高速公路分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實施

白宏光

（山西省交通新技術發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

分布式能源是我國能源轉型的基石之一，在過去的15年中，我國分布式能源政策不斷演進和發(fā)展，在國務院印發(fā)的《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》[1]中提到，“積極利用余熱余壓資源，推行熱電聯(lián)產(chǎn)、分布式能源及光伏儲能一體化系統(tǒng)應用，推動能源梯級利用。”隨著分布式能源規(guī)模的迅速增長，其合理、高效、綜合提高能源利用率的優(yōu)勢不斷凸顯。

與此同時，由于分布式能源和可再生能源種類、規(guī)約、規(guī)模以及空間跨度等原因，導致對其進行集中監(jiān)測與優(yōu)化控制、管理成為了新的技術難題[2]。本文結合山西省高速公路服務區(qū)分布式能源系統(tǒng)的應用場景，設計并實施了一種基于物聯(lián)網(wǎng)與云技術，可分布式部署且模塊化可擴展的分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)，首次實現(xiàn)高速公路服務區(qū)應用場景下分布式能源的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、實時監(jiān)測和集中分析。

1 物聯(lián)網(wǎng)的技術體系架構

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分。近年來，隨著芯片、通訊及數(shù)據(jù)科學等技術的促進，物聯(lián)網(wǎng)技術也得到快速的發(fā)展與進步，在物流、安防、交通、家居、醫(yī)療、能源、制造等各個行業(yè)與領域都得到廣泛應用[3]。

物聯(lián)網(wǎng)是一個開放的、綜合的技術體系，需要多種技術共同支撐，其關鍵技術主要包括3個方面——信息感知、信息傳遞與信息處理。信息感知，是指利用攝像頭、麥克風、全球定位系統(tǒng)等各種傳感器捕獲與測量不同數(shù)據(jù)與信息；信息傳遞，是指利用各種有線與無線通訊技術，包括傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場總線通訊的技術，對采集的信息進行更大范圍、更高速度的傳輸；信息處理，是指利用云計算、邊緣計算、人工智能等現(xiàn)代智能計算技術，對采集的海量數(shù)據(jù)進行建模、分析、可視化與綜合利用[4]。

基于以上信息感知、信息傳遞與信息處理3方面要素，一個典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也可以分為感知層、交換層以及應用層3個層面[5]。感知層主要包括不同種類的傳感器及就地的數(shù)據(jù)采集終端，用于感知、測量與采集不同類型、不同維度的信息，這些信息既包括在現(xiàn)有的類似系統(tǒng)中可能已經(jīng)采集并處理過的信息，也包括傳統(tǒng)條件下沒有收集的有效信息。信息交換層是感知層與應用層間連接的紐帶，目前，可供物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用的通訊方式多種多樣，需要根據(jù)具體的應用場景去甄選最適合的傳輸形式，但整體的趨勢是在確保信息安全的前提下，通過電信服務商網(wǎng)絡直接接入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)真正意義上的“萬物互聯(lián)”。應用層負責不同場景下對信息的提取、處理與運用，通過物聯(lián)網(wǎng)技術與不同專業(yè)領域的充分融合，來實現(xiàn)設備與系統(tǒng)智能化的目的。在不同行業(yè)、不同應用場景下，應用層的表現(xiàn)可能千差萬別。物聯(lián)網(wǎng)技術體系架構示意如圖1。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術體系架構

2 分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

山西省高速公路服務區(qū)的分布式能源系統(tǒng)，主要指“煤改電”[6]改革后的熱泵系統(tǒng)、電鍋爐、電蓄熱、水地源熱泵等分布式供暖設備。目前，高速公路服務區(qū)分布式能源系統(tǒng)中普遍存在以下問題：

a）能源設備部署分散，運行條件復雜，人工巡檢效率低，無法實現(xiàn)有效的監(jiān)控與監(jiān)管。

b）能源設備主要通過人工手動控制調節(jié)，在外界環(huán)境條件變化的情況下，人工調節(jié)存在嚴重滯后，設備無法實現(xiàn)經(jīng)濟、舒適的運行模式。

c）能源設備的運行受到外部供電電源質量、運行環(huán)境等各方面因素影響[7]，設備運行中的安全隱患無法及時發(fā)現(xiàn)。

針對上述問題設計的分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用現(xiàn)代通信技術，對遍布山西省的各個高速公路服務區(qū)分布式能源系統(tǒng)設備的基本情況、用電量、供暖量、設備健康狀態(tài)、環(huán)境數(shù)據(jù)等參數(shù)進行實時采集，并利用網(wǎng)絡傳輸?shù)郊械臄?shù)據(jù)中心服務器進行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)展示。通過與就地的工業(yè)自動化系統(tǒng)結合，分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)還能夠遠程操作各個能源設備并調節(jié)其參數(shù)，以實現(xiàn)設備的智能化運行。在具備一定歷史數(shù)據(jù)的基礎上，在線監(jiān)測系統(tǒng)還能夠通過人工智能技術對未來能耗、設備健康進行預測與診斷。系統(tǒng)整體功能需求分析示意如圖2。

圖2 分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)功能需求分析

3 分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)實施方案

針對分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，結合物聯(lián)網(wǎng)項目的技術體系架構，設計并實施高速公路分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)。與標準的物聯(lián)網(wǎng)項目結構類似，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)應用3部分，系統(tǒng)見圖3。

