基于智能化的智慧能源監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)研究

關(guān)利樂

（山西省安裝集團股份有限公司，山西太原 030032）

0 引言

隨著國家不斷加大節(jié)能減排力度和信息化水平的不斷提高，國家、城市、行業(yè)發(fā)展方式發(fā)生了深刻的變化[1]。近幾年，公司按照國家節(jié)能減排計劃，嚴格執(zhí)行上級關(guān)于節(jié)能減排的要求。隨著公司規(guī)模的擴大，業(yè)務(wù)量的增加，投入使用的設(shè)備增多，項目規(guī)模也隨之增大，同時，部分老設(shè)備的承載能力逐漸減少，但仍在網(wǎng)絡(luò)中運行，使得用電量持續(xù)增長，迫切需要對企業(yè)進行節(jié)能減排，但同時也缺乏有效的工具，對相關(guān)的能源數(shù)據(jù)進行管理和分析。在此背景下建立了以智慧能源為基礎(chǔ)的能耗監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電能消耗實時監(jiān)控，并對其進行全面、細致的分析，為今后的節(jié)能工作指明了方向。

1 工程簡介

本系統(tǒng)主要是對智能儀表、綜合能源采集終端、DCS系統(tǒng)等能源數(shù)據(jù)進行采集，并將其集成到智慧能源監(jiān)控系統(tǒng)中，從而解決了目前能源管理中的一些問題：能源數(shù)據(jù)手工抄表缺乏準確性、及時性；能耗分析及人工巡查滯后；單位管理者無法及時掌握用能實際情況。同時，構(gòu)建了一個用于企業(yè)的能源大數(shù)據(jù)平臺，并對其進行了全面的監(jiān)控和管理。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智慧能源監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可以劃分為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層[2]。數(shù)據(jù)采集層的作用是采集和轉(zhuǎn)發(fā)能量的基本數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)傳送層的作用是完成能量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的傳遞，而應(yīng)用服務(wù)層的作用是對系統(tǒng)的功能進行發(fā)布和服務(wù)。

3 數(shù)據(jù)采集層

本項目的能量基礎(chǔ)資料來源于以下設(shè)備：智能儀表，用于測量蒸汽、壓縮空氣、冷凍水等能量，并具有RS-485通信接（串口），并支持標準ModBusRTU協(xié)議，但在空間上比較分散；集成能量收集終端，用于電量測量，支持RS-485通信（雙線制），支持標準ModBusRTU協(xié)議，安裝在不同的配電室內(nèi)，分布比較集中；DCS系統(tǒng)，用于蒸汽供應(yīng)部門的生產(chǎn)，使用西門子PCS7，并支持OPCDA。

3.1 資料收集層通信協(xié)定

其中，數(shù)據(jù)采集部分的主要通信接口和協(xié)議是ModBusRT和基于RS-485通信接口的ModBusRT，以及以太網(wǎng)OPC通信協(xié)議。針對目前智能儀器分布分散的狀況，采用LoRa無線通信技術(shù)來取代現(xiàn)有的有線通信電纜。

3.1.1 RS-485協(xié)議

RS-485是一種具有10Mbps的經(jīng)典串口通信標準，如圖1所示，具有良好的抗噪性，RS-485的最大傳輸距離標準為1219.2m，實際達到3000m，RS-485在總線上可以達到128個。也就是說，它具備多個站點的功能，便于用戶通過一個RS-485接口來構(gòu)建一個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。

3.1.2 ModBus協(xié)議

ModBus是一種半雙工通信模式，它包括一個子站和幾個從站，允許多臺設(shè)備在同一網(wǎng)絡(luò)上進行通信。ModbusRTU模式是指在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU方式進行通信，其中每8比特含有2個4比特16進制字符。描述：比特，是最小的信息單元，縮寫成“b”，表示0或1的數(shù)字信號；Byte，一種用來測量存儲能力的測量單元，縮寫為“B”，1比特=8比特，也就是1比特，1個字節(jié)可以表示2的8次方，也就是256個；一個字節(jié)，用來一次處理一個事務(wù)的固定長度的比特。在16比特的工業(yè)現(xiàn)場控制裝置中，1字節(jié)=2比特=16比特。在電腦里，大部分的寄存器都只有一字長度。ModBusRTU協(xié)議中的指令包括以下五個部分：地址代碼（1字節(jié)）、功能代碼（1字節(jié)）、起始地址（2字節(jié)）、數(shù)據(jù)（N字節(jié)）、校驗碼（2字節(jié)）。該數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)長度（表示為M的寄存器數(shù)目）和Mx2字節(jié)的數(shù)據(jù)主體。

