安科瑞 陳聰

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和應用，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)技術的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、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(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)測平臺應用策略，以供參考。

關鍵詞：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(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，無法準確掌握企業(yè)能耗數(shù)據(jù)情況。而將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到企業(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)絡層、數(shù)據(jù)層和應用層。能耗在線監(jiān)測平臺對系統(tǒng)進行總體設計，通過對采集設備的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的能源計量和監(jiān)測，建立一個準確的能源統(tǒng)計和能源平衡方法，實現(xiàn)對能耗設備、系統(tǒng)的在線監(jiān)測和管理。采用物聯(lián)網(wǎng)技術將采集層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層和應用層有機結(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)絡傳輸設備（通訊網(wǎng)關）等組成，通過采集設備與服務器連接，服務器通過通訊網(wǎng)關與現(xiàn)場設備連接，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)測平臺應用策略

2.1 智慧化系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)技術對工業(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上進行智能化升級改造，實現(xiàn)對工業(yè)企業(yè)用能設備運行數(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，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(wǎng)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(wǎng)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(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)能診斷服務平臺、能源統(tǒng)計分析與能效評估服務平臺。

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)絡層和應用層三部分組成。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(shù)據(jù)的能力；網(wǎng)絡層主要由工業(yè)以太網(wǎng)和無線通信網(wǎng)絡構(gòu)成，將采集到的能耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤樱瑢崿F(xiàn)企業(yè)用能數(shù)據(jù)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(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，主要由計量設備、數(shù)據(jù)采集設備和控制設備組成，負責對各生產(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)采集設備中，再通過數(shù)據(jù)采集設備進行實時數(shù)據(jù)的采集和上傳。當有新的生產(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)絡將數(shù)據(jù)采集器所采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌?，服務器根?jù)相應標準將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準格式后，再通過 GPRS 或 CDMA 無線網(wǎng)絡傳輸?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。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(shù)據(jù)的采集和分析，及時發(fā)現(xiàn)設備故障、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(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）平臺要部署相應的監(jiān)控應用軟件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)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(tǒng)需要對硬件設備進行配置并進行檢測調(diào)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(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限對用戶進行分組管理。用戶可根據(jù)權限訪問相應的子系統(tǒng)或子應用；每個子系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)網(wǎng)絡架構(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器上的客戶機程序，通過 TCP/IP 協(xié)議與服務器端進行通信，與服務器進行數(shù)據(jù)交換。在資源共享及交換的過程中，應做好以下兩方面內(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(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(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(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)設備效率指標；基于生產(chǎn)設備效率的能耗效率排名分析功能包括：排名*的生產(chǎn)設備效率指標排名、排名*二十的生產(chǎn)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(tǒng)計；當日用電量統(tǒng)計；當月總用電量統(tǒng)計；本月總用電總量統(tǒng)計。

2.6 能耗指標控制

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波動的設備或工序等因素，可以在平臺上進行干預或調(diào)整，從而提高整個生產(chǎn)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(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)；在能源消耗指標發(fā)生波動時能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并進行干預或調(diào)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(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)錄入了基礎信息和歷史用能信息，系統(tǒng)可以自動搜索與之對應的能源數(shù)據(jù)；如果用戶沒有錄入基礎信息和歷史用能信息，系統(tǒng)可以自動搜索與之對應的能耗數(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(shù)據(jù)支撐。用戶可按照有關規(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(tǒng)設計、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(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)導出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進行生成柱狀圖。

6.4 復費率統(tǒng)計

復費率報表按日、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(tǒng)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(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，通過對企業(yè)用能設備能耗數(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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