淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺研究與應(yīng)用

安科瑞 陳聰

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺已成為各企業(yè)節(jié)能降耗和能源管理的重要手段。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新興技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸普及。物聯(lián)網(wǎng)能耗在線監(jiān)測平臺對企業(yè)的用電、用水、能耗等多個環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題，提高用能效率。本平臺實現(xiàn)了能耗在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，在幫助企業(yè)掌握用能狀況、優(yōu)化能源利用效率和合理安排生產(chǎn)計劃等方面發(fā)揮了重要作用。文章從平臺總體方案入手，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺應(yīng)用策略，以供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；能耗在線監(jiān)測平臺；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)分析

0 引言

隨著節(jié)能減排政策的大力實施，以及傳統(tǒng)行業(yè)的逐步轉(zhuǎn)型升級，各大企業(yè)對能耗的關(guān)注度也在逐漸提升，許多企業(yè)都投入大量的資金用于能源管理體系建設(shè)和節(jié)能改造，但大多數(shù)企業(yè)的能耗管理模式依舊停留在傳統(tǒng)的人工抄表、人工統(tǒng)計和報表匯總階段，缺少實時數(shù)據(jù)采集和分析、監(jiān)測等功能，無法準(zhǔn)確掌握企業(yè)能耗數(shù)據(jù)情況。而將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)中，可以將整個企業(yè)生產(chǎn)過程中的能源消耗情況進行實時采集、分析和監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)信息傳遞給上層管理部門，從而為企業(yè)節(jié)能降耗提供有效依據(jù)，提高企業(yè)綜合經(jīng)濟效益。

1 平臺總體方案

系統(tǒng)采用多層架構(gòu)，分為采集層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。能耗在線監(jiān)測平臺對系統(tǒng)進行總體設(shè)計，通過對采集設(shè)備的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的能源計量和監(jiān)測，建立一個準(zhǔn)確的能源統(tǒng)計和能源平衡方法，實現(xiàn)對能耗設(shè)備、系統(tǒng)的在線監(jiān)測和管理。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將采集層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層有機結(jié)合在一起，構(gòu)成一個完整的平臺。本系統(tǒng)由能源計量裝置、能耗監(jiān)測終端（電能表、電能表計量器具）、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備（通訊網(wǎng)關(guān)）等組成，通過采集設(shè)備與服務(wù)器連接，服務(wù)器通過通訊網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)場設(shè)備連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺應(yīng)用策略

2.1 智慧化系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)以“節(jié)能減排”為基本指導(dǎo)思想，以“提高，效率、降低消耗、減少污染”為目標(biāo)，以“科學(xué)管理、有效控制”為原則，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對工業(yè)企業(yè)進行遠程智能監(jiān)測和管理，實現(xiàn)對能源資源的智能化、精細化、數(shù)字化管理。該系統(tǒng)設(shè)計具體分為以下幾點：（1）數(shù)據(jù)采集：在企業(yè)原有的計量裝置基礎(chǔ)上進行智能化升級改造，實現(xiàn)對工業(yè)企業(yè)用能設(shè)備運行數(shù)據(jù)的實時采集，并與現(xiàn)有的能源在線監(jiān)測系統(tǒng)進行對接，從而實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的集中管理和分析。（2）數(shù)據(jù)傳輸：以 TCP/IP 通信協(xié)議為基礎(chǔ)，采用GPRS/4G 無線通信方式實現(xiàn)與工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。（3）數(shù)據(jù)處理：通過數(shù)據(jù)分析軟件對采集到的能耗數(shù)據(jù)進行整理分析，根據(jù)具體情況設(shè)置不同的報警值。（4）能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。感知層負責(zé)采集和記錄能源消耗信息和設(shè)備狀態(tài)信息；網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)將采集到的各種信息傳輸給應(yīng)用層；應(yīng)用層負責(zé)將感知層和網(wǎng)絡(luò)層所傳送過來的信息進行分析處理，以界面形式展示給用戶。（5）平臺建設(shè)：首先建立能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建立能耗監(jiān)測管理平臺，然后根據(jù)能源計量儀表的分布情況及具體功能要求劃分為三個子平臺：工業(yè)企業(yè)能耗在線監(jiān)測平臺、能源審計與節(jié)能診斷服務(wù)平臺、能源統(tǒng)計分析與能效評估服務(wù)平臺。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分組成。數(shù)據(jù)采集層主要包括各類傳感器、電表、水表等計量設(shè)備，以及各類 PLC、工控機等控制設(shè)備，提供實時在線采集企業(yè)用能數(shù)據(jù)的能力；網(wǎng)絡(luò)層主要由工業(yè)以太網(wǎng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，將采集到的能耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，實現(xiàn)企業(yè)用能數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和傳輸；應(yīng)用層主要提供企業(yè)能耗指標(biāo)分析、用能管理等功能。整個系統(tǒng)可實現(xiàn)對企業(yè)能耗數(shù)據(jù)的在線實時采集，為企業(yè)用能的合理優(yōu)化配置和能源管理提供了有力支撐。