3.1.3 OPC協(xié)議（OPC）

OPC數(shù)據(jù)存?。―A）規(guī)范是指對各種總線標準之間的數(shù)據(jù)存取機制進行簡化，使各種總線標準之間的數(shù)據(jù)存取成為可能。OPCDA服務(wù)器通過屏蔽各種總線通信協(xié)議的差異，為上層應(yīng)用程序提供了一個統(tǒng)一的存取接口，從而在應(yīng)用層實現(xiàn)了對各種總線協(xié)議的設(shè)備的互操作[3]。OPC實時數(shù)據(jù)存取規(guī)范，包括數(shù)據(jù)值、更新時間和數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面的相關(guān)標準。OPC協(xié)議是OPC和OPCUA的主要形式，OPCUA和OPCDA是不同的。

（1）職能。OPCUA不但對傳統(tǒng)OPC提供了全部的支持，而且還提供了許多新的功能：①網(wǎng)絡(luò)搜索。在此PC機上可以使用的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上的OPC服務(wù)器進行自動查詢。②優(yōu)化地址空間。OPCClient不但可以對簡單的數(shù)據(jù)進行讀取和使用，而且還可以對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進行存取。③相互訪問和驗證。所有的數(shù)據(jù)/信息的讀取和寫入，都需要被授權(quán)。④訂閱資料。根據(jù)OPCClient的不同配置和標準，對數(shù)據(jù)/信息進行監(jiān)測，并根據(jù)數(shù)字的變化情況進行報表。⑤計劃函數(shù)。OPCUA允許OPCClient在OPC服務(wù)器中定義一個方案（方法）來完成具體的程序。

（2）對平臺的支撐。OPCUA標準不再以COM/DCOM為基礎(chǔ)，它可以提供更多的可支援的軟硬件平臺。硬件平臺有微軟的視窗、蘋果的OSX、安卓和其他基于Linux的分布式操作系統(tǒng)。

（3）安全問題，最大的改變是OPCUA可以在任意一個端口（在管理員開放之后）進行通信，這就避免了OPC通信被防火墻所束縛。

3.1.4 無線LoRa通信（LoRa）

LoRa是一種以擴展頻譜技術(shù)為基礎(chǔ)的遠程無線技術(shù)，也是眾多LPWAN通信技術(shù)之一，最先被美國Semtech公司采納并推廣。這種方法可以方便地實現(xiàn)遠距離低功耗的無線通信。LoRa具有下列特征。

（1）傳輸距離：城鎮(zhèn)2～5km，市郊15km。

（2）工作頻率：ISM頻段，包含433MH、868MH、915MH等。

（3）容量：一個LoRa網(wǎng)關(guān)可以將數(shù)以千計的LoRa節(jié)點連接起來。

（4）傳送速度：數(shù)百至數(shù)十kbps，在較低的速率下，傳送距離會更遠。

（5）調(diào)制模式：一種以擴展頻譜為基礎(chǔ)的遠程無線傳輸技術(shù)，它是一種具有正向誤差校正功能的線性調(diào)制型擴展技術(shù)。

3.2 資料收集系統(tǒng)的設(shè)計

針對本工程要求的采集儀表、控制系統(tǒng)的特點，提出了一種基于智能儀表的綜合能源采集系統(tǒng)的設(shè)計思路：通過串口服務(wù)器（RS-485、ModBusRTU）的數(shù)據(jù)采集。每臺串口通信服務(wù)器都要承擔一個通信子網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集工作。由于目前智能儀器存在著太多的分布，RS-485采用LoRa無線技術(shù)取代了有線通信電纜。

