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淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺構(gòu)建與實(shí)施

更新時(shí)間:2021-05-25 點(diǎn)擊次數(shù): 1465次

劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

 


摘要:為加強(qiáng)能耗管理,改變?nèi)斯こ淼默F(xiàn)狀,柴里煤礦利用信息化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)技術(shù),建立了能耗在線監(jiān)測平臺,對能源介質(zhì)的生產(chǎn)、輸送和消耗及供能、用能設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理,通過實(shí)施運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了能源的科學(xué)調(diào)度,能損隱患及時(shí)排查,規(guī)避了用能浪費(fèi),具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

 

關(guān)鍵詞:能耗在線;物聯(lián)網(wǎng);節(jié)能降耗;智慧礦山

 


1引言
  目前柴里煤礦能耗管理仍然依靠較為傳統(tǒng)的人工操作方式,這種方式不僅速度慢,而且極易產(chǎn)生誤差,同時(shí)無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)預(yù)警、對標(biāo)管理,只能事后控制,已經(jīng)無法滿足該礦自身對能耗管理的需要。
柴里煤礦年綜合能源消費(fèi)量16000t標(biāo)準(zhǔn)煤,屬于國家重點(diǎn)用能單位,耗電4725萬kW•h,耗蒸汽293478萬t,耗水21.89萬t,年折合價(jià)值分別達(dá)到2646萬元、1681萬元、32.84萬元。按照國家能源戰(zhàn)略和《節(jié)約能源法》及國家發(fā)展改革委發(fā)布的《重點(diǎn)用能單位節(jié)能管理辦法》的要求,作為重點(diǎn)用能單位,必須加強(qiáng)節(jié)能管理,提高能源利用效率,控制能源消費(fèi)總量,促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。為達(dá)到上述目標(biāo),必須積極推進(jìn)能源在線系統(tǒng)平臺建設(shè)。

 

2構(gòu)建能耗在線監(jiān)測平臺的總體思路及技術(shù)
2.1總體思路

  該平臺利用目前比較先進(jìn)的lora技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。lora是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離低功耗廣域網(wǎng)無線傳輸方式,屬于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)之一,它的特點(diǎn)就是低功耗、遠(yuǎn)距離,可以有效地抗擊干擾并實(shí)現(xiàn)加密。軟件開發(fā)采用Java語言進(jìn)行設(shè)計(jì),后臺數(shù)據(jù)庫采用Mysql存儲(chǔ),整個(gè)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)。該平臺利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),結(jié)合自動(dòng)采集、信息化管理、數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代化手段,構(gòu)建適應(yīng)柴里煤礦實(shí)際需要的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng),并組織實(shí)施,從而逐步提升柴里煤礦能耗管理水平。


2.2流程實(shí)現(xiàn)及主要架構(gòu)
  整個(gè)系統(tǒng)平臺劃分為三個(gè)層級:第一層級為能效數(shù)據(jù)采集層,第二層級為網(wǎng)絡(luò)通信層,第三層級為管理層。能效數(shù)據(jù)采集層是對各種用能設(shè)備進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)在線監(jiān)測,包括對耗水、耗電、耗汽等信息參數(shù)進(jìn)行采集。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是通過網(wǎng)絡(luò)通信方式,將現(xiàn)場采集到的各類參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。管理層由路由器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、WEB服務(wù)器等設(shè)備組成。系統(tǒng)通過對柴里煤礦的整體用能信息處理、分析和展現(xiàn),可以動(dòng)態(tài)了解當(dāng)前的能耗和生產(chǎn)情況,并客觀地做出更好的能源管理決策、管理和調(diào)度,建立一種高效落實(shí)的生產(chǎn)能源管理體系。


2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想及技術(shù)
  根據(jù)能源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、分布式計(jì)算,以及與其他子系統(tǒng)互聯(lián)的要求,采用了開放分布式的設(shè)計(jì)思想,采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61970CIM/CIS,面向柴里煤礦電、水、蒸汽等能源介質(zhì),對計(jì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、處理、管理,并預(yù)留擴(kuò)展功能,實(shí)現(xiàn)了基于Internet的遠(yuǎn)程維護(hù)和網(wǎng)上瀏覽功能,為礦井能源管理實(shí)現(xiàn)信息化提供一套先進(jìn)的、開放的、可擴(kuò)展的、可靠的管理平臺,并在此平臺上支持對礦井各種能源數(shù)據(jù)的高級分析應(yīng)用。

 

