基于安全隔離的能源計(jì)量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)應(yīng)用探究

李杰 傅爾權(quán) 李宇宸 周云騰 馬海峰

摘要：文章詳細(xì)分析了能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中基于安全隔離的能源計(jì)量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)的作用和實(shí)際價(jià)值。

Abstract： The article analyses the role and value of energy measurement data information switch system based on security isolation during construction of energy consumption online monitoring system.

關(guān)鍵詞：能耗在線監(jiān)測(cè);能源計(jì)量數(shù)據(jù);信息交換系統(tǒng)

Key words： energy consumption online monitoring;energy measurement data;information switch system

中圖分類號(hào)：TP274+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）15-0145-03

0 ?引言

黨的“十九大”強(qiáng)調(diào)推動(dòng)綠色發(fā)展、壯大節(jié)能環(huán)保、清潔生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)要求政府部門增強(qiáng)執(zhí)政本領(lǐng)，善于運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)和信息化的手段開展工作，建設(shè)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一方面通過(guò)設(shè)計(jì)、研發(fā)、咨詢、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)，有利于培養(yǎng)和發(fā)展節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)，另一方面，不斷降低生產(chǎn)過(guò)程中的能耗，減少污染的排放，推動(dòng)清潔生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與節(jié)能減排、生態(tài)文明建設(shè)的深度融合，提高我國(guó)節(jié)能減排信息化管理水平。

用能單位通過(guò)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)獲得準(zhǔn)確的能源計(jì)量數(shù)據(jù)信息，這不僅限于本企業(yè)的數(shù)據(jù)信息，在信息安全、保密的前提下也可通過(guò)系統(tǒng)獲得橫向的、本行業(yè)的領(lǐng)先的數(shù)據(jù)信息，可幫助企業(yè)發(fā)現(xiàn)自身存在的問(wèn)題，開展對(duì)標(biāo)工作，通過(guò)優(yōu)化節(jié)能管理，進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力減少能源消耗，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高效益，同時(shí)提高企業(yè)節(jié)能管理的信息化水平，實(shí)現(xiàn)智能化、精細(xì)化管理，這是今后一段時(shí)期重點(diǎn)用能單位節(jié)能管理的趨勢(shì)和方向。能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域示意圖見圖1。

1 ?用能單位能源管理信息化現(xiàn)狀

目前我國(guó)用能單位能源管理信息化主要通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：

——對(duì)接分布式控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）;

——企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)（ERP， Enterprise Resources Planning）;

——可編程邏輯控制器（PLC， Programmable Logic Controller）;

——智能電子設(shè)備（IED）;

——監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng);

——運(yùn)動(dòng)控制（MC）系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）;

——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）;

——過(guò)程控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)（SIS）及相關(guān)的信息系統(tǒng)，例如先進(jìn)控制或者多變量控制、在線優(yōu)化器、專用設(shè)備監(jiān)視器、圖形界面、過(guò)程歷時(shí)記錄、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表等。

以上信息系統(tǒng)在采集、分析、匯總、上傳用能單位能耗數(shù)據(jù)方面都存有不同的缺點(diǎn)。如：集散控制系統(tǒng)（DCS）表現(xiàn)在首先是系統(tǒng)開放性不夠：各公司的集散控制系統(tǒng)之間、集散控制系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)之間不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的信息互訪、信息交換。其次是系統(tǒng)采用常規(guī)儀表輸出4～20mA的模擬信號(hào)。需要進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。第三是控制功能靈活、適應(yīng)程度差：DCS系統(tǒng)使管理與控制相分離，它是先將現(xiàn)場(chǎng)各種控制設(shè)備連接至控制柜中然后通過(guò)電腦人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)進(jìn)行控制;

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS是連接現(xiàn)場(chǎng)所有控制柜通過(guò)總線型式連接到中控室進(jìn)行控制。但FCS是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接各控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議比較亂，不像目前DCS都差不多是TCP/IP協(xié)議了，今后的擴(kuò)展會(huì)有問(wèn)題，種種因素造成了不可能普及。

