【節(jié)能學(xué)院】基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力抄表服務(wù)平臺

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有了很大進展。為了提升電力抄表服務(wù)的穩(wěn)定性，保障電力抄表數(shù)據(jù)的可靠性，本文提出并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力抄表服務(wù)平臺，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，提供電力集抄、能耗管理、電氣安全、預(yù)付費、智能運維等多種數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)監(jiān)控、告警、運維的信息化、自動化和智能化。

關(guān)鍵詞：能源物聯(lián)網(wǎng)；APP電表；數(shù)據(jù)服務(wù)

引言

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使用2G/4G/NB-IOT網(wǎng)絡(luò)進行電網(wǎng)抄表數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)發(fā)展迅速。由于電網(wǎng)抄表終端分布區(qū)域廣，經(jīng)常出現(xiàn)因終端斷電、終端異常、網(wǎng)絡(luò)弱覆蓋等問題，導(dǎo)致遠(yuǎn)程電力抄表設(shè)備無法正常傳輸數(shù)據(jù)，影響抄表數(shù)據(jù)及時回傳。為了提升電力抄表服務(wù)的穩(wěn)定性，保障電力抄表數(shù)據(jù)的可靠性，本文設(shè)計并實現(xiàn)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力抄表服務(wù)平臺，運用大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)，建立上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提供電力集抄、能耗管理、電氣安全、預(yù)付費、智能運維、智能照明等多種數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)監(jiān)控、告警、運維的信息化、自動化和智能化。

關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）技術(shù)作為嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)的交叉領(lǐng)域，被定義為利用紅外線傳感器、射頻識別、GPS等通信技術(shù)按照一定協(xié)議實現(xiàn)智能交互的網(wǎng)絡(luò)。

一般認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層3個層次：感知層主要包括計量傳感設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)層包括網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧及其軟硬件實現(xiàn)；應(yīng)用層包括集中式或分布式的云計算平臺以及用戶應(yīng)用軟件等，是“物”與用戶直接進行交互的部分。

物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議分為接入?yún)f(xié)議和傳輸協(xié)議。接入?yún)f(xié)議主要指底層感知層設(shè)備間進行通信的協(xié)議。傳輸協(xié)議基于互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，面向應(yīng)用層進行數(shù)據(jù)交換，常見的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議為MQTT協(xié)議。MQTT采用“推送”機制，減輕服務(wù)器短時并發(fā)接收數(shù)據(jù)請求的負(fù)擔(dān)，提供3種服務(wù)質(zhì)量，能在資源受限的網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)設(shè)備同遠(yuǎn)方系統(tǒng)進行異步合理的通信，本文采用的協(xié)議就是這個。

MQTT協(xié)議

MQTT（消息隊列遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議）由IBM在1999年發(fā)布，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，一種基于發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的"輕量級"通訊協(xié)議。MQTT的較大優(yōu)點是能夠以較少的代碼和有限的帶寬為遠(yuǎn)程連接設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)作為低開銷、低帶寬占用的即時通信協(xié)議使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動應(yīng)用程序等廣泛的應(yīng)用。MQTT是基于客戶端-服務(wù)器的消息傳遞/訂閱傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議實現(xiàn)輕巧、簡單、開放、容易，這些特點使其適用范圍非常廣泛。

MQTT協(xié)議提供一對多的消息發(fā)布，可以降低應(yīng)用程序的耦合性，用戶只需要編寫較少量的應(yīng)用代碼就能完成一對多的消息發(fā)布與訂閱,該協(xié)議是基于<客戶端-服務(wù)器>模型,在協(xié)議中主要有三種身份：發(fā)布者（Publisher）、服務(wù)器（Broker）以及訂閱者（Subscriber）。其中，MQTT消息的發(fā)行者和訂閱者是客戶端服務(wù)器作為中繼的存在，只是將發(fā)布者發(fā)出的消息轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱該主題的所有訂閱者，發(fā)布者可以發(fā)布該權(quán)限內(nèi)的所有主題，消息發(fā)布者同時是訂閱者，實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者的解耦所發(fā)出的消息可以同時被多個訂閱者預(yù)訂。

系統(tǒng)整體方案設(shè)計

能源物聯(lián)網(wǎng)以能源供應(yīng)、能源管理、設(shè)備管理、能耗分析的能源流向為主線，將能源生產(chǎn)加工、分配傳輸、消耗、節(jié)能各個環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，結(jié)合人與物的互聯(lián)，構(gòu)成以安科瑞產(chǎn)品為媒介的能源物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，其中物聯(lián)網(wǎng)硬件和能源參與者分別以數(shù)據(jù)流形式和業(yè)務(wù)流的形式與平臺交互。

