基于物聯網的能耗在線監(jiān)測平臺研究與應用

摘要：隨著物聯網技術的發(fā)展和應用，基于物聯網的能耗在線監(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。隨著物聯網技術的快速發(fā)展，大數據、云計算、人工智能等新興技術在工業(yè)領域的應用逐漸普及。物聯網能耗在線監(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)現問題，提高用能效率。本平臺實現了能耗在線監(jiān)測和數據分析，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，提出了基于物聯網的能耗在線監(jiān)測平臺應用策略，以供參考。

關鍵詞：物聯網；能耗在線監(jiān)測平臺；數據采集；數據分析

0 引言

隨著節(jié)能減排政策的大力實施，以及傳統行業(yè)的逐步轉型升級，各大企業(yè)對能耗的關注度也在逐漸提升，許多企業(yè)都投入大量的資金用于能源管理體系建設和節(jié)能改造，但大多數企業(yè)的能耗管理模式依舊停留在傳統的人工抄表、人工統計和報表匯總階段，缺少實時數據采集和分析、監(jiān)測等功能，無法準確掌握企業(yè)能耗數據情況。而將物聯網技術應用到企業(yè)能耗監(jiān)測系統中，可以將整個企業(yè)生產過程中的能源消耗情況進行實時采集、分析和監(jiān)控，并將數據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，提高企業(yè)綜合經濟效益。

1 平臺總體方案

系統采用多層架構，分為采集層、網絡層、數據層和應用層。能耗在線監(jiān)測平臺對系統進行總體設計，通過對采集設備的控制，實現系統的能源計量和監(jiān)測，建立一個準確的能源統計和能源平衡方法，實現對能耗設備、系統的在線監(jiān)測和管理。采用物聯網技術將采集層、網絡層、數據層和應用層有機結合在一起，構成一個完整的平臺。本系統由能源計量裝置、能耗監(jiān)測終端（電能表、電能表計量器具）、網絡傳輸設備（通訊網關）等組成，通過采集設備與服務器連接，服務器通過通訊網關與現場設備連接，實現數據采集和數據傳輸功能。

2 基于物聯網的能耗在線監(jiān)測平臺應用策略

2.1 智慧化系統設計

該系統以“節(jié)能減排”為基本指導思想，以“提高，效率、降低消耗、減少污染”為目標，以“科學管理、有效控制”為原則，通過物聯網技術對工業(yè)企業(yè)進行遠程智能監(jiān)測和管理，實現對能源資源的智能化、精細化、數字化管理。該系統設計具體分為以下幾點：（1）數據采集：在企業(yè)原有的計量裝置基礎上進行智能化升級改造，實現對工業(yè)企業(yè)用能設備運行數據的實時采集，并與現有的能源在線監(jiān)測系統進行對接，從而實現能耗數據的集中管理和分析。（2）數據傳輸：以 TCP/IP 通信協議為基礎，采用GPRS/4G 無線通信方式實現與工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測系統的數據傳輸。（3）數據處理：通過數據分析軟件對采集到的能耗數據進行整理分析，根據具體情況設置不同的報警值。（4）能耗在線監(jiān)測系統由感知層、網絡層、應用層組成。感知層負責采集和記錄能源消耗信息和設備狀態(tài)信息；網絡層負責將采集到的各種信息傳輸給應用層；應用層負責將感知層和網絡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：首先建立能耗在線監(jiān)測系統數據，建立能耗監(jiān)測管理平臺，然后根據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)能診斷服務平臺、能源統計分析與能效評估服務平臺。

2.2 數據采集系統

數據采集系統主要由數據采集層、網絡層和應用層三部分組成。數據采集層主要包括各類傳感器、電表、水表等計量設備，以及各類 PLC、工控機等控制設備，提供實時在線采集企業(yè)用能數據的能力；網絡層主要由工業(yè)以太網和無線通信網絡構成，將采集到的能耗數據傳輸到應用層，實現企業(yè)用能數據的實時監(jiān)測和傳輸；應用層主要提供企業(yè)能耗指標分析、用能管理等功能。整個系統可實現對企業(yè)能耗數據的在線實時采集，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