可編程邏輯控制器PLC，為不開放的封閉結(jié)構(gòu)，各可編程邏輯控制器生產(chǎn)廠家的硬件不能相互兼容，其語(yǔ)言指令迥異，如果客戶選擇了某一個(gè)廠家的產(chǎn)品，在系統(tǒng)的控制程序、編程語(yǔ)言等方面都需要額外特定學(xué)習(xí)。

究其上述諸多原因，為保證能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、互聯(lián)互通、信息共享的建設(shè)原則，就需在企業(yè)端建設(shè)具備能夠兼容主流協(xié)議和主流接口，提供實(shí)現(xiàn)與主流儀器儀表、DCS、能源管理系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊功能和具備信息安全隔離功能的一種能源計(jì)量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)，以完成數(shù)據(jù)采集、處理、匯集、上傳能源計(jì)量數(shù)據(jù)的任務(wù)。

2 ?能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本架構(gòu)

重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“國(guó)家平臺(tái)+省級(jí)平臺(tái)+重點(diǎn)用能單位端系統(tǒng)”的架構(gòu)，為各部委、各地節(jié)能主管部門節(jié)能監(jiān)管及為“百千萬(wàn)”重點(diǎn)用能單位節(jié)能改造予以必要支持，促進(jìn)重點(diǎn)用能單位能效提升。重點(diǎn)用能單位需按照《用能單位能源計(jì)量器具配置和管理通則》（GB 17167）配備計(jì)量?jī)x表。

能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本架構(gòu)圖見圖2。

國(guó)家平臺(tái)部署在國(guó)家電子政務(wù)外網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，由國(guó)家節(jié)能中心實(shí)施建設(shè)，其主要作用為接收并分析各地方能源信息平臺(tái)或“百千萬(wàn)”重點(diǎn)用能單位的能耗數(shù)據(jù)，為國(guó)家能耗監(jiān)管及“百千萬(wàn)”重點(diǎn)用能單位節(jié)能管理提供服務(wù)。國(guó)家平臺(tái)達(dá)到國(guó)家信息安全等級(jí)保護(hù)三級(jí)要求，可以為相關(guān)部委提供數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)信息共享。

省級(jí)平臺(tái)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的區(qū)域性公共服務(wù)平臺(tái)，也稱“省級(jí)能源計(jì)量數(shù)據(jù)中心”。部署在各省（區(qū)、市）電子政務(wù)外網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，用于接收、存儲(chǔ)、匯總、分析本地區(qū)內(nèi)重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，支持接入市級(jí)平臺(tái)上傳的能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并具備向國(guó)家平臺(tái)發(fā)送能耗數(shù)據(jù)的功能。

市級(jí)平臺(tái)部署在市（自治州）相關(guān)部門，接收、存儲(chǔ)、匯總、分析、上傳本地區(qū)內(nèi)重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為本地相關(guān)政府部門、用能單位提供應(yīng)用服務(wù)，也稱“市級(jí)能源計(jì)量數(shù)據(jù)中心”。

重點(diǎn)用能單位端系統(tǒng)一般由能源計(jì)量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)、計(jì)量器具、工業(yè)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的管理軟件等組成，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)，主要為用能單位提供能源管理服務(wù)。

?。ㄊ校┘?jí)平臺(tái)與重點(diǎn)用能單位之間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：用能企業(yè)側(cè)安裝能源計(jì)量器具，通過(guò)在企業(yè)內(nèi)部安裝能源計(jì)量數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、智能電表等多種方式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把相關(guān)的能源數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞。ㄊ校┢脚_(tái)。不同類型及規(guī)模的企業(yè)涉及的數(shù)據(jù)采集及傳輸方式有所不同，如圖3企業(yè)能耗數(shù)據(jù)采集傳輸方式示意圖所示。

3 ?能源計(jì)量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)

①定義：指放置在重點(diǎn)用能單位，用于采集、分析、匯總用能單位能耗數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)備總稱。