組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由感知層（終端采集設(shè)備）、網(wǎng)絡(luò)層（通訊管理終端）和平臺層（能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺）三個部分組成。

● 感知層：連接于網(wǎng)絡(luò)中的各類傳感器，包括多功能儀表、預(yù)付費電表、多回路儀表、物聯(lián)網(wǎng)電表、物聯(lián)網(wǎng)水表、電瓶車充電樁、汽車充電樁、路燈控制器等。

● 網(wǎng)絡(luò)層：智能網(wǎng)關(guān)，采集感知層的數(shù)據(jù)，進行規(guī)約轉(zhuǎn)換及存儲之后將數(shù)據(jù)上傳至能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

● 平臺層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，可在PC端或移動端實現(xiàn)應(yīng)用。

平臺架構(gòu)

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分層分布式的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包括：感知層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層和運營層。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖所示。

傳感器層包括了我司的各類產(chǎn)品，是整個系統(tǒng)的較底層，也是構(gòu)建該能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺必要的基本組成元素，主要有多功能儀表、預(yù)付費電表、多回路儀表、物聯(lián)網(wǎng)電表、物聯(lián)網(wǎng)水表、電瓶車充電樁、汽車充電樁、路燈控制器等設(shè)備。

中間的數(shù)據(jù)處理平臺主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)交互的工作，為了保證整個綜合平臺的數(shù)據(jù)處理能力，我們將實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分別存儲在不同的庫中，并提供多種接口實現(xiàn)與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

上層的應(yīng)用層是指Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺，主要實現(xiàn)各種功能應(yīng)用，平臺按照能源的流向分為能源供應(yīng)、能源管理、設(shè)備管理和能耗分析4大板塊，其中能源供應(yīng)包括電力集抄、智能運維子模塊，能源管理包括安全用電、電能質(zhì)量子模塊，設(shè)備管理包括智能照明、預(yù)付費、充電樁子模塊，能耗分析包括能源管理、增值服務(wù)子模塊。平臺通過web和app的方式為用戶提供人機交互的界面，運營層的各類用戶可以通過這兩種方式實現(xiàn)平臺的訪問與操作。

平臺功能

能源供應(yīng)

（1）電力集抄功能模塊

隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類規(guī)模大小不等，設(shè)備種類、數(shù)量不同的含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機房廣泛分布于用戶各分支機構(gòu)所在地域，由于欠缺與運行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模體系相對稱的監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)量眾多的無人值守機房的物理運行環(huán)境狀況、設(shè)備運行狀況、人員活動狀況以及消防狀況的變化包括可能出現(xiàn)的危急狀況，均無法得到及時的發(fā)現(xiàn)和處理，也就很難被合理預(yù)見、防范和避免。因此在配電室內(nèi)安裝環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)配電室內(nèi)環(huán)境的在線監(jiān)測，保障配電室設(shè)備的穩(wěn)定運行很有必要。

電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運行（包括歷史和實時參數(shù)），并根據(jù)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(jié)約人力資源。

（2）智能運維功能模塊

據(jù)統(tǒng)計全國高供高計的工商業(yè)用戶數(shù)量達到200多萬戶，規(guī)模巨大，但是大部分日常的運行維護工作比較傳統(tǒng)，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障搶修時間長、風(fēng)險預(yù)防薄弱等問題。國網(wǎng)公司和眾多電力運維公司正在搶占這塊巨大的市場，這是一個千億級別的市場。

智能運維模塊采用多功能電力儀表、無線通信、邊緣計算網(wǎng)關(guān)及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過智能網(wǎng)關(guān)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并存儲在本地，再定時向云平臺推送數(shù)據(jù)。平臺可同時接入數(shù)以千計的用戶變電站數(shù)據(jù)。平臺采集的數(shù)據(jù)包括變電所電氣參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，包括電流電壓功率、開關(guān)狀態(tài)、變壓器溫度、環(huán)境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門禁等信息，有異常發(fā)生10S內(nèi)通過短信和APP發(fā)出告警信號。平臺通過手機APP下發(fā)運維任務(wù)到指定人員手機上，并通過GPS跟蹤運維執(zhí)行過程進行閉環(huán)，提高運維效率，即時發(fā)現(xiàn)運行缺陷并做消缺處理。

能源管理

（1）安全用電功能模塊

據(jù)應(yīng)急管理部網(wǎng)站數(shù)據(jù)，2016~2018年期間因為電氣原因?qū)е碌幕馂?zāi)占總數(shù)的30%~34%左右，其中2018年全國共接報火災(zāi)23.7萬起，因違反電氣安裝使用規(guī)定引發(fā)的火災(zāi)占總數(shù)的34.6%，較大和重大火災(zāi)事故中，電氣火災(zāi)的比例更高。國務(wù)院、公安部消防局以及各省市自治區(qū)直轄市紛紛出臺文件推廣使用智慧用電，從源頭上預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生，現(xiàn)安全用電管理平臺已在九小場所、三合一場所、養(yǎng)老福利院、醫(yī)療場所、學(xué)校、金融網(wǎng)點等人員密集場所廣泛開展。

