基于物联网技术的能耗在线监测平台架构设计

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摘要：围绕工业生产等领域节能降耗的实际需求，提出了基于物联网的能源消耗在线监测平台的总体规划，为工业生产提供能源管理信息化管理和服务。政府、行业和企业；研发设计能耗监测终端支持多种工业总线和工业协议，实现电表、油表、水表、气表、燃气表、工控系统等能耗计量设备的能耗数据采集研发在线能耗监测平台，实现实时能耗监测、能效分析、计量仪表管理等功能；依托该平台，在淄博某化工企业进行了应用示范，有效地为该企业提高运营管理水平、加强能源管理提供了支撑。

关键词：物联网能耗实时监控

0 简介

能源是人类社会发展的物质基础，能源消费水平与环境、生态和全球气候变化密切相关。随着节能工作向系统化、精细化、信息化方向发展，在节能领域利用物联网、大数据等信息技术手段深挖深挖成为必然趋势节能潜力。为响应国家战略规划实施和工业企业等行业节能降耗的实际需要，国家有关部门联合印发了《推进和建设能耗在线监测系统工作方案》单位”。同时，水泥等行业开展了先进技术运行能耗监测和能源管理系统的研究和应用探索。通过对现有能耗在线监测系统的研究，企业级能耗监测系统是基础，关键是能耗监测终端功能和性能的实现；平台级能耗监测系统是支撑，关键是如何为企业、节能主管部门等部门提供信息化服务支持，实现更大程度的资源共享，构建可持续、标准化的服务体系。

基于此，本文提出了基于物联网的在线能耗监测平台的总体方案，并在企业级和平台级进行软硬件设计和开发。为行业节能降耗提供信息支持。

1 平台总体规划

基于物联网的能耗在线监测平台整体方案架构如图1所示。本方案从采集层、网络层、数据层、应用层分析实现能耗监测的技术和方案层等，为下一步开展具体的软硬件设计研发打下基础。

(1)采集层。采集层与物理层直接通信，主要是基于单位能耗采集端设备部署在企业侧实现能耗数据的采集，能源计量器具的识别与动力学管理。

目前能耗数据的采集主要基于三种方式：一是通过传感器、数据采集器等设备实现现场级数据采集，支持多种不同协议的电能计量传感器，并可同时测量电表、水表、气表等智能仪表进行数据采集；二是与PLC、DCS、OPC服务器等管理系统连接，实现控制级数据采集；三是通过人工上报收集一些无法通过网上采集获得的能耗数据。 为了减轻平台的数据处理压力，对采集到的数据进行拆分和清洗，将来自不同仪器、不同传输协议的数据转换成平台可以识别的标准协议数据。解析验证后，进行归一化处理。传送到平台。

图1平台整体方案架构

(2)网络层。网络层主要包括互联网、企业有线或无线网络、端系统存储数据库等。采集层的能耗数据采集完毕后，进行初步分析、验证和存储在网络层进行，随时准备上传数据层。网络层作为采集层和数据层之间的中间层，起到链接的作用。

(3)数据层。数据层主要对采集上传的数据进行进一步处理、存储等操作。根据各行业数据采集指南中的数据校验要求，访问数据为采集数据时进行验证，判断数据是否合法，信息是否匹配，是否有丢包，目的地址是否正确等。数据层数据是企业能源结构的汇总分析和直观展示，能源消费水平、能源消费趋势等多维度信息。

(4)应用层。应用层主要负责根据平台用户的类型，将数据层汇总分析的数据应用到现实生活中。根据不同的用户，相应的信息技术服务是例如：为节能监管部门提供相关数据报告，实时监测企业能耗，进一步细化落实节能任务，逐步形成系统化、信息化的能耗监管体系；为用能企业，为企业提供更优化的生产方案，提高能源利用效率，降低生产成本，减少能源浪费；为广大群众，及时提供更新的节能信息，推广节能科技产品，提高全社会的节能环保意识。