3構(gòu)建能耗在線監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
3.1硬件設(shè)施

  按照用能單位能源計(jì)量器具配備和管理要求,該平臺的電氣計(jì)量設(shè)施設(shè)備全部采用國網(wǎng)規(guī)范的國網(wǎng)表,精度為0.5s級。該類型計(jì)量設(shè)備具有計(jì)量準(zhǔn)確性高、數(shù)據(jù)格式符合國網(wǎng)規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)。用水設(shè)施采用外夾式超聲波水表,該類型水表具有不需要切割原來的管道、不會(huì)對生產(chǎn)生活造成停水、安裝方便快捷、計(jì)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)。蒸汽數(shù)據(jù)采用隔離器將三路輸入信號一分為二,新增二次表計(jì)的方式,該方式不會(huì)對原來表的使用造成影響。

 

3.2通訊與組網(wǎng)技術(shù)
  該通信系統(tǒng)基于Lora技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)各類參數(shù)與命令的下達(dá)、數(shù)據(jù)的采集及上傳,主要由通信基站、計(jì)算機(jī)終端、集成通信模塊的用戶設(shè)備、具備通信功能的用戶設(shè)備等組成,如圖1。
  系統(tǒng)采用了分時(shí)間片的組網(wǎng)方式,解決了無線串口收發(fā)模塊可以一發(fā)多收,不能同時(shí)多發(fā)一收的障礙。
  如圖2,這種組網(wǎng)方式是先由主機(jī)發(fā)起廣播時(shí)間,從機(jī)收到后,首先校對并同步本地時(shí)間,然后根據(jù)配置的編號進(jìn)行陸續(xù)上傳,從而實(shí)現(xiàn)多發(fā)一收的功能。這種組網(wǎng)方式收發(fā)數(shù)據(jù)節(jié)約大量時(shí)間,并且能夠防止同時(shí)收發(fā)造成的系統(tǒng)沖突。

 

 

圖1基于Lora的組網(wǎng)通信系統(tǒng)組成示意圖

 

 

圖2分時(shí)間片組網(wǎng)圖

 


4構(gòu)建能耗在線監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)監(jiān)測終端
4.1監(jiān)測系統(tǒng)

  所有電、水、蒸汽等計(jì)量設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸采用全新的基于Lora技術(shù)的無線模塊來完成。該技術(shù)是一種低功耗局域網(wǎng)無限標(biāo)準(zhǔn),改變了計(jì)量設(shè)備的有線數(shù)據(jù)傳輸方式,每一處采集點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)匯總到lora無線模塊,而后,此模塊以lora協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端的無線接收模塊,接收模塊再將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)集中器。該設(shè)備替代了本該在每個(gè)采集點(diǎn)放置的數(shù)據(jù)集中器,并且省去很多的485通訊線等輔材及潛在的施工工時(shí),在保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定的情況下,數(shù)據(jù)質(zhì)量*達(dá)到了項(xiàng)目要求。該方案的實(shí)施,一是很大程度地降低了成本,由于本項(xiàng)目表計(jì)眾多,位置復(fù)雜,舊表走線復(fù)雜,安裝分散,無線模塊在不改變舊表通訊線走線的情況下直接將數(shù)據(jù)送至服務(wù)器,可以節(jié)約大量成本;二是縮短了施工時(shí)間,確保了該項(xiàng)目如期完成并通過上級主管部門驗(yàn)收;三是很大程度地避免了重復(fù)施工問題和很多潛在的施工隱患。


4.2通信設(shè)計(jì)
  本系統(tǒng)組網(wǎng)通信主要是有線485方式和無線Lora方式,通信方式為RTU,通訊協(xié)議為MODBUS,確??梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信和點(diǎn)(基站)對多(模塊)通信。

 

5構(gòu)建能耗在線監(jiān)測平臺信息管理系統(tǒng)
5.1軟件功能設(shè)計(jì)

  能源在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺總體架構(gòu)遵循SOA設(shè)計(jì)理念,采用多層分布式體系架構(gòu),在具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選擇上,針對本項(xiàng)目的功能需求,系統(tǒng)采用C++和JAVA混合的技術(shù)路線。其中系統(tǒng)的采集計(jì)算平臺主要面向采集設(shè)備,對于系統(tǒng)的性能、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性要求較高,采用C++技術(shù)實(shí)現(xiàn);系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)應(yīng)用主要面向操作人員實(shí)現(xiàn)管理分析功能,對于系統(tǒng)的易用性、易維護(hù)性和功能的可擴(kuò)展性要求較高,采用JavaEE技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

 

5.2軟件系統(tǒng)功能特點(diǎn)
5.2.1能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)功能