安全用電管理模塊對電氣引發(fā)火災(zāi)的主要因素（線纜溫度、漏電電流、負(fù)荷電流、電壓）進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，通過2G/NB-IOT/4G方式采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實時發(fā)現(xiàn)電氣線路和用電設(shè)備存在的安全隱患（如：線纜溫度異常、過載、過壓、欠壓及漏電等）并通過短信、APP推送、自動語音呼叫等方式及時預(yù)警，合理防止電氣火災(zāi)的發(fā)生。系統(tǒng)可以顯示所有監(jiān)測點位的漏電電流等電氣參數(shù)和線纜溫度，并支持巡檢記錄和派單操作，提供安全隱患分析報告，實時評估企業(yè)用電安全狀態(tài)。

（2）電能質(zhì)量功能模塊

電能質(zhì)量問題越來越受到關(guān)注，已成為電力系統(tǒng)的研究熱點之一。一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種復(fù)雜用電設(shè)備的廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備很大部分對電能質(zhì)量非常敏銳；另一方面，電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和用電需求的快速增加，導(dǎo)致電能質(zhì)量變得非常不穩(wěn)定。對電能質(zhì)量分析的主要目的是確定電能信號擾動的類型和范圍，并對相應(yīng)的擾動源進行合理的調(diào)節(jié)和補償。因此，改良和提高電能質(zhì)量的關(guān)鍵在于及時、準(zhǔn)確地獲取各種擾動信號源的信息。

電能質(zhì)量監(jiān)測，包括三項不平衡度、諧波、功率因數(shù)，以矢量圖的形式展示三相不平衡度。三項不平衡或功率因數(shù)過低時產(chǎn)生報警，觸發(fā)APP、手機短信、郵件、釘釘、語音等多種方式提醒。

設(shè)備管理

（1）智能照明功能模塊

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對工作和生活環(huán)境的要求越來越高，同時對照明系統(tǒng)的要求也越來越高。照明領(lǐng)域的能源消耗在總的能源消耗中占了相當(dāng)大的比例，節(jié)約能源和提高照明質(zhì)量是當(dāng)務(wù)之急。照明用電作為電力消耗的重要部分，已經(jīng)占到了電力消耗的10%左右，并隨著我國國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，照明用電還將不斷增加。

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區(qū)域照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷的數(shù)據(jù)監(jiān)測。平臺通過監(jiān)測照明線路的電流和電壓值來判斷燈具的工作情況，任何不正常的工作狀態(tài)，平臺都能進行監(jiān)測，預(yù)警和報警，預(yù)警和報警信息通過手機APP推送，短信，語音外呼、郵件、微信小程序、微信公眾號、釘釘?shù)?，快速到達責(zé)任人的身邊，提醒運行人員接觸器跳閘，電源失壓等等。

（2）預(yù)付費水電功能模塊

預(yù)付費水電功能可以針對各商業(yè)綜合體、小區(qū)、寫字樓、辦公樓、酒店式公寓等物業(yè)，學(xué)校、工廠宿舍的后勤管理部門以及連鎖超市、大型物業(yè)分布式財務(wù)操作，在線支付，總部財務(wù)扎口等。目前預(yù)付費水電已經(jīng)成功在上述各場景得到廣泛的應(yīng)用并已經(jīng)穩(wěn)定運行多年，適用于物業(yè)公司對小區(qū)、辦公和商鋪租戶的水電預(yù)付費管理，或者學(xué)校對學(xué)生宿舍的用電預(yù)付費和用電安全管控系統(tǒng)。

（3）汽車/電瓶車收費運營功能模塊

電動汽車現(xiàn)已成為廣泛使用的綠色能源交通工具，同時電動自行車數(shù)量越來越多，解決了老百姓短距離出行問題，但是和電動自行車相關(guān)的安全和火災(zāi)事故新聞也屢見不鮮，有逐年增長的趨勢，給社會帶來了很大的損失，成為人民生命和財產(chǎn)安全的一個隱患?；陔妱幼孕熊嚮馂?zāi)的危害和特點，各級政府部門發(fā)文對電動自行車火災(zāi)的整治對象都放在規(guī)范停放和充電行為上。汽車/電瓶車收費運營功能模塊通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)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(yù)警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應(yīng)的充電樁完成電動汽車的充電過程。充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和密鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進行直連。