集中采集系統部署在企業(yè)能源管理，主要由計量設備、數據采集設備和控制設備組成，負責對各生產單元及各個車間的用能數據進行實時采集、傳輸和存儲，為能源管理人員提供生產運行情況的直觀展示，實現對企業(yè)能源資源的優(yōu)化配置。集中采集系統采用以太網連接的方式與企業(yè)能源管理進行通信，從而將各生產單元及各個車間的用能數據集中傳輸到數據采集設備中，再通過數據采集設備進行實時數據的采集和上傳。當有新的生產單元加入時，系統會自動為新生產單元分配一個或多個采集設備號，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)各個生產單元及各個車間進行部署，在每個生產單元及各個車間分別部署數據采集器，實現對各生產單元及各個車間的用能數據的實時采集。分散采集的方式可分為以下兩種：（1）將每個生產單元及每個車間的用能數據分別接入到 PLC 控制單元，以 PLC 為控制核心，實現對各生產單元及各個車間用能設備的控制、監(jiān)測、保護等功能，同時對各生產單元及各個車間的用能情況進行監(jiān)控。（2）通過 GPRS 或 CDMA 無線網絡將數據采集器所采集到的數據傳輸到服務器，服務器根據相應標準將數據轉換成標準格式后，再通過 GPRS 或 CDMA 無線網絡傳輸到云平臺。

2.3 系統控制與管理

根據企業(yè)實際情況，能耗在線監(jiān)測系統可以分為多個子系統，每個子系統獨立運行，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進行監(jiān)控、管理和數據分析，為企業(yè)能源管理提供實時的信息和服務。要做好系統控制與管理工作，具體可以從以下幾點展開：（1）能源管理。能源管理系統主要負責對企業(yè)能源設備進行遠程監(jiān)控，了解各個設備的運行狀態(tài)、能耗情況以及設備的故障情況等信息。通過對數據的采集和分析，及時發(fā)現設備故障、能耗異常等問題，實現能源優(yōu)化配置和節(jié)能降耗。（2）用能分析。系統提供用能分析功能，可以對企業(yè)的用能情況進行統計和分析，例如：各類型用能設備的能耗占比情況、各類型用能設備的日度用能趨勢圖等。通過對用能數據進行統計分析，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。（3）數據采集與傳輸。系統提供了多種數據采集方式，包括：ZigBee、LoRa、GPRS、4G/5G 通信等多種數據采集方式。同時采用工業(yè)以太網傳輸方式，將所有采集到的數據實時傳送到數據進行存儲和分析。（4）平臺要部署相應的監(jiān)控應用軟件和數據庫管理系統，監(jiān)控系統網絡架構圖如圖 1 所示。在硬件設備正常運行時進行監(jiān)控與維護工作。系統需要對硬件設備進行配置并進行檢測調試后才能投入使用。例如：服務器端軟件需要安裝在 windows 操作系統中，客戶端軟件需要安裝在 Linux 操作系統中。同時需要保證監(jiān)測應用軟件和數據庫管理系統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限對用戶進行分組管理。用戶可根據權限訪問相應的子系統或子應用；每個子系統或子應用可以包括多個用戶組；每個用戶組可以具有不同的權限級別；每個用戶組可以具有不同的系統屬性；每個用戶組可以具有不同的操作權限和操作頻率。

圖 1 監(jiān)控系統網絡架構圖

2.4 資源共享與交換

本平臺采用以太局域網（Ethernet）和以太網相結合的方式實現數據傳輸，Ethernet 通過 IP 協議進行數據交換，以太網則通過 TCP 協議進行數據傳輸。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器上的客戶機程序，通過 TCP/IP 協議與服務器端進行通信，與服務器進行數據交換。在資源共享及交換的過程中，應做好以下兩方面內容：一方面，在傳輸數據過程中遵守 TCP/IP 協議規(guī)定的各種消息格式和內容，如：字段類型、數據長度、發(fā)送數據頻率、數據傳輸速率等。另一方面，在本平臺中需要將 Ethernet 與以太網相結合的方式進行設計。Ethernet 采用 TCP/IP 協議進行通信，其通信過程為：用戶首先訪問服務器上的客戶機程序，與客戶機程序進行交互，客戶程序根據用戶指令向服務器發(fā)出請求。服務器接收到客戶請求后將響應消息返回給用戶，用戶收到響應后繼續(xù)向服務器發(fā)送請求。在 Ethernet 與以太網相結合的通信方式中，Ethernet 向以太網發(fā)送請求時需要將其封裝為 UDP 包（以太網 UDP 協議）發(fā)送出去。