②作用：在企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最外端放置能源計(jì)量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)，不打破企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)有信息安全等級(jí)結(jié)構(gòu)。通過(guò)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)與現(xiàn)有信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，建立數(shù)據(jù)訪問(wèn)通道，從企業(yè)數(shù)字化平臺(tái)的中間數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取上報(bào)數(shù)據(jù)，內(nèi)網(wǎng)主機(jī)通過(guò)安全通道將數(shù)據(jù)單向擺渡到外網(wǎng)主機(jī)。在中間數(shù)據(jù)庫(kù)增加數(shù)據(jù)審核維護(hù)功能以提高企業(yè)上報(bào)數(shù)據(jù)質(zhì)量。外網(wǎng)主機(jī)主要負(fù)責(zé)基于CA證書的安全身份認(rèn)證，與上級(jí)平臺(tái)建立基于https的安全通道，進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（服務(wù)內(nèi)容）的下載和定期上傳能耗在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。外網(wǎng)主機(jī)獲取到由內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，會(huì)進(jìn)行處理和暫存，按照設(shè)定的時(shí)間和頻率將數(shù)據(jù)上傳至上級(jí)平臺(tái)。能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集與上傳示意圖見圖4。

1）可為用能單位提供節(jié)能信息、行業(yè)能效信息等數(shù)據(jù)服務(wù);2）可通過(guò)有線或無(wú)線方式采集重點(diǎn)用能單位的能耗相關(guān)數(shù)據(jù);3）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，驗(yàn)證、篩選、整理打包，對(duì)接上級(jí)平臺(tái);4）對(duì)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行物理隔離。

③系統(tǒng)實(shí)施要點(diǎn)。

1）內(nèi)外網(wǎng)連接和端口映射。內(nèi)外網(wǎng)主機(jī)不要連接到同一個(gè)網(wǎng)段上，并且數(shù)據(jù)總是通過(guò)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)向外網(wǎng)主機(jī)擺渡。2）用戶管理。用戶登錄密碼設(shè)置為長(zhǎng)密碼和字母數(shù)字、特殊字符混合密碼，增強(qiáng)安全性。普通用戶應(yīng)設(shè)置有效期。超級(jí)用戶和普通用戶權(quán)限不交叉。3）基礎(chǔ)信息配置。企業(yè)基礎(chǔ)信息包括用能單位社會(huì)統(tǒng)一信用代碼、所屬地區(qū)、所屬行業(yè)、地理位置、年能耗水平，耗用能源和生產(chǎn)產(chǎn)品等;用能單位耗能層級(jí)結(jié)構(gòu)信息包括全廠、生產(chǎn)工序、工序單位、重點(diǎn)用能設(shè)備等。4）能源計(jì)量器具臺(tái)賬和能源計(jì)量器具層級(jí)設(shè)置。建立企業(yè)能源計(jì)量器具臺(tái)帳，對(duì)計(jì)量器具檔案信息進(jìn)行維護(hù)，包括計(jì)量器具核心信息、屬性參數(shù)、檢定/校準(zhǔn)、安裝信息。構(gòu)建計(jì)量器具的層級(jí)關(guān)系，便于企業(yè)更好的管理維護(hù)能源計(jì)量?jī)x表。5）采集變量和上報(bào)指標(biāo)配置。配置采集變量與計(jì)量器具之間的關(guān)系是配置上報(bào)指標(biāo)的基礎(chǔ)，包括自動(dòng)采集變量和手工采集變量。上報(bào)指標(biāo)配置包括實(shí)時(shí)指標(biāo)配置、日指標(biāo)配置和月指標(biāo)配置。6）數(shù)據(jù)交換路徑配置。數(shù)據(jù)交換路徑包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)下載地址、平臺(tái)版本校驗(yàn)地址、用能單位基礎(chǔ)信息上傳和下載地址、用能單位采集數(shù)據(jù)上傳和下載地址，可配置為同時(shí)向國(guó)家級(jí)、省級(jí)、市級(jí)數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。7）數(shù)據(jù)交換路徑配置。數(shù)據(jù)交換路徑包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)下載地址、平臺(tái)版本校驗(yàn)地址、用能單位基礎(chǔ)信息上傳和下載地址、用能單位采集數(shù)據(jù)上傳和下載地址，可配置為同時(shí)向國(guó)家級(jí)、省級(jí)、市級(jí)數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。