2.2.1 集中采集

集中采集系統(tǒng)部署在企業(yè)能源管理，主要由計量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和控制設(shè)備組成，負責(zé)對各生產(chǎn)單元及各個車間的用能數(shù)據(jù)進行實時采集、傳輸和存儲，為能源管理人員提供生產(chǎn)運行情況的直觀展示，實現(xiàn)對企業(yè)能源資源的優(yōu)化配置。集中采集系統(tǒng)采用以太網(wǎng)連接的方式與企業(yè)能源管理進行通信，從而將各生產(chǎn)單元及各個車間的用能數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集設(shè)備中，再通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)的采集和上傳。當(dāng)有新的生產(chǎn)單元加入時，系統(tǒng)會自動為新生產(chǎn)單元分配一個或多個采集設(shè)備號，并對其進行編號管理。

2.2.2 分散采集

分散采集是指對企業(yè)各個生產(chǎn)單元及各個車間進行部署，在每個生產(chǎn)單元及各個車間分別部署數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)對各生產(chǎn)單元及各個車間的用能數(shù)據(jù)的實時采集。分散采集的方式可分為以下兩種：（1）將每個生產(chǎn)單元及每個車間的用能數(shù)據(jù)分別接入到 PLC 控制單元，以 PLC 為控制核心，實現(xiàn)對各生產(chǎn)單元及各個車間用能設(shè)備的控制、監(jiān)測、保護等功能，同時對各生產(chǎn)單元及各個車間的用能情況進行監(jiān)控。（2）通過 GPRS 或 CDMA 無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)采集器所采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式后，再通過 GPRS 或 CDMA 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_。

2.3 系統(tǒng)控制與管理

根據(jù)企業(yè)實際情況，能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)可以分為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)獨立運行，滿足不同行業(yè)、不同規(guī)模企業(yè)的需要。同時，平臺需要對各個子系統(tǒng)進行監(jiān)控、管理和數(shù)據(jù)分析，為企業(yè)能源管理提供實時的信息和服務(wù)。要做好系統(tǒng)控制與管理工作，具體可以從以下幾點展開：（1）能源管理。能源管理系統(tǒng)主要負責(zé)對企業(yè)能源設(shè)備進行遠程監(jiān)控，了解各個設(shè)備的運行狀態(tài)、能耗情況以及設(shè)備的故障情況等信息。通過對數(shù)據(jù)的采集和分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障、能耗異常等問題，實現(xiàn)能源優(yōu)化配置和節(jié)能降耗。（2）用能分析。系統(tǒng)提供用能分析功能，可以對企業(yè)的用能情況進行統(tǒng)計和分析，例如：各類型用能設(shè)備的能耗占比情況、各類型用能設(shè)備的日度用能趨勢圖等。通過對用能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以找出企業(yè)在用能方面存在的問題和薄弱環(huán)節(jié)，為企業(yè)下一步節(jié)能降耗提供決策依據(jù)。（3）數(shù)據(jù)采集與傳輸。系統(tǒng)提供了多種數(shù)據(jù)采集方式，包括：ZigBee、LoRa、GPRS、4G/5G 通信等多種數(shù)據(jù)采集方式。同時采用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸方式，將所有采集到的數(shù)據(jù)實時傳送到數(shù)據(jù)進行存儲和分析。（4）平臺要部署相應(yīng)的監(jiān)控應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖 1 所示。在硬件設(shè)備正常運行時進行監(jiān)控與維護工作。系統(tǒng)需要對硬件設(shè)備進行配置并進行檢測調(diào)試后才能投入使用。例如：服務(wù)器端軟件需要安裝在 windows 操作系統(tǒng)中，客戶端軟件需要安裝在 Linux 操作系統(tǒng)中。同時需要保證監(jiān)測應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都處于正常運行狀態(tài)。（5）能耗在線監(jiān)測平臺可以按照用戶權(quán)限對用戶進行分組管理。用戶可根據(jù)權(quán)限訪問相應(yīng)的子系統(tǒng)或子應(yīng)用；每個子系統(tǒng)或子應(yīng)用可以包括多個用戶組；每個用戶組可以具有不同的權(quán)限級別；每個用戶組可以具有不同的系統(tǒng)屬性；每個用戶組可以具有不同的操作權(quán)限和操作頻率。