網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)采集：集成能量采集終端通過有線通信電纜實現(xiàn)。為了確保數(shù)據(jù)的快速和高品質(zhì)，每一個通信網(wǎng)絡(luò)組的設(shè)備不超過20個（理論上最大值是32個），總共30個通信網(wǎng)絡(luò)。LoRa無線組網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集周期為20s，有線數(shù)據(jù)采集其循環(huán)時間可以達到10s。采用OPCDA通信協(xié)議作為DCS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集方案，主要考慮到西門子的PCS7系統(tǒng)和winCC系統(tǒng)都是免費的OPCDA通信協(xié)議，西門子公司要購買OPCUA的相關(guān)許可才能進行OPCUA通信。PCS7系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由專門的數(shù)字工業(yè)控制計算機（配備了OPCDA和OPCClient軟件），連接到DCS系統(tǒng)操作員站（經(jīng)過初步的試驗，西門子PCS7系統(tǒng)的服務(wù)器和操作員站都可以用作OPCDA的服務(wù)器），提出了利用操作員站的額外網(wǎng)口，獨立地建設(shè)OPCDA通信網(wǎng)絡(luò)。另外，OPCDA通信的點名必須符合PCS7系統(tǒng)的點名表，否則不能進行數(shù)據(jù)采集[4]。

4 網(wǎng)路傳輸層

在數(shù)據(jù)采集層的設(shè)計中，同時考慮了網(wǎng)絡(luò)傳輸層的實現(xiàn)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的結(jié)點是系統(tǒng)服務(wù)器到系統(tǒng)服務(wù)器的串口服務(wù)器，網(wǎng)閘出口到系統(tǒng)服務(wù)器。采集層的串口服務(wù)器和數(shù)采工控機都具有以太網(wǎng)口，能與工廠網(wǎng)絡(luò)連接，并能通過工廠網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳送。

4.1 Transfer協(xié)議概要

在網(wǎng)絡(luò)傳送層中，所使用的主要通信接口和協(xié)議是TCP、UDP等。

4.1.1 TCP

TCP協(xié)議在傳送層中是統(tǒng)一的ModBusTCP。Mod－BusTCP通過TCP/IP和以太網(wǎng)，將以太網(wǎng)物理網(wǎng)與TCP/IP技術(shù)相結(jié)合，并將數(shù)據(jù)表達方式與ModBus相結(jié)合。TCP通信包是用EthernetTCP/IP分組進行的。ModBusTCP在TCP包上加入了一個標準ModBus包，而沒有了數(shù)據(jù)檢查和地址。當ModBusTCP通信時，應(yīng)留意所用的通信資源端號，在ModBus伺服器內(nèi)采用Port502通信接口，在ModbusClient程式內(nèi)設(shè)定任何通訊埠，以避免與其他通信協(xié)定發(fā)生沖突，建議自2000起采用通信端號Port。

4.1.2 UDP協(xié)議

UDP協(xié)議是一種沒有連接的協(xié)議，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，源和終端之間沒有任何的聯(lián)系，在需要傳輸?shù)臅r候，只需要從應(yīng)用中獲取數(shù)據(jù)，然后盡快地將其發(fā)送到網(wǎng)上。在發(fā)送端，UDP的數(shù)據(jù)傳輸速度只限于應(yīng)用程序產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度、計算機的能力以及傳輸?shù)膸?。因為沒有建立連接，所以不需要保持連接狀態(tài)，如發(fā)送/接收狀態(tài)等，所以一個服務(wù)端可以將同一信息發(fā)送到多個客戶端。UDP報文頭較短，僅8字節(jié)，與TCP20字節(jié)數(shù)據(jù)包相比，UDP所需的額外費用非常少。吞吐量不受擁塞控制算法的影響，僅限于應(yīng)用程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率、傳輸帶寬、源端和終端端的性能。UDP是以消息為導(dǎo)向的，通過UDP向應(yīng)用程序提交的消息，在加入了第一部分之后，就會傳遞到IP層。沒有分割或合并，但保留了消息的邊界，所以應(yīng)用程序必須選擇適當?shù)南⒊叽?。盡管UDP是一種不可靠的協(xié)議，但是對于發(fā)布信息來說，UDP是一個非常理想的協(xié)議。

4.2 網(wǎng)路傳送層架構(gòu)