2 平台设计与开发

2.1 能耗采集终端设计

准确实时采集能耗数据是平台应用的基础。本方案中能耗采集终端主要实现能耗数据的实时采集。终端整体框图如图2所示。

终端包括控制模块、通信模块、存储单元、安全管理单元、电源模块、显示模块等。其中：

(1)控制模块。控制模块采用低功耗处理器，主要实现对通信模块、存储单元、安全管理单元、电源模块、显示模块的控制，确保终端的功能和实现，以及终端的控制。长期运行。

(2)通讯模块。通讯模块支持数据采集通讯，以及终端与平台之间的数据通讯。终端支持RS485总线和OPC等工业协议，实现与电表的通讯、油表、水表、气表。气表、气表等能耗计量设备的数据接口，实现数据采集。终端具有以太网接口，支持终端与平台的互联互通；在同时，平台通过以太网接口实现终端的远程监控和配置功能，包括：外网主机部分的上传地址、采集点信息的配置、计算公式等参数，以及如安装、卸载、升级等操作。

图2能耗监测终端功能框图

(3)存储单元。终端具有本地存储功能，上传的数据采用HTTPS协议加密。如果传输超时或失败，设备会重新发送数据，直到反馈信息成功以防止电源故障和网络异常。意外造成数据丢失。

(4)安全管理单元。设备采用“内网主机+外网主机+安全数据交换单元”的“独立双主机2+1”架构，其中安全数据交换单元为不同时连接内网和外网。为了隔离内网和外网，防止内部数据泄露和外部病毒木马程序入侵，保证数据传输安全。

(5)电源模块。电源模块支持交流电压220V±10%，双冗余热备电源输入。

(6)显示模块，支持7寸液晶触摸屏，方便显示监测数据和设置参数。

2.2平台软件设计开发

能耗在线监测平台是企业、节能安全监管部门等用户的窗口。软件主要功能模块包括：耗能单元子系统、政府子系统、公共服务子系统，基于B/S三层架构，asp. net技术开发与实现（图3).

图3平台功能框图

2.2.1政府监管子系统

政府监管子系统主要面向区/市/省相关政府部门，提供能耗监测、能效分析、节能管理、计量管理等功能。

(1)能耗监测。提供能耗单位能耗数据的统计分析功能，包括：各能源品种能耗强度、能耗构成和能耗指标的统计分析；基于GIS的企业和区域能耗分析，并形成图表等可视化表现形式，服务于各级政府节能部门的数据汇总、报表填报等信息化工作的需要。

(2)能效分析。提供从宏观监测、区域、行业、产品等角度对能效进行统计分析的功能，根据历史能效指标预测能效趋势。

(3)节能管理。提供总量和强度控制、节能业务管理、节能监测、节能标准法规、技术产品发布等功能；分配能源“双控”指标节能情况监测、分析、预测、预警；企业管理岗位及主要负责人备案；为节能企业和节能审计机构提供登记查询功能。

(4)计量管理。提供能耗单位计量器具设备汇总查询功能，对设备数量、设备配比、计量器具检定校准等进行汇总查询能源消耗单位。到期将标有警告。

2.2.2能耗单元管理子系统

能耗单位管理子系统主要为企业用户提供相关能耗数据、计量器具、政策法规等信息的维护和查询。

能耗监控。对能耗监测终端采集的煤、油、水、电、气、蒸汽等能耗数据进行实时监测和实现。

(2)能效分析。企业内部能耗数据、能耗分析和成本分析，主要包括大需求配置、大需求查询、峰谷用电分析、综合能源成本分析查询 支持企业与同行业其他企业对相应的节能指标进行对比分析和改进指导。

(3)能源报告。总结企业的电力损耗信息、能源消耗综合成本、单位产品能耗、班次单位产品能耗、单位能耗团队产品、峰谷用电量、能耗单位汇总、能耗成本单位汇总、能耗成本汇总、能耗对比等报表信息。