④優(yōu)點(diǎn)。

部署在重點(diǎn)用能單位端的能源計(jì)量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)，基于設(shè)計(jì)理念的優(yōu)勢(shì)其具備以下優(yōu)點(diǎn)：

第一是高適用性：交換系統(tǒng)關(guān)注于工業(yè)控制領(lǐng)域的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議處理，通過(guò)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)配備的隔離RS485總線接口以及8路千兆以太網(wǎng)接口，可以與包括但不限于工業(yè)領(lǐng)域最通用的通訊協(xié)議Modbus RTU、Modbus TCP、智能電表普遍采用的DL/T 645-1997/2007協(xié)議;智能水表、冷熱量表、燃?xì)獗淼瘸Ｓ玫腃J/T 188-2004通訊協(xié)議;分布式控制系統(tǒng)（DCS）、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）等對(duì)外通訊的標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議OPC等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集通訊。更加符合重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)能源數(shù)據(jù)的獲取與傳輸。交換系統(tǒng)接口圖見圖5。

第二是高可靠性：硬件結(jié)構(gòu)上采用了智能化變電站領(lǐng)域通訊管理機(jī)的專用平臺(tái)，硬件配置方面通過(guò)冗余電源輸入、低功耗無(wú)風(fēng)扇處理器、模塊化設(shè)計(jì)等技術(shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化整機(jī)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行能力。

第三是冗余電源輸入：配備冗余可在線插拔的電源供電模塊，支持交直流輸入，交流寬電壓范圍達(dá)85～370V，完全可以過(guò)濾來(lái)自電網(wǎng)的電壓波動(dòng)對(duì)主機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行干擾。在單電源掉電情況系統(tǒng)自動(dòng)告警并保持繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。更換故障電源模塊時(shí)無(wú)需系統(tǒng)停機(jī)斷電，有效保障設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

第四是高電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)：系統(tǒng)主機(jī)的外露千兆以太網(wǎng)口、通訊串口、電源輸入模塊等都采用了電源和信號(hào)隔離措施，確保設(shè)備供電來(lái)源及通訊總線不被通訊諧波、浪涌、靜電、電快速瞬變脈沖群干擾破壞。

第五是高便利性：充分考慮到用戶現(xiàn)場(chǎng)需要接入的設(shè)備種類多，差異大，通訊協(xié)議復(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)景，為提高數(shù)據(jù)配置效率及準(zhǔn)確度，專門配置了一套參數(shù)配置工具軟件。

第六是擴(kuò)展彈性：模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求情況對(duì)現(xiàn)有“2+1”架構(gòu)進(jìn)行升級(jí)，增加一片主機(jī)板卡，用于防火墻或VPN軟件集成，輕松實(shí)現(xiàn)“3+1”架構(gòu);還可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要擴(kuò)展8/16路具備信號(hào)隔離設(shè)計(jì)的RS485總線板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種計(jì)量器具通訊接口的直接接入。

第七是該系統(tǒng)主要由內(nèi)、外網(wǎng)主機(jī)單元與數(shù)據(jù)交換單元（隔離交換芯片）三部分組成，基于多核多線程專用SUOS安全操作系統(tǒng)，采用類似船閘擺渡的工作原理在內(nèi)、外主機(jī)之間擺渡應(yīng)用數(shù)據(jù)，安全隔離網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)做實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)端設(shè)備的隔離功能和CA書字?jǐn)?shù)證書身份驗(yàn)證滿足安全性要求;另外，為了保證數(shù)據(jù)的安全，建立SLL VPN虛擬專用網(wǎng)絡(luò)加密通道，進(jìn)一步的保證數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的安全。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

能源計(jì)量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)融合信息化、智能化、自動(dòng)化等多項(xiàng)技術(shù)，可用于對(duì)水、點(diǎn)、氣、熱、油、動(dòng)力等能耗的生產(chǎn)和使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)能源的全方位優(yōu)化管理。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與交換應(yīng)用越來(lái)越廣泛，基于安全隔離的能源計(jì)量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)，可滿足各行各業(yè)的能源計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線采集和上報(bào)的需求，并對(duì)保證數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)質(zhì)量起著舉足輕重的作用。

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