該功能模塊為汽車/電瓶車充電樁客戶提供充電安全管理、資產(chǎn)管理和交易管理的一攬子解決方案，解決充電難、管理難和收費難的問題，可應(yīng)用于商業(yè)樓宇、小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院等場所設(shè)置的電動自行車充電場所的運營管理。

能源分析

（1）能源管理功能模塊

為了穩(wěn)步推進雙碳目標(biāo)，在能源消費強度和消費總量的“雙控”背景下，企業(yè)需要考慮如何應(yīng)對能耗雙控以保障正常生產(chǎn)?，F(xiàn)有大部分企業(yè)依然采用電、水、氣、冷、熱等各種能源供應(yīng)系統(tǒng)“單獨規(guī)劃、單獨設(shè)計、獨立運行”的模式。普遍存在計量檢測到配備不足；計量設(shè)備計量精度不高、計量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；人工抄表可靠性低；難以合理監(jiān)測和評估主要耗能設(shè)備的用能效率；缺少決策數(shù)據(jù)支持，對于節(jié)能評估無法提供可靠參考數(shù)據(jù)；缺乏合理的企業(yè)能效評估指標(biāo)體系，能耗管理措施難以落地等情況。

能源管理模塊采用自動化、信息化技術(shù)，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程結(jié)合起來，運用先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、合理利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

（2）增值服務(wù)功能模塊

①工業(yè)組態(tài)

傳統(tǒng)的工業(yè)自動化組態(tài)應(yīng)用開發(fā)方式要求開發(fā)人員具備代碼編寫的能力、理解相關(guān)的開發(fā)框架的概念和使用方式，這種開發(fā)方式開發(fā)周期長、對開發(fā)人員要求非常高。同時，傳統(tǒng)的工業(yè)自動化組態(tài)應(yīng)用部署在工業(yè)現(xiàn)場，部署便捷性和可訪問性都很低。

伴隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，應(yīng)用需求往往更新迭代非常快，而設(shè)備廠商往往沒有相關(guān)的工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)背景，使得工業(yè)組態(tài)軟件的開發(fā)和更新速度非常緩慢，往往無法滿足快速業(yè)務(wù)增長的需要。同時，對于工業(yè)組態(tài)軟件的訪問不再止于工業(yè)現(xiàn)場，來自于工業(yè)現(xiàn)場外部的訪問需求也在日益增長。

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺中的工業(yè)組態(tài)模塊解決了傳統(tǒng)工業(yè)自動化組態(tài)應(yīng)用的部署和可訪問性低的問題，通過用戶在開發(fā)工具中使用鼠標(biāo)拖拽的方式調(diào)整組態(tài)畫面元件的屬性、位置、尺寸等，并內(nèi)置豐富的組態(tài)元件庫，使得用戶無需代碼的編寫能力，無需工業(yè)自動化組態(tài)軟件開發(fā)的技術(shù)背景，也可以方便的開發(fā)出工業(yè)組態(tài)界面，同時也支持?jǐn)?shù)據(jù)展示、遠(yuǎn)程控制等功能。

②3D可視化

3D可視化技術(shù)通過虛擬仿真實現(xiàn)多維度可視化，為客戶提供數(shù)字化服務(wù)，助力企業(yè)能源經(jīng)濟雙向管理，提升能源管理水平?？梢詫崿F(xiàn)的功能主要有：各區(qū)域信息實時同步；全局掌握各區(qū)域能源消耗情況；可視化監(jiān)視設(shè)備運行狀態(tài)；智能巡檢，自動分析巡檢路徑上的設(shè)備運行、電能質(zhì)量、電氣安全、用能異常等情況，并記錄巡檢結(jié)果。

總結(jié)

隨著4G廣泛應(yīng)用，5G快速推進，以NB-IoT等為代表的新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)順勢而生。當(dāng)前，物與物連接規(guī)模急劇擴張，連接應(yīng)用日新月異，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以說已深深嵌入多個垂直行業(yè)。但物聯(lián)網(wǎng)終端往往分布較為分散，不僅安裝環(huán)境復(fù)雜，而且網(wǎng)絡(luò)信號往往難以得到保障，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)日常管理和異常問題排查及其困難。本文設(shè)計并實現(xiàn)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力抄表服務(wù)平臺，運用大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)，建立上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提供電力集抄、能耗管理、電氣安全、預(yù)付費、智能運維、智能照明等多種數(shù)據(jù)服務(wù)，提升了電力抄表服務(wù)的穩(wěn)定性，保障了電力抄表數(shù)據(jù)的可靠性，實現(xiàn)監(jiān)控、告警、運維的信息化、自動化和智能化。