復(fù)雜環(huán)境下用能點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)采集的重點(diǎn)和難點(diǎn)分析

李 清，馬 翔，李 晨，劉 興，張 盼

（1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100035；2.北京市公用工程設(shè)計(jì)監(jiān)理有限公司，北京 100124；3.海特光電有限責(zé)任公司，北京 102206）

如今，許多企業(yè)都積極建設(shè)用于內(nèi)部管理的 能源管理系統(tǒng) ，按照系統(tǒng)建設(shè)時(shí)機(jī)分為新建項(xiàng)目和改造項(xiàng)目，按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況分為集約型項(xiàng)目和離散型項(xiàng)目。新建項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集層一般采用新裝遠(yuǎn)傳計(jì)量表計(jì)和傳感器的方式進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的采集和傳輸；改造項(xiàng)目由于設(shè)備改造工藝復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)條件受限等因素，很難通過加裝遠(yuǎn)傳計(jì)量器具的單一方式實(shí)現(xiàn)能耗的計(jì)量；集約型項(xiàng)目特點(diǎn)是用能點(diǎn)位置較為集中，一臺(tái)數(shù)據(jù)集中設(shè)備能夠接入多臺(tái)計(jì)量設(shè)備，項(xiàng)目成本較低；離散型項(xiàng)目由于用能點(diǎn)位置分散，很難實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集，單點(diǎn)均須配備計(jì)量和數(shù)據(jù)采集器設(shè)備，項(xiàng)目成本較高。

本文中 復(fù)雜環(huán)境 是指集 改造 和 分散型 的項(xiàng)目特點(diǎn)于一身的能源管理系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目，重點(diǎn)分析在該類項(xiàng)目中用能點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)采集的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 復(fù)雜環(huán)境能耗監(jiān)測(cè)的介紹

一般情況下 能源管理系統(tǒng) 均采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)，按照縱向分為主站管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和數(shù)據(jù)采集層三大部分。

主站管理層由服務(wù)器、客戶端，以及UPS、報(bào)表打印機(jī)等組成。網(wǎng)絡(luò)通信層由交換機(jī)、路由器、防火墻及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)線路組成，主干通信網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)光纖。企業(yè)內(nèi)網(wǎng)和公網(wǎng)之間應(yīng)采用防火墻、路由或者網(wǎng)閘進(jìn)行隔離。

數(shù)據(jù)采集層主要由數(shù)據(jù)集中器、遠(yuǎn)傳電表、水表等各儀表及傳感裝置通過RS485現(xiàn)場(chǎng)總線，與數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，然后數(shù)據(jù)集中器通過IP 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與主站的數(shù)據(jù)傳輸功能。

充分詳實(shí)的數(shù)據(jù)資料是一切決策的基礎(chǔ)，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的能源消耗進(jìn)行精確的計(jì)量和管理是主動(dòng)有效的節(jié)能增效行動(dòng)。數(shù)據(jù)采集層的建設(shè)是所有數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)，也是建設(shè)整個(gè)能源管理系統(tǒng)成本中占比例最高的部分。因此，數(shù)據(jù)采集層的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)能源管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2 典型案例項(xiàng)目調(diào)研

本文以某大型國(guó)有集團(tuán)內(nèi)部用能單位能耗數(shù)據(jù)采集為分析原型，采用考察、訪談、問卷等多種手段進(jìn)行了大量調(diào)研，并獲得廣泛信息。

（1）調(diào)研范圍：集團(tuán)總部、一至五分公司總部、高壓分公司總部，以及分公司下屬的所部、有人辦公或值守的班站。

（2）調(diào)研方法：采取發(fā)放調(diào)研表格和實(shí)地走訪相結(jié)合的方式。由集團(tuán)技術(shù)信息部組織向各分公司及下屬基層所站下發(fā)調(diào)研表格，填寫后回收；走訪分為分公司、所、班站三個(gè)層級(jí)，以及訪談能源管理員、實(shí)地考察能耗數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)工作。

（3）調(diào)研統(tǒng)計(jì)：全集團(tuán)上述單位有人辦公、值守的用能點(diǎn)共183處，基本達(dá)到了對(duì)集團(tuán)內(nèi)部用能點(diǎn)調(diào)研的100%覆蓋。

3 能耗數(shù)據(jù)采集的重點(diǎn)分析

經(jīng)過以上調(diào)研，課題組總結(jié)該項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集重點(diǎn)如下：

（1）集團(tuán)所屬用能單位均需要進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)采集，合理的組網(wǎng)形式十分重要。集團(tuán)所屬單位極其分散，組網(wǎng)形式的安全、合理、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)均需可靠保證。