2.5 數據分析與處理

工業(yè)企業(yè)的能源消耗數據采集范圍較廣，采集頻率較高，數據量巨大，但數據處理能力有限，在分析和處理過程中，需要對大量數據進行匯總、分析和挖掘。本平臺采用 Python 編程語言設計能源消耗數據分析平臺，并將數據處理的過程封裝成 API 接口，以便于企業(yè)用戶調用。平臺主要實現了以下功能：（1）能耗數據處理分析：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計算、查詢功能，支持能耗指標計算和查詢。其中能源消耗指標包括：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統計；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，如生產設備功率平衡計算、動力設備功率平衡計算等，并提供多種能源平衡計算方式，包括平均值法、極值法等。（3）統計查詢功能：本平臺提供多種統計查詢功能，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）數據挖掘分析：本平臺提供多種數據挖掘分析功能，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、對比生產設備效率指標；基于生產設備效率的能耗效率排名分析功能包括：排名前十的生產設備效率指標排名、排名前二十的生產設備效率指標排名。（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：當日用能總量統計；當日用電量統計；當月總用電量統計；本月總用電總量統計。

2.6 能耗指標控制

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

2.7 能耗數據展示與查詢

要做好能耗數據的展示與查詢工作，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，將數據按照不同的維度展示出來。（2）在數據展示方面，以柱狀圖、餅圖、曲線圖等多種形式展現能源數據；同時還可以對歷史的數據進行查詢，查看歷史能源消耗情況；在數據查詢時，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)內各個企業(yè)的用能情況；通過查看某個區(qū)域內各企業(yè)整體用能情況來了解該區(qū)域內各個企業(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錄入了基礎信息和歷史用能信息，系統可以自動搜索與之對應的能源數據；如果用戶沒有錄入基礎信息和歷史用能信息，系統可以自動搜索與之對應的能耗數據，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

Acrel-5000建筑能耗分析系統是用戶端能源管理分析系統，在電能管理系統的基礎上增加了對水、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計，以直觀的數據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慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶可按照有關規(guī)定實施能源計算，分析現狀，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)測與管理的系統設計、施工和運行維護。

5 系統組網圖

6 系統功能

6.1系統概況

平臺運行狀態(tài)，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時、逐月曲線，當日，當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，支持當日逐時趨勢、當月逐日趨勢曲線、分時段能耗統計對比、總能耗 同環(huán)比對比。

6.3 用能統計

對建筑、區(qū)域、分項、支路等結構按日、月、年報表的形式統計對分類能源用能進行統計，支持報表數據導出EXCEL，支持選擇建筑數據進行生成柱狀圖。

6.4 復費率統計

復費率報表按日、月、年統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計分析。支持數據導出到EXCEL。

6.5 同比分析

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

6.6 能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑自己設定時段內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定時段工作時間與非工作時間用能統計對比，支持導出報表。

6.8 設備管理

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

6.9 用戶報告

用戶報告針對選定的建筑自動統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果，針對用電提供單獨的復費率用能分析，報告可編輯。

7 系統硬件配置

	采用泛在物聯、云計算、大數據、移動通訊智能傳感等技術手段可為用戶提供能源數據采集、統計分析、能效分析、用能預警、設備管理等服務，平臺可以廣泛應用于多種領域。
智能網關	Anet-1E2S1		采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，作為信息采集系統中采集終端與平臺系統間的橋梁，能夠根據不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據采集匯總，并使用相應的規(guī)約轉發(fā)現場設備的數據給平臺系統。
高壓重要回路或低壓進線柜 配電變壓器	APM810

8 結束語

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、能源審計及科學用能提供了有效工具，為能源行業(yè)實現綠色低碳發(fā)展提供了技術支撐。能耗在線監(jiān)測平臺以企業(yè)的能耗數據為基礎，通過對企業(yè)用能設備能耗數據進行采集、分析和處理，結合企業(yè)能源管理體系要求及能源審計要求，對企業(yè)用能設備的能耗情況進行分析與評估，從而實現企業(yè)對能效管理的持續(xù)改進。

參考文獻

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[3]姜翠麗,于文蛟.基于物聯網的公共機構能源管理系統的探索與實踐[J].現代信息科技,2022,6(8):168-171.

[4]安科瑞企業(yè)微電網設計與選型手冊.2022.05版.

作者介紹：
馮東鋮，現任職于安科瑞電氣股份有限公司

審核編輯 黃宇