圖3 分布式能源物聯(lián)網(wǎng)檢測項目結構

3.1 數(shù)據(jù)采集

高速公路服務區(qū)分布式能源的運行數(shù)據(jù)，包括電能與非電能兩大類型。其中，電能信號又分為總電能與分設備電能；非電能信號包括壓力、溫度、流量、熱量[8]以及設備運行過程中自身傳感器產(chǎn)生的其他數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集部分通過邊緣計算網(wǎng)關，因地制宜采用不同的策略進行數(shù)據(jù)采集。

現(xiàn)代的分布式能源系統(tǒng)，總用電量一般通過智能電表進行采集，邊緣計算網(wǎng)關可通過紅外讀表終端，利用非接觸式的方法采集智能電表的數(shù)據(jù)，對于供電部門允許直接連接的電表，也可以通過RS485等工業(yè)總線直接從智能電表上讀取數(shù)據(jù)。

對于各個熱泵、電鍋爐、水泵等獨立的用電設備，為便于數(shù)據(jù)分析，需要加裝電量傳感器進行數(shù)據(jù)采集。為減少對運行中系統(tǒng)的影響，電流的采集可通過卡扣形式的傳感器，在不影響設備工作的情況下，直接采集設備電流。在邊緣計算網(wǎng)關中，通過對采集到的電壓、電流傳感器數(shù)據(jù)進行計算，可以得出功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率等電能參數(shù)。

非電量數(shù)據(jù)通過各自的傳感器或設備內置的傳感器進行采集，壓力、流量、溫度、熱量等傳感器，一般可分為模擬量與通訊式兩種。對于模擬量輸出的傳感器，需要將其接入網(wǎng)關對應的模擬量接口，或通過模擬量轉通訊的模塊進行轉換。對于包含通訊接口的傳感器，可直接接入網(wǎng)關的相應接口，通過設置即可進行數(shù)據(jù)采集。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸部分的核心是邊緣計算網(wǎng)關，網(wǎng)關一方面需要從現(xiàn)場設備與傳感器上讀取數(shù)據(jù)，另一方面需要對采集到的數(shù)據(jù)進行清洗、壓縮及預處理，以去除冗余，減少數(shù)據(jù)傳輸量。

網(wǎng)關與就地設備之間，一般通過現(xiàn)場總線或局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，對于需要進行遠程控制的設備，其控制指令鏈路采取加密認證與傳輸?shù)姆绞?，以保證設備操作的安全性。常用的工業(yè)現(xiàn)場通訊的總線協(xié)議包括基于RS485或RS232的串口協(xié)議，以及基于串口的Mosbus，Profibus，CC-link等協(xié)議，也包括基于以太網(wǎng)的Modbus-TCP，Profinet等標準協(xié)議。對于分散的小型無線智能傳感器（例如用于環(huán)境溫度測量的傳感器），也可通過藍牙、Zigbee、Wi-Fi、Lora等近場通訊協(xié)議無線接入網(wǎng)關。

網(wǎng)關一般采用有線網(wǎng)絡或者4G/5G的無線通訊方式接入電信運營商網(wǎng)絡。經(jīng)運營商網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務器。

3.3 數(shù)據(jù)應用

分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應用層采用現(xiàn)代的基于云原生的架構，采用云服務器進行數(shù)據(jù)的存儲與分析，以及向用戶提供基于標準HTTP服務的多平臺自適應應用服務。用戶通過電腦、平板電腦、手機瀏覽器訪問指定地址，經(jīng)過身份驗證后可以訪問各自權限內的站點。用戶也可以在電腦或手機端安裝客戶端進行訪問，與瀏覽器相比，客戶端支持在本地建立數(shù)據(jù)庫并與遠程同步，以便在離線狀態(tài)下進行進一步的數(shù)據(jù)、報表查詢等操作。

用戶可接觸到的所有上述監(jiān)測、控制以及報表、報警等可視化信息，均通過數(shù)據(jù)應用層向用戶展示，在用戶看不到的后臺，數(shù)據(jù)應用層需要包含的功能主要有以下幾方面：

a）安全機制 包括用戶認證，物聯(lián)網(wǎng)設備認證，數(shù)據(jù)傳輸加密等與網(wǎng)絡安全相關的安全機制。

b）數(shù)據(jù)轉存 對于客戶端傳輸?shù)椒掌鞯暮Ａ繑?shù)據(jù)，需要服務器快速有效地進行處理與轉存。為提高數(shù)據(jù)存儲效率，可通過非關系型的時序數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲。

c）數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理包括了根據(jù)用戶要求，對數(shù)據(jù)進行不同維度的分類、匯總以及分析與處理，并最終以用戶便于理解、閱讀的形式進行展示。

4 結論

本文以山西省高速公路分布式能源系統(tǒng)案例為基礎，對一種基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)進行介紹，該系統(tǒng)可以為用戶提供監(jiān)測、分析、控制、評估、維護等技術服務，集數(shù)據(jù)采集與處理、運行監(jiān)測、實時分析、信息展示等功能于一體，在保證網(wǎng)絡安全的前提下，為用戶進行能源監(jiān)測、控制與調度優(yōu)化以及設備運維提供了手段。

隨著分布式能源在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實施，高速公路分布式能源系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)將不斷產(chǎn)生并上傳到服務器，在線監(jiān)測系統(tǒng)的人工智能引擎也隨即通過數(shù)據(jù)進行建模與分析。而隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，人工智能引擎的分析與預測結果也將日趨精確，不斷從能源預測、能源調度與預測運維方面為用戶提供更多有參考價值的信息。