圖 1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.4 資源共享與交換

本平臺采用以太局域網(wǎng)（Ethernet）和以太網(wǎng)相結(jié)合的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，Ethernet 通過 IP 協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，以太網(wǎng)則通過 TCP 協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。Ethernet 的通信過程為：用戶首先通過 Ethernet 中的客戶端程序訪問服務(wù)器上的客戶機程序，通過 TCP/IP 協(xié)議與服務(wù)器端進行通信，與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。在資源共享及交換的過程中，應(yīng)做好以下兩方面內(nèi)容：一方面，在傳輸數(shù)據(jù)過程中遵守 TCP/IP 協(xié)議規(guī)定的各種消息格式和內(nèi)容，如：字段類型、數(shù)據(jù)長度、發(fā)送數(shù)據(jù)頻率、數(shù)據(jù)傳輸速率等。另一方面，在本平臺中需要將 Ethernet 與以太網(wǎng)相結(jié)合的方式進行設(shè)計。Ethernet 采用 TCP/IP 協(xié)議進行通信，其通信過程為：用戶首先訪問服務(wù)器上的客戶機程序，與客戶機程序進行交互，客戶程序根據(jù)用戶指令向服務(wù)器發(fā)出請求。服務(wù)器接收到客戶請求后將響應(yīng)消息返回給用戶，用戶收到響應(yīng)后繼續(xù)向服務(wù)器發(fā)送請求。在 Ethernet 與以太網(wǎng)相結(jié)合的通信方式中，Ethernet 向以太網(wǎng)發(fā)送請求時需要將其封裝為 UDP 包（以太網(wǎng) UDP 協(xié)議）發(fā)送出去。

2.5 數(shù)據(jù)分析與處理

工業(yè)企業(yè)的能源消耗數(shù)據(jù)采集范圍較廣，采集頻率較高，數(shù)據(jù)量巨大，但數(shù)據(jù)處理能力有限，在分析和處理過程中，需要對大量數(shù)據(jù)進行匯總、分析和挖掘。本平臺采用 Python 編程語言設(shè)計能源消耗數(shù)據(jù)分析平臺，并將數(shù)據(jù)處理的過程封裝成 API 接口，以便于企業(yè)用戶調(diào)用。平臺主要實現(xiàn)了以下功能：（1）能耗數(shù)據(jù)處理分析：本平臺對企業(yè)用能情況進行分析和挖掘，提供多種能源消耗指標(biāo)計算、查詢功能，支持能耗指標(biāo)計算和查詢。其中能源消耗指標(biāo)包括：電能、煤炭、天然氣、水、電等；能耗分析包括：日、月、年等時間段能耗指標(biāo)統(tǒng)計；用能情況分析包括：用電量、用電類型、用電時間等。（2）能源平衡計算分析：本平臺提供多種能源平衡計算功能，如生產(chǎn)設(shè)備功率平衡計算、動力設(shè)備功率平衡計算等，并提供多種能源平衡計算方式，包括平均值法、極值法等。（3）統(tǒng)計查詢功能：本平臺提供多種統(tǒng)計查詢功能，如用電量查詢和用能量查詢等。其中用電量查詢包括：當(dāng)日用電量或歷史用電量查詢；月用電量或歷史電量查詢。（4）數(shù)據(jù)挖掘分析：本平臺提供多種數(shù)據(jù)挖掘分析功能，如用能情況分析功能包括：能耗強度分析；多維度對比分析功能包括：對比能耗強度、對比生產(chǎn)設(shè)備效率指標(biāo)；基于生產(chǎn)設(shè)備效率的能耗效率排名分析功能包括：排名*的生產(chǎn)設(shè)備效率指標(biāo)排名、排名*二十的生產(chǎn)設(shè)備效率指標(biāo)排名。（5）報表展示功能：本平臺提供多種報表展示功能，如日報表、月報表、年報表等。其中日報表包括：當(dāng)日用能總量統(tǒng)計；當(dāng)日用電量統(tǒng)計；當(dāng)月總用電量統(tǒng)計；本月總用電總量統(tǒng)計。

2.6 能耗指標(biāo)控制

該企業(yè)以煤電為主要生產(chǎn)原料，采用人工和半自動生產(chǎn)模式。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)需求，對各工藝環(huán)節(jié)的能耗進行控制。要進行能耗指標(biāo)控制，可以從以下兩方面展開：一方面，通過對各工序能耗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)各工序設(shè)備、工藝路線、生產(chǎn)狀態(tài)等方面存在的問題。對于影響能源消耗指標(biāo)波動的設(shè)備或工序等因素，可以在平臺上進行干預(yù)或調(diào)整，從而提高整個生產(chǎn)過程中能源消耗指標(biāo)變化情況的準(zhǔn)確性和及時性。另一方面，可以根據(jù)各工序能耗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，合理安排生產(chǎn)計劃，優(yōu)化生產(chǎn)工藝等。平臺能夠為企業(yè)制定節(jié)能減排工作方案提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)；在能源消耗指標(biāo)發(fā)生波動時能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并進行干預(yù)或調(diào)整；在能耗指標(biāo)達到設(shè)定目標(biāo)后能夠及時進行預(yù)警提示。