  通過采集安裝在現(xiàn)場的各種智能表計(jì)、DCS/ERP等系統(tǒng)提供的能耗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)等,上送至系統(tǒng)主站中,包含電、水、汽、熱等能源數(shù)據(jù)的采集和手工補(bǔ)錄、集中器電表等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、越限告警、異常告警等。

 


5.2.2實(shí)時(shí)監(jiān)測功能
  可根據(jù)實(shí)際配電系統(tǒng)組態(tài)模擬高壓系統(tǒng)圖、低壓線路圖,對高壓、低壓回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,監(jiān)測電度、電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素等參數(shù)。

 

5.2.3能源數(shù)據(jù)的分析功能
  通過對不同對象的數(shù)據(jù)及趨勢曲線分析,有助于管理者了解各個(gè)能源系統(tǒng)的工作狀態(tài),并迅速做出決策。

 


5.2.4能耗報(bào)警管理功能
  通過能耗分析系統(tǒng)智能感知,將能耗異常(用能定額超標(biāo)、待機(jī)能耗、夜間常流水等)通知相關(guān)責(zé)任人。

 


5.2.5報(bào)表打印功能
  該系統(tǒng)不單能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模板的打印,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自定義數(shù)據(jù)功能??蛻艨梢詫Ω黝悎?bào)表進(jìn)行自定義管理、顯示,并能夠?qū)崿F(xiàn)全圖形、全漢化的顯示和打印功能,人機(jī)界面較好。系統(tǒng)采用交互式、多窗口技術(shù),可以方便快捷進(jìn)行窗口調(diào)用。

 


5.2.6后臺管理功能
  包含檔案維護(hù)、權(quán)限管理、設(shè)備管理等功能。

 


6實(shí)施效果
  能耗在線監(jiān)測平臺在柴里煤礦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作以來,不僅減少人工投入,還大大提高數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性,據(jù)測算,每年可節(jié)省電、汽、水抄錄、匯總等人工費(fèi)用90余萬元。2020年綜合能耗6.02kgce/t,較去年同期(8.50kgce/t)下降2.48kgce/t,能源消費(fèi)量5404tce,較去年同期(6380tce)下降976tce,初步測算節(jié)能效率達(dá)15%,節(jié)約能源消耗成本70余萬元。日常對水、電、蒸汽費(fèi)用的消耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警,有效地降低了各項(xiàng)成本費(fèi)用的支出,合計(jì)降低557.75萬元。

 


7安科瑞重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)
  根據(jù)《重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設(shè)工作方案》的要求,重點(diǎn)用能單位接入端系統(tǒng)部署在重點(diǎn)用能單位內(nèi)部,由重點(diǎn)用能單位負(fù)責(zé)建設(shè)。
  主要功能:通過計(jì)量儀表、工控系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)上傳至省級平臺,或直接上傳至國家平臺;重點(diǎn)用能單位接入端系統(tǒng)要通過網(wǎng)閘、防火墻、隔離等措施,確保內(nèi)部系統(tǒng)和數(shù)據(jù);要具備遠(yuǎn)程升級維保、一端多傳、接收國家和省級平臺推送信息和用能單位自身能源管理所需的功能。
  安科瑞可為企業(yè)接入端系統(tǒng)提供完整解決方案:

 

 

 

7.1端設(shè)備
  企業(yè)接入端系統(tǒng)需要從生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中采集能耗相關(guān)數(shù)據(jù),考慮到企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)(互聯(lián)網(wǎng)) 之間并不互通的實(shí)際情況,企業(yè)接入端系統(tǒng)將通過具備2+1架構(gòu)的物理隔離裝置--能耗在線監(jiān)測端設(shè)備,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)之間的物理連接,在數(shù)據(jù)傳遞過程中確保從生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)(內(nèi)網(wǎng))獲取的能耗數(shù)據(jù)以單向傳遞、隔離加密、文件擺渡的形式傳遞到辦公網(wǎng)絡(luò)(外網(wǎng)),再通過外網(wǎng)主機(jī)側(cè)的CA數(shù)字認(rèn)證證書進(jìn)行身份認(rèn)證識別后上傳至省(市)級平臺。結(jié)構(gòu)如圖所示:

 

 

7.1.1端設(shè)備硬件參數(shù)

 

 


(1)單主板采用低功耗處理器;
(2)單主板內(nèi)存大小4G;
(3)硬盤:64G 固態(tài)硬盤;
(4)獨(dú)立雙主機(jī)“2+1”架構(gòu)非IP物理隔離;
(5)帶VGA接口,可外接顯示器,便于現(xiàn)場維護(hù)操作;
(6)雙冗余開關(guān)電源,互為備用、支持熱插拔,保障端設(shè)備的可靠性,具有電源故障聲光報(bào)警功能;
(7)8路RS485串口;
(8)4路千兆以太網(wǎng);
(9)4個(gè)USB接口,可用于CA證書接口;