（2）多種數(shù)據(jù)采集方式的有效結(jié)合十分重要。本項(xiàng)目無(wú)法統(tǒng)一安裝遠(yuǎn)傳計(jì)量表計(jì)進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)計(jì)量，如何獲取無(wú)法加裝遠(yuǎn)傳表計(jì)的耗能點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)，且各種采集方式間的有效結(jié)合是項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵。

（3）各類能源品種進(jìn)行統(tǒng)一采集、全面展示十分重要。各用能單位的能耗類型包含：用電、用水、燃油、天然氣，這幾類能源品種的獲取涉及到多種技術(shù)和方法，需要克服諸多問題和難點(diǎn)。

（4）能耗數(shù)據(jù)采集方案經(jīng)濟(jì)可靠十分重要。集團(tuán)下屬分所、班站等耗能量不大，但數(shù)量較多，若都加裝遠(yuǎn)傳表計(jì)，投資回報(bào)率較低。

4 能耗數(shù)據(jù)采集的難點(diǎn)分析

（1）保障數(shù)據(jù)安全難度大。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過廣域網(wǎng)或2G網(wǎng)絡(luò)傳輸，要求數(shù)據(jù)集中器應(yīng)具備抵擋主動(dòng)和被動(dòng)攻擊的功能，需加強(qiáng)數(shù)據(jù)和設(shè)備安全性處理。

（2）為了確定能耗數(shù)據(jù)采集組合方案，需要摸清用能點(diǎn)情況，調(diào)研難度大。調(diào)研工作需要對(duì)用能管理對(duì)象的監(jiān)測(cè)點(diǎn)、計(jì)量器具、安裝情況等進(jìn)行排查和摸底，調(diào)研工作需協(xié)調(diào)的工作流程復(fù)雜、工作量大，整體難度較大。

（3）物業(yè)產(chǎn)權(quán)類型多樣，施工方案協(xié)調(diào)難度大。各分公司、所、班站的辦公場(chǎng)所中，小部分是集團(tuán)自有產(chǎn)權(quán)物業(yè)，但絕大多數(shù)是從經(jīng)營(yíng)業(yè)主或產(chǎn)權(quán) 業(yè)主處租賃的，這將成為能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的不確定因素，并對(duì)項(xiàng)目的時(shí)間、人員、物料等各種成本產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其不利于施工方案的確定。

5 解決方案介紹

5.1 數(shù)據(jù)采集方案

根據(jù)項(xiàng)目需求分析和數(shù)據(jù)采集的重點(diǎn)、難點(diǎn)的分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集方案，如表1所示：

（1）網(wǎng)絡(luò)傳輸方案。從經(jīng)濟(jì)成本和施工難度等多方面考慮，本課題組設(shè)計(jì)了適用于燃?xì)饧瘓F(tuán)的有線（局域網(wǎng)）和無(wú)線（GPRS）相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式。

（2）網(wǎng)站數(shù)據(jù)抓取方案。網(wǎng)站頁(yè)面數(shù)據(jù)抓取方法是指系統(tǒng)定時(shí)自動(dòng)登錄數(shù)據(jù)頁(yè)面，輸入登錄信息，并獲取需要的數(shù)據(jù)。因此，簡(jiǎn)單、可靠、性能穩(wěn)定是該種數(shù)據(jù)采集方式的最高要求。

表1 我們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集方案

（3）視覺數(shù)據(jù)識(shí)別方案。視覺識(shí)別技術(shù)又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)常用的圖像處理方法有圖像增強(qiáng)、復(fù)原、編碼、壓縮等。

（4）遠(yuǎn)傳表具方案。本示范工程實(shí)驗(yàn)安裝的表計(jì)包含遠(yuǎn)傳水表、超聲波流量計(jì)、遠(yuǎn)傳電表。

（5）第三方系統(tǒng)對(duì)接方案。第三方系統(tǒng)對(duì)接主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的信息交互功能，以 HTTP 協(xié)議為基礎(chǔ)，通過 XML 進(jìn)行客戶端和服務(wù)器端通信的框架/組件。

（6）人工輔助登記方案。通過手機(jī)App應(yīng)用軟件對(duì)需要采集能耗的器具進(jìn)行拍照上傳，將數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)后臺(tái)，從而滿足不替換現(xiàn)有表具，借助手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳的需求。

5.2 數(shù)據(jù)集中器的研發(fā)

針對(duì)該集團(tuán)能耗數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)和難點(diǎn)，需定制研發(fā)一款集中器，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一采集、全面展示，并保證了數(shù)據(jù)安全。研發(fā)重點(diǎn)如下：

（1）數(shù)據(jù)集中器應(yīng)具備抵擋主動(dòng)和被動(dòng)攻擊的功能，需加強(qiáng)數(shù)據(jù)和設(shè)備安全性處理。數(shù)據(jù)集中器設(shè)備需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)有的加密處理，對(duì)系統(tǒng)的不同部分要選擇不同加密算法、不同的安全級(jí)別，并處理好各算法之間如何協(xié)作等。

