基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王宇強(qiáng)，田苗，張一帆，韓俊飛，鐘鳴，韓如磊

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020；3.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司內(nèi)蒙古分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

能源的大量消耗導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境不斷惡化，節(jié)能減排已經(jīng)成為國(guó)家發(fā)展的關(guān)鍵目標(biāo)，也是保障能源安全的重要舉措。為了從根本上解決能源困擾，實(shí)現(xiàn)永續(xù)利用，在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的背景下，智慧能源[1]概念被提出。但現(xiàn)階段，無(wú)論是大型企業(yè)還是工業(yè)園區(qū)都很少重視能源自身價(jià)值的優(yōu)化，均以安全保供作為能源利用形式，導(dǎo)致能源流失浪費(fèi)。造成這一現(xiàn)象的主要原因有：管理思想跟不上能源改革腳步，采集的信息不全面[2]；缺乏有效管理制度，沒(méi)有構(gòu)成彼此聯(lián)系的整體，管理系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)揮出真正作用；基礎(chǔ)設(shè)備與相關(guān)技術(shù)還有待提高，缺乏科學(xué)的計(jì)量器，信息化水平達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，智慧能源管控系統(tǒng)須將信息化平臺(tái)作為基礎(chǔ)，結(jié)合大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，成為集維護(hù)、管理等多種功能的一體化平臺(tái)[3]。本文通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的功能與優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了能源信息的采集，并通過(guò)基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)智慧能源管控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯，使智慧能源管控系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)采集到的信息作出合理的能源管控決策。

1 智慧能源區(qū)域承載力分析

想要實(shí)現(xiàn)智慧能源的有效管控，須首先對(duì)該地區(qū)的能源承載力[4]進(jìn)行分析，本文從生態(tài)環(huán)境、資源空間、居民心理、經(jīng)濟(jì)等方面計(jì)算能源綜合承載力。

1.1 生態(tài)環(huán)境

自然環(huán)境通常具有良好的自凈功能，此功能體現(xiàn)了環(huán)境可承受污染的能力，具有破壞性的生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)對(duì)周邊環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重影響。環(huán)境承載力EEBC表示自然環(huán)境在沒(méi)有受到破壞時(shí)可以接納的產(chǎn)出新能源的數(shù)量，計(jì)算公式為：

式中：WC為水環(huán)境承載情況，該值是污水處理量和人均污水排放量之間的比值；AC為大氣承載力，是大氣容量與人均廢棄排放量之比；SC為廢棄物承載狀況，是廢棄物處理量與人均廢棄物生產(chǎn)量之比。

1.2 資源承載力

資源承載力REBC表示某段時(shí)間內(nèi)，在環(huán)境功能穩(wěn)定情況下，環(huán)境能夠承受人們生產(chǎn)活動(dòng)的性能。計(jì)算公式為：

式中：η為日周轉(zhuǎn)率；SZ為空間整體面積，km2；Sb為人均空間基準(zhǔn)面積，km2。

1.3 居民心理承受能力

居民心理承受能力PEBC表示當(dāng)?shù)鼐用裨谛睦砩峡山邮艿沫h(huán)境情況。一般包括環(huán)境污染、資源占用等因素，公式為：

式中：P1為當(dāng)?shù)鼐用裥睦沓惺苣芰?；P2為環(huán)境污染承載情況。

1.4 經(jīng)濟(jì)承載力

某地區(qū)綜合承載能力大部分取決于經(jīng)濟(jì)條件，經(jīng)濟(jì)承載力DEBC表示生產(chǎn)能力和實(shí)際生產(chǎn)能源之間的關(guān)系，計(jì)算公式為：

式中：Dn為第n種供應(yīng)量組成的經(jīng)濟(jì)承載子量，且滿足Dn=GnQn，其中Gn代表要素n每天的供應(yīng)量，Qn則是要素n的人均需求量。

1.5 綜合承載力

綜合承載力TEBC即為以上四組分量的極小值，用公式表示為：

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)智慧能源管控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)做整體構(gòu)思，通過(guò)分層思想[5]，將系統(tǒng)劃分為采集層、傳輸層與應(yīng)用層。其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 管控系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of management and control system

物聯(lián)網(wǎng)在系統(tǒng)中主要發(fā)揮監(jiān)測(cè)作用，其中采集層的感知作用[6]最為關(guān)鍵，包括傳感器與匯聚節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)等，利用節(jié)點(diǎn)的協(xié)作關(guān)系，將獲取的信息通過(guò)節(jié)點(diǎn)路由進(jìn)行傳輸，最終發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)[7-8]，再利用外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心，從而完成對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸與控制。采集層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)采集層架構(gòu)Fig.2 Architecture of IoT acquisition layer

2.1.1 采集層

系統(tǒng)采集層使用不同類型的傳感器，如智能電表[8]和溫度傳感設(shè)備等，通過(guò)這些設(shè)備對(duì)各類能耗信息與環(huán)境信息進(jìn)行測(cè)試。