 


7.1.2端設(shè)備軟件功能
(1)支持從現(xiàn)場的儀表通過Modbus(GB/T19582)、DL/T645、CJ/T188等協(xié)議采集需要的能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并進(jìn)行匯總生成上報(bào)的能耗數(shù)據(jù);
(2)支持從能源網(wǎng)關(guān)、DTU、SCADA通過Modbus TCP(GB/T19582)、能耗協(xié)議等上傳的能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并進(jìn)行匯總生成上報(bào)的能耗數(shù)據(jù);
(3)支持從自動(dòng)化信息系統(tǒng)通過OPC協(xié)議采集需要的能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并進(jìn)行匯總生成上報(bào)的能耗數(shù)據(jù);
(4)支持手工填報(bào)數(shù)據(jù):對于不具備在線采集條件的數(shù)據(jù),提供手工填報(bào)數(shù)據(jù)上傳;
(5)具有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、本地存儲(chǔ)功能,本地歷史數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)6個(gè)月以上;
(6)可根據(jù)項(xiàng)目情況錄入企業(yè)基本信息、企業(yè)生產(chǎn)層級結(jié)構(gòu)、計(jì)量器具檔案信息、端設(shè)備信息、數(shù)據(jù)采集項(xiàng)信息等各類基本信息;
(7)按照《NHJC-04-2018 重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范-端設(shè)備接口協(xié)議規(guī)范》的要求往國家或省級平臺上傳數(shù)據(jù);
(8)支持?jǐn)嗑€緩存,保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性;
(9)端設(shè)備平臺方便用戶使用、配置;
(10)支持人工補(bǔ)錄、遠(yuǎn)程升級;
(11)用能數(shù)據(jù)集抄;
(12)數(shù)據(jù)上傳日志。

 


7.2 ANet系列能源網(wǎng)關(guān)
 

 

 

 

  ANet系列能源網(wǎng)關(guān),可將企業(yè)內(nèi)分散的能源計(jì)量器具集中采集后上傳至端設(shè)備,滿足國家辦公、大型公共建筑、工業(yè)企業(yè)等能源管理系統(tǒng)中對于水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的能耗計(jì)量及分項(xiàng)數(shù)據(jù)采集需求,搭配簡單易用的數(shù)據(jù)配置軟件工具,可以快速配置所需采集數(shù)據(jù)及上傳數(shù)據(jù)等各項(xiàng)參數(shù)信息。

 


7.2.1能源網(wǎng)關(guān)硬件參數(shù)

 

 


7.2.2軟件功能
(1)支持多種儀表協(xié)議:支持 DL/T645 、GB/T 19582-200(Modbus)、 CJ/T 188-2004 等;
(2)Modbus TCP 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā);
(3)分項(xiàng)計(jì)量 Xml 數(shù)據(jù)報(bào)文定時(shí)上傳;
(4)數(shù)據(jù)AES加密;
(5)斷點(diǎn)續(xù)傳;
(6)數(shù)據(jù)存儲(chǔ);
(7)遠(yuǎn)程配置及維護(hù);

 


7.2.3相關(guān)報(bào)告及證書
(1)GB/T 17626.2-2018《電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)》4級。
(2)GB/T 17626.6-2017《電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)射頻電磁場輻射抗擾度實(shí)驗(yàn)》3級。
(3)GB/T 17626.4-2018《電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》4級。
(4)GB/T 17626.5-2019《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》4級。
(5)GB 9254-2016《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》合格。

 

 

 

 

7.3設(shè)備選型

 

 


8結(jié)語
  該平臺的構(gòu)建是利用信息技術(shù)推動(dòng)節(jié)能降耗,是提升企業(yè)精細(xì)化管理水平的重要舉措,為企業(yè)準(zhǔn)確把握和分析節(jié)能降耗發(fā)展趨勢,科學(xué)利用能源提供技術(shù)支撐,也為節(jié)能管理部門掌握、分析信息、研究節(jié)能改造和制定相關(guān)政策措施提供科學(xué)的依據(jù)。

 


【參考文獻(xiàn)】
[1]陳漢章,高宏濤,吳浩.大型煤炭企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2019,38(11):159-163.
[2]馬勇,劉曉燕,姜灃恩.基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺的構(gòu)建與實(shí)施[J].山東煤炭科技,2021,39(02):173-175.
[3]安科瑞重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng).2020.10版

 

作者簡介:劉細(xì)鳳,女,本科,現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司

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