在DCS系統(tǒng)中，對DCS的數(shù)據(jù)采集和傳輸也要加以考慮。為了保證系統(tǒng)的相對獨立性和安全性，必須在DCS與DCS外部網(wǎng)絡(luò)之間添加一個網(wǎng)閘（采用具有多種控制功能的固態(tài)開關(guān)和寫入媒體，將兩個獨立的主系統(tǒng)相連）[5]。由于兩個獨立的主系統(tǒng)是由一個網(wǎng)閘來隔離的，所以沒有物理的、邏輯的、和信息的傳送的，沒有根據(jù)協(xié)議的信息的交流，只有數(shù)據(jù)文件的非協(xié)議的擺渡。這樣，從物理上隔離、阻斷了所有對內(nèi)網(wǎng)造成潛在攻擊的網(wǎng)絡(luò)連接，使得外敵無法直接入侵、攻擊或破壞內(nèi)網(wǎng)，從而保護了主機的安全，保證了數(shù)據(jù)的單向傳遞，并保證了DCS系統(tǒng)不會被反寫到DCS中。串口服務(wù)器采用ModBusTCP的TCP透傳ModBusRTU，它將利用TCP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)傳送層進行數(shù)據(jù)傳送；采用中斷續(xù)傳機制，以改善網(wǎng)絡(luò)傳輸層的可靠性。

5 應(yīng)用服務(wù)層及管控系統(tǒng)設(shè)計

5.1 應(yīng)用服務(wù)層

在系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)層中，采用了B/S體系結(jié)構(gòu)（Browser/Server）。Browser是一個Web瀏覽器，它在前面執(zhí)行了很少的事務(wù)邏輯，但是在服務(wù)端執(zhí)行了大部分的交易邏輯。B/S體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)不需要額外的安裝，只需要有網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（IE，360等主流瀏覽器）就可以了，這大大降低了服務(wù)器維護的工作量。

5.2 能源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

智能能源管理系統(tǒng)，在生產(chǎn)監(jiān)控調(diào)度中心，實現(xiàn)對電力、光伏發(fā)電、充電樁等系統(tǒng)的綜合監(jiān)控，實現(xiàn)對各系統(tǒng)的啟動、停止、正常運行的監(jiān)測和調(diào)整，以及異常情況的應(yīng)急處理。針對本基地能耗設(shè)備的分散分布，本文提出建立現(xiàn)場生產(chǎn)監(jiān)控SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)對各控制子系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控。各站的供電系統(tǒng)進行監(jiān)控、控制和保護，主要采用微機控制系統(tǒng)，輔以少量其他控制系統(tǒng)和設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)設(shè)備為物理分布，現(xiàn)場運行設(shè)備僅用于調(diào)試、初運行、巡檢和事故處理。當機組調(diào)試、啟動、系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可在相應(yīng)的LCD顯示屏上進行監(jiān)控。當設(shè)備進入正常工作狀態(tài)時，它可以從現(xiàn)場監(jiān)控轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)監(jiān)控和調(diào)度中心，一般以遠程監(jiān)視為主。

5.3 能源監(jiān)測平臺設(shè)計

以“互聯(lián)網(wǎng)+”模式建設(shè)能源匯聚到服務(wù)平臺，建設(shè)能源交易及相關(guān)業(yè)務(wù)交易平臺，利用云計算平臺進行分布式發(fā)電和電力用戶終端數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)進行智能分析、數(shù)據(jù)分析，為用戶提供節(jié)能服務(wù)。

6 結(jié)語

目前，以智慧能源為基礎(chǔ)的能源消耗監(jiān)控與管理系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。這些新的功能運用，不但可以讓操作者更好地理解企業(yè)的能源消耗構(gòu)成，也可以幫助不同的使用者提高其對應(yīng)的能力，例如：協(xié)助財務(wù)人員提高能源消耗成本的精細分析，協(xié)助建筑工人提高精準投資能力，協(xié)助運維人員提升機房能耗的管理能力，幫助會計人員提升能耗成本驅(qū)動因素的核算能力等，從而可以更科學(xué)合理地進行能源消耗的管理，達到降低成本和提高效益的目的。智慧能源監(jiān)控系統(tǒng)的建成、投入使用，為企業(yè)的各個層面的管理者提供了有效的能源管理手段，幫助企業(yè)節(jié)能減排，為國家的碳中和事業(yè)做出自己的貢獻。