3) 能源報表。匯總企業的電力損耗信息、能耗綜合成本、單位產品能耗、班次單位產品能耗、班組單位產品能耗、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) 能耗預警。統計各報警類型的報警次數和報警時長，為企業開展能耗管理決策提供參考。

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

(6) 能源管理標準規范查詢。方便企業及企業人員實時在線查詢國家有關法律法規、政策文件、標準規范等資料。

2．2．3 公眾服務子系統

公眾服務子系統主要面向社會公眾提供服務，具備發布相關的政策法規、標準規范、新聞動態、節能技術產品等信息的功能，是平臺的門戶窗口，為實現節能降耗的多元共治局面提供支撐。

3 應用案例

基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案目前已在山東省淄博市某化工企業進行了實際應用。該企業目前主要使用的能源類型包括: 原煤、電、天然氣、蒸汽，其中: 企業利用工業水進行自發電，部分電力上網，同時有外供蒸汽給周邊企業使用。部分能源數據已經采集到企業自建的 MES 系統中。根據企業實際情況，結合有關政策要求，在平臺總體方案的基礎上，研究提出了符合企業需求的能源在線監測方案。在邊緣采集側，部署能耗監測終端，與企業的 MES 系統進行對接，通過ＲJ45 接口實現能耗數據的采集，同時終端通過有線網絡/4G/無線局域網等數據通訊模式將能耗數據定時發送到能耗在線監測平臺。在云服務平臺側，主要面向企業、節能安全監管部門，以軟件即服務的模式開展信息技術服務。

(1) 面向企業的云服務。企業登錄能耗在線監測平臺，開展企業能耗信息化管理，對本企業實時能耗情況、計量器具情況等進行管理，對企業歷史能耗情況、能耗趨勢等進行分析，形成各類預警信息，如企業能耗指標預警、節能量預警、能源儲備預警等，并為企業提出安全生產和能源使用的具體改進措施提供數據支撐。如: 針對企業各類能耗比例進行同比或環比分析，結合企業生產情況進行分析，發現企業能耗過程中的問題，提出生產或能源使用的改進措施。

(2) 面向節能安全監管部門的云服務。依托平臺實現企業能耗信息的匯聚和分析，為節能安全監管部門開展管理提供數據化和平臺化支撐。如: 監管部門可通過分析企業的能耗數據，分析行業和企業能源結構，為能源管理決策和規劃提供支撐。

4 Acrel-EIOT能源物聯網云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯網開放平臺是一套基于物聯網數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯網傳感器，選配網關，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業數據服務。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、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、多終端數據訪問。

（2）應用場所

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

（3）平臺結構

（4）平臺功能

◆電力集抄

電力集抄模塊可以實現對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環境友好。在智能化方面實現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設備運行（包括歷史和實時參數，并根據實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

◆能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現從能源數據采集、過程監控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產以及使用的全過程有機結合起來，運用先進的數據處理與分析技術，進行離線生產分析與管理，實現全廠能源系統的統一調度，優化能源介質平衡、有效利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

◆預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權限分配，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進行配置；

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

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

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

預付費看板

◆充電樁管理

通過物聯網技術，對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。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、財務管理、變壓器監控、運營分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

◆智能照明

智能照明通過物聯網技術對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態進行不間斷地數據監測，也可以實現定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節能減掛的效果。

監控頁面

◆安全用電

安全用電采用自主研發的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員，指導企業實現及時的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現“防患于未然”的目的。

◆智慧消防

通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。填補了原先針對“九小場所”和?；飞a企業無法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統化”、用電管理“精細化”的實際需求。