2.7 能耗數(shù)據(jù)展示與查詢

要做好能耗數(shù)據(jù)的展示與查詢工作，可以從以下幾點展開：（1）能耗在線監(jiān)測平臺可以按照用戶需要進行模板定制，包括能源平衡表、日（周）平均用能對比、日（周）總能耗對比等；還可以通過用戶自定義的方式，將數(shù)據(jù)按照不同的維度展示出來。（2）在數(shù)據(jù)展示方面，以柱狀圖、餅圖、曲線圖等多種形式展現(xiàn)能源數(shù)據(jù)；同時還可以對歷史的數(shù)據(jù)進行查詢，查看歷史能源消耗情況；在數(shù)據(jù)查詢時，用戶也可以通過下拉框選擇合適的時間范圍來進行查詢。（3）在展示功能方面，可按照企業(yè)的規(guī)模大小、能耗種類等進行劃分。通過查看每個企業(yè)的整體用能情況來了解整個行業(yè)內(nèi)企業(yè)的用能情況；通過查看各企業(yè)整體用能情況來了解整個行業(yè)內(nèi)各個企業(yè)的用能情況；通過查看某個區(qū)域內(nèi)各企業(yè)整體用能情況來了解該區(qū)域內(nèi)各個企業(yè)的用能情況。（4）在能源查詢方面，以用戶自定義查詢條件來進行查詢。如果用戶在平臺中已經(jīng)錄入了基礎(chǔ)信息和歷史用能信息，系統(tǒng)可以自動搜索與之對應(yīng)的能源數(shù)據(jù)；如果用戶沒有錄入基礎(chǔ)信息和歷史用能信息，系統(tǒng)可以自動搜索與之對應(yīng)的能耗數(shù)據(jù)，并按條件進行排序。通過上述能耗在線監(jiān)測平臺研究與應(yīng)用，能夠有效地提高企業(yè)能源管理水平和能源利用率，實現(xiàn)了能源監(jiān)測和控制全覆蓋。

3 安科瑞Acrel-5000建筑能耗分析系統(tǒng)

Acrel-5000建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照有關(guān)規(guī)定實施能源計算，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計算報告。

4 應(yīng)用場所

適用于公共建筑、集團公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測與管理的系統(tǒng)設(shè)計、施工和運行維護。

5 系統(tǒng)組網(wǎng)圖

6 系統(tǒng)功能

6.1系統(tǒng)概況

平臺運行狀態(tài)，當(dāng)月能耗折算、地圖導(dǎo)航，各能耗逐時、逐月曲線，當(dāng)日，當(dāng)月能耗同比分析滾動顯示。

6.2 用能概況

對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項等用能進行對比，支持當(dāng)日逐時趨勢、當(dāng)月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計對比、總能耗 同環(huán)比對比。

6.3 用能統(tǒng)計

對建筑、區(qū)域、分項、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進行統(tǒng)計，支持報表數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進行生成柱狀圖。

6.4 復(fù)費率統(tǒng)計

復(fù)費率報表按日、月、年統(tǒng)計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析。支持數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。

6.5 同比分析

對建筑、分項、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結(jié)合的方式進行用能數(shù)據(jù)同比分析。

6.6 能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑自己設(shè)定時段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標(biāo)值查看。

6.7 夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在自己設(shè)定時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，支持導(dǎo)出報表。

6.8 設(shè)備管理

設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運行。

6.9 用戶報告

用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結(jié)果，針對用電提供單獨的復(fù)費率用能分析，報告可編輯。

7 系統(tǒng)硬件配置

8 結(jié)束語

能耗在線監(jiān)測平臺在節(jié)能減排、能源管理、能源審計等方面取得了顯著成效，為企業(yè)節(jié)能管理、能源審計及科學(xué)用能提供了有效工具，為能源行業(yè)實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展提供了技術(shù)支撐。能耗在線監(jiān)測平臺以企業(yè)的能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對企業(yè)用能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進行采集、分析和處理，結(jié)合企業(yè)能源管理體系要求及能源審計要求，對企業(yè)用能設(shè)備的能耗情況進行分析與評估，從而實現(xiàn)企業(yè)對能效管理的持續(xù)改進。

參考文獻

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