(4)能耗预警。统计每种报警类型的报警次数和报警时长，为企业进行能源管理决策提供参考。

(5)能源计量器具管理。记录和管理企业能源计量器具的使用、检验和计量，从而提高企业能源消耗监测的准确性和有效性。

(6)能源管理标准规范查询。方便企业和企业人员在线实时查询相关国家法律法规、政策文件、标准规范。

2.2.3 公共服务子系统

公共服务子系统主要为公众提供服务，具有发布相关政策法规、标准、新闻、节能技术产品等信息的功能。它是平台的门户窗口。情况提供支持。

3个应用案例

基于物联网的能耗在线监测平台总体方案已在山东省淄博市某化工企业进行实际应用。公司目前使用的主要能源类型包括：原煤、电力、天然气和蒸汽。其中，公司使用工业用水自产，部分电力接入互联网，蒸汽供应周边公司使用。部分能源数据已采集到企业自建的MES系统中。根据企业实际情况，结合相关政策要求，在平台总体规划的基础上，研究提出符合企业需求的在线能源监测方案，如图4所示。在边缘采集端，部署能耗监测终端，与企业MES系统对接，通过RJ45接口采集能耗数据。能耗在线监测平台。在云服务平台方面，主要以软件即服务模式为企业和节能安全监管部门提供信息技术服务。

(1)面向企业的云服务。企业登录在线能耗监测平台，进行企业能耗信息化管理，管理企业实时能耗、计量仪器等.，对企业历史能耗情况进行监测，分析能耗情况、能耗趋势等，形成企业能耗指标预警、节能预警、能源储备预警等各类预警信息。等，为企业提出安全生产和能源使用的具体改进措施提供数据支持。发现企业能源消耗过程中存在的问题，提出生产或能源改进措施使用。

图 4 应用企业部署架构

(2)为节能安全监管部门提供云服务，依托平台实现企业能耗信息汇总分析，为节能安全监管管理提供数据和平台支撑例如，监管部门可以通过分析企业的能源消耗数据，分析行业和企业的能源结构，为能源管理决策和规划提供支持。

4 安科瑞能耗单位能耗在线监测系统

4.1 系统概述

工业能耗在线监测系统是集/网络技术、GPRS无线传输技术、Web软件技术、数据库技术于一体的大型数据综合管理系统。系统为各级能耗管理人员、内部用户和观众提供了一个接入网络通道，构建了一个合理的、信息传递平台和管理平台。工业能耗在线监测系统的开发和应用，将政府管理部门、企业生产管理、计量管理和节能管理提升到了一个新的高度。 .

能量构成及监测内容：

图 5 能量构成

图6监控内容

用电量：采集采暖、锅炉、空调、制冷、照明、办公、电梯、水泵、风机、换气扇等用电设备的用电量信息。主要监控其功耗，针对大耗电设备监控其电流、电压、功率因数等信息。

配电类：采集6kv/10kv配电开关柜、变压器、状态信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能质量、电能等。