（5）系統硬件配置

分類	產品型號	外觀	產品功能
無線測溫	ARTM-Pn		可監測電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、電能，可接收60個無線溫度傳感器溫度
ATC600		ATC600有2種工作模式：終端(-C)、中繼(-Z)，可根據項目布局選擇配置?？山邮?40個無線溫度傳感器溫度
光伏監控	AGF		光伏電池串開路報警，可以配合組串電壓進行綜合判斷；帶3路開關量狀態監測，用于采集直流斷路器、防雷器等輸出空接點狀態；一次電流采用穿孔方式接入，安裝方便；測量元件采用霍爾傳感器，隔離測量電流20A；電壓測量功能可測量母線電壓DC 1500V
電力監控	AEM96		三相電力參數測量、電壓和電流的相角、四象限電能計量、復費率、需量、歷史電能統計、開關量事件記錄、歷史值記錄、31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）、開關量、報警輸出
APM系列		全電量測量，四象限電能，復費率電能，儀表內部溫度測量，總有功、總無功、總視在電能脈沖輸出、秒脈沖等可選。三相電流、有功功率、無功功率、視在功率實時需量及需量(包含時間戳)。電流、線電壓、相電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、電流總諧波、電壓總諧波的本月值和上月值(包含時間戳)。中文顯示，有功電能0.2s級。
預付費	DDSY		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。有功電能計量（正、反向），A、B、C分相正向有功電能，支持4個時區、2個時段表、14個日時段、4個費率需量及發生時間，實時需量，歷史凍結數據購電記錄；8位段式LCD顯示、背光顯示；有功電能脈沖輸出；有功電能精度1級，無功電能0.5s級。
DTSY		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。有功電能計量（正、反向），A、B、C分相正向有功電能，支持4個時區、2個時段表、14個日時段、4個費率需量及發生時間，實時需量，歷史凍結數據購電記錄；8位段式LCD顯示、背光顯示；有功電能脈沖輸出；有功電能精度1級，無功電能0.5s級。
智能抄表	ADL200		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量?？傠娔苡嬃浚ǚ聪蛴嬋胝颍?，3個月歷史電能數據凍結存儲；8位段式LCD顯示；有功電能脈沖輸出；有功電能精度1級，無功電能2級。
ADL400		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。（正、反向）有功、無功電能計量；A、B、C 分相正向有功電能計量；2-31次諧波電壓電流；12位段式LCD顯示、背光顯示，電能精度0.5s級。
ADW210		4路三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量；電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量；電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量；當月及上三月的電壓、電流、功率值記錄；需量及上十二月歷史需量記錄；事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄；支持12路開關量輸入4路開關量輸出；支持12路測溫4路剩余電流測量；有功電能精度1級。
ADW300		三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量；電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量；電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量；當月及上三月的電壓、電流、功率值記錄；需量及上十二月歷史需量記錄；事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄；支持4路開關量輸入、2路開關量輸出；支持4路測溫；支持1路剩余電流測量；支持本地顯示及按鍵設置；有功電能精度1級。 通訊方式：支持RS485通訊、Lora無線通訊、4G通訊；WIFI通訊
直流電能表	DJSF1352		1.精度：1級或0.5級，帶±12V電壓輸出用于霍爾傳感器供電 2.測量：電壓、電流、功率、正反向電能，支持雙路計量。
電氣	ARCM300-Z		三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、 Hz、cosΦ），視在電能、四象限 電能計量，單回路剩余電流監測， 4 路溫度監測，2 路繼電器輸出，2 路開關量輸入，支持斷電報警上傳
AAFD-DU		監測故障電弧、漏電、溫度 兩路無源干接點（開關量）輸入 兩路無源常開觸點（開關量）輸出
充電樁	ACX系列		充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電，
AEV_AC007		額定功率7kW,單相三線制，防護等級IP65,具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用。 通訊方式：4G、藍牙、Wifi
智慧照明	ASL200		遙控輸出 兩路無源干接點（開關量）輸入 兩路無源常開觸點（開關量）輸出

5結語

基于物聯網的能耗在線監測平臺總體方案基于政府強化能源管理等各方需求，具有較好的推廣應用前景。

參考文獻

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審核編輯 黃宇