（2）為了減少施工量和需要的集中器數(shù)量，要求數(shù)據(jù)集中器的每一下行接口均能同時(shí)兼容遠(yuǎn)傳水表、電表。

（3）要求數(shù)據(jù)集中器具備主動(dòng)采集模式，可根據(jù)預(yù)定的設(shè)置，主動(dòng)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)。

（4）為了降低設(shè)備維護(hù)成本，數(shù)據(jù)集中器維護(hù)模式要方便高效，可遠(yuǎn)程進(jìn)行設(shè)備升級(jí)和參數(shù)配置。

（5）要求數(shù)據(jù)集中器能夠支持有線和GPRS兩種網(wǎng)絡(luò)通信方式。為了節(jié)省設(shè)備成本，此處不建議同一設(shè)備兼具兩種通信方式。

（6）由于能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)需要進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)采集的用能點(diǎn)大部分需要單獨(dú)配置數(shù)據(jù)集中器，設(shè)備需求量較大，要求設(shè)備單品價(jià)格適中。

基于以上具體需求，數(shù)據(jù)集中器研發(fā)需要針對(duì)此類復(fù)雜環(huán)境單獨(dú)研發(fā)，硬件和軟件設(shè)計(jì)是相互關(guān)聯(lián)的，研發(fā)過程包括總體設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證等階段。

6 采集方案優(yōu)選

6.1 用電量采集方案的優(yōu)選分析

（1）首選方案為加裝智能電表。（2）網(wǎng)站數(shù)據(jù)抓取為可選方案。通過電力公司網(wǎng)站數(shù)據(jù)抓取的方式也可以獲得用電數(shù)據(jù)，但是受制于人，不提倡采納。（3）第三方系統(tǒng)平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)可選，但協(xié)調(diào)難度較大。（4）視覺識(shí)別技術(shù)不建議采用，該技術(shù)開發(fā)難度大且經(jīng)濟(jì)成本過高。

6.2 用水量采集方案的優(yōu)選分析

（1）大口徑水管首選外夾式超聲波流量計(jì)?？蓪?shí)現(xiàn)不破管、不停水安裝，并能夠穩(wěn)定、正常地傳輸能耗數(shù)據(jù)。對(duì)于大口徑（DN≥100）水管，外夾式超聲波流量比同規(guī)格的截管安裝的水表有著較大優(yōu)勢(shì)。

（2）小口徑水管首選截管安裝的水表。此種方案計(jì)量更精準(zhǔn)，成本更低。

（3）視覺識(shí)別技術(shù)。經(jīng)課題組進(jìn)行大量的調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，視覺識(shí)別裝置只能應(yīng)用于小口徑（DN15，DN20，DN25）的數(shù)字水表，對(duì)于大口徑或機(jī)械水表，目前沒有找到能夠與之匹配的視覺識(shí)別裝置。盡管存在問題，該方法仍是一種可選方法，且在部分場(chǎng)所可能是唯一方法。

（4）第三方系統(tǒng)平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)可選。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，自來水公司的能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)還在進(jìn)行中，大部分水表還沒有納入到改造計(jì)劃內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)抓取技術(shù)在今后一段時(shí)間內(nèi)還無(wú)法應(yīng)用。而各單位又基本不存在有單獨(dú)的自來水計(jì)量系統(tǒng)，故此方案暫時(shí)看不到應(yīng)用的必要性。

6.3 油耗采集方案的優(yōu)選分析

油耗量的采集與水、電不同，不可能通過表計(jì)來實(shí)現(xiàn)。該集團(tuán)的公務(wù)車輛均采用的中石化的油卡，通過中石化的網(wǎng)站可以查詢購(gòu)油量。所以，網(wǎng)絡(luò)抓取是油耗實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集的唯一方法。在能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)中，全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集固然好，但對(duì)于一些能耗量很少，或者辦公場(chǎng)所可能搬遷的用能點(diǎn)，耗費(fèi)資金進(jìn)行能耗采集設(shè)備建設(shè)的必要性是值得商榷的。對(duì)于這樣的用能點(diǎn)，也可安排工作人員手工錄入能耗數(shù)據(jù)，作為過渡措施。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文的主要目的在于，提出更多的能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)方案在復(fù)雜環(huán)境項(xiàng)目中能耗數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，例如視覺識(shí)別技術(shù)、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)站數(shù)據(jù)抓取、第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)接等。期望能夠通過本文對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的需求和技術(shù)難點(diǎn)的總結(jié)，能夠與行業(yè)內(nèi)的業(yè)務(wù)精英和有識(shí)之士形成共鳴，或有所啟發(fā)。