水：自来水和蒸汽；采集具有485通讯功能的智能热量表、蒸汽流量计、水表等；

用气：煤气、天然气；具有485通讯功能的燃气表；

环境参数：485通讯功能采集温度/湿度；供暖空调供回水温度；

4.2 系统框架

图 7 系统框架

(1)能耗管理系统：该系统可以定期进入和采集煤、电、油、气、热、水等能源和耗能工质。采集的能耗数据为分类存储，为汇总分析和报告提供数据支持。

(2)能源利用状况信息报告系统

通过该系统，用能企业可以向市节能监督中心提交当年的《能源利用状况报告》。初审后，上报省节能监察组审核，再上报国家有关部门。

(3)单位能耗等级识别与评价体系

利用能耗的单位能耗数据，分析评估企业的能耗状况，发现问题。为政府节能管理部门掌握和分析信息、研究节能改造、制定相关政策措施提供科学依据和平台。

(4)决策服务与专家咨询服务体系

系统提供直观、简洁、快速的数据信息查询和决策支持服务。对用能企业的能源消耗提供科学合理的咨询和指导，帮助用能企业及时、正确、可行、有效地提出解决方案。

(5)能源消耗预测、能源安全预警系统

通过系统全面掌握用能企业的能源采购、使用、消耗和生产情况，综合评价分析企业的能源消耗情况，比较同期值和限值，预警能耗超标。

在全面了解能源使用情况的基础上，进行数据挖掘和分析，实现能源消耗预测分析功能，为政府相关部门的宏观决策提供支撑系统。

(6)节能监测与信息发布、法律法规知识培训体系：

通过该系统平台，可以对节能企业进行全面的节能监管；发布节能法律、法规和标准，以及能源基础知识、能源统计知识、节能监测方法等；处理与日常节能管理、公告等相关的官方文件和通知。

4.3系统网络结构

系统将各企业能源监控中心的数据信息采集到后台的数据库系统中。经过分析处理后能耗管理平台，提供分析、预测和预警功能。同时，通过门户网站、无线终端等多种方式，为省市领导及有关委办局提供多方位、可视化的便捷服务。

图8 系统结构

4.4能耗监控系统产品选型

应用场景

型号

主要功能

高压重要电路

或低压进线柜

三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、零序电流In、四象限电能、电流电压不平衡、负载电流条形图显示、66种报警类型和外部事件（SOE）每条16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO，RS485/，LCD显示

低压接触柜、出线柜

AEM96

测量三相电参数U、I、P、Q、S、PF、F，正反向总有功电能统计，正反向无功电能统计； 2-31次谐波和总谐波含量分析，分相谐波和基波电参数（电压、电流、功率）；电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级，无功率电能精度等级2

电源柜

LCD显示，全电参数测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量； RS485/;可选多费率电能统计、需求统计； 4DI+2DO； RS485通讯接口、协议

测量三相电参数U、I、P、Q、S、PF、F，分相正向有功电能统计，正反向有功电能总量统计，正反向无功电能总量统计；红外线通讯；电流规格：3×1(6)A变压器接，3×10(80)A直接，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级

灯箱

测量三相电参数U、I、P、Q、S、PF、F，分相正向有功电能统计，正反向有功电能总量统计，正反向无功电能总量统计；红外线通讯；电流规格：3×1(6)A变压器接，3×10(80)A直接，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级

单相电参数U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能测量；红外和RS485通讯；电流规格：10（60）A，有功精度1级，无功精度2级；可选多速率

单相电参数U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能测量； RS485通讯；电流规格：10（60）A，有功电能精度1级，无功功率精度2级；尺寸：1P

供水管道

水表

测量流过供水管道的总水量，适合单向水流，采用电子直读技术，通过RS485总线直接输出表盘数据

天然气管道

煤气表

测量流过燃气管道的气体总量，具有阀门控制功能，采用电子直读技术，通过RS485总线直接输出表盘数据，测量精度高，无需外接电源。

中央供暖和制冷

冷热桌

测量并显示用户的制热能力和中央空调的制冷能力，由流量传感器、微处理器和成对的温度传感器组成。温度传感器在开路或短路时自动报警，在电压过低或受到攻击损坏时自动报警。表盘数据通过RS485总线直接输出，测量精度高。

5.结论

基于国家政策导向、行业节能需求、企业管理实践研究，提出了基于物联网的在线能耗监测平台总体方案。在总体规划的基础上，研究设计基于物联网和云计算的能耗监测终端、能耗在线监测平台等配套软硬件系统，实现实时动态采集、监测、分析，以及能耗数据的预警。 该平台解决方案和技术产品已在典型化工企业能耗管理中得到实际应用，满足企业提高运营管理水平和政府加强能源管理的需求，具有良好的推广应用前景。