供電信息采集包括電能量、電壓、功率及諧波[9]等數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)進(jìn)行用電分析提供依據(jù)。供水信息采集分為水溫、流量以及pH值等，能夠讓用戶及時(shí)了解用水信息與水質(zhì)。鍋爐信息采集主要包括蒸汽溫度、燃料消耗情況等，能夠提供系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.1.2 傳輸層

系統(tǒng)傳輸層包括現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與管理級(jí)，前者通過(guò)ZigBee[10]進(jìn)行通信，后者使用以太網(wǎng)[11]實(shí)現(xiàn)通信。ZigBee因成本低、安全性好等優(yōu)勢(shì)用于短距離無(wú)線通信，其具備兩個(gè)特征：自身組織性能好，不需要人工操作；自愈能力較強(qiáng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)均能夠自己修復(fù)，不需要人工操作，確保通信正常進(jìn)行。

2.1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層具有信息采集、分析、整理、預(yù)測(cè)等多項(xiàng)功能。通過(guò)信息采集，實(shí)時(shí)掌握能源利用狀況，再利用分析、整理等功能，將用能情況進(jìn)行整理，找出問(wèn)題，最后對(duì)能耗的使用進(jìn)行預(yù)測(cè)，把握能耗趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)有效管控，減少能源浪費(fèi)。

2.2 系統(tǒng)功能與業(yè)務(wù)邏輯設(shè)置

2.2.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

該系統(tǒng)分為能耗信息采集、能耗統(tǒng)計(jì)分析及能源節(jié)能管理3大功能模塊。功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.3 Diagram of system functional architecture

2.2.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯

系統(tǒng)操作的業(yè)務(wù)邏輯包括：用能需求分析預(yù)測(cè)、用能方案的設(shè)計(jì)、場(chǎng)景模擬等。其中需求預(yù)測(cè)時(shí)對(duì)園區(qū)冷、熱與電等智慧能源的使用狀況進(jìn)行分析，是系統(tǒng)管控的關(guān)鍵所在。業(yè)務(wù)邏輯示意圖如圖4所示。

圖4 業(yè)務(wù)邏輯示意圖Fig.4 Schematic diagram of service logic

圖中用能需求分析是通過(guò)歷史數(shù)據(jù)，獲得未來(lái)某時(shí)間段內(nèi)能耗使用情況的基本走勢(shì)。本文使用最小二乘法進(jìn)行預(yù)測(cè)，將歷史數(shù)據(jù)作為參考，預(yù)測(cè)模型如下：

式中：Ln′為能耗需求；t′表示歷史時(shí)間，d；a與b均為系數(shù)，可結(jié)合歷史數(shù)據(jù)(t′i,Ln′i)確定，其中i表示具體時(shí)段（i=1,…,n′）。

其中，

結(jié)合計(jì)算得出的與的值，可將預(yù)測(cè)結(jié)果通過(guò)圖表方式呈現(xiàn)。系統(tǒng)中的預(yù)警功能會(huì)根據(jù)能耗預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)警提示，如果運(yùn)行值高于設(shè)置值，系統(tǒng)則會(huì)提醒用戶采取相應(yīng)措施。

2.3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 系統(tǒng)硬件

2.3.1.1 設(shè)計(jì)原則

由于物聯(lián)網(wǎng)需要兩種類型的節(jié)點(diǎn)，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件的設(shè)計(jì)需滿足以下原則：成本低，因監(jiān)測(cè)范圍較廣，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量很多，必須最大程度控制成本；功耗低，傳感器工作地點(diǎn)通常為室外，為最大程度保持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需符合低功耗要求；可擴(kuò)展性強(qiáng)，由于監(jiān)測(cè)地點(diǎn)隨時(shí)發(fā)生改變，當(dāng)需要增加新的模塊時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足需要。

2.3.1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)通常包括多個(gè)模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成Fig.5 Node hardware composition

圖中，傳感器可有效感知外界信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加工轉(zhuǎn)換。能量供應(yīng)能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)提供電源能量，確保節(jié)點(diǎn)有效。

2.3.1.3 處理器

系統(tǒng)采用MSP430系列的處理器[12]，在1.8～3.6 V電壓環(huán)境下工作，待機(jī)電流較低且電路信號(hào)完整。處理器自身攜帶儲(chǔ)存器，配置緩沖接口、串行總線及計(jì)時(shí)器等設(shè)備，可設(shè)置五級(jí)節(jié)能策略，降低總能耗，并具備先進(jìn)的選址功能，適用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

2.3.2 系統(tǒng)軟件

物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的主要任務(wù)是在獲取信息的同時(shí)響應(yīng)來(lái)自不同用戶的命令與請(qǐng)求。節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置采集時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用定時(shí)器判斷采集是否結(jié)束，軟件工作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig.6 System software flow chart

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

智慧能源管控系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)在某工業(yè)生產(chǎn)園區(qū)內(nèi)進(jìn)行，該區(qū)域的平均溫度為28℃，工業(yè)園區(qū)內(nèi)包括廠房、職工宿舍、辦公樓等建筑。該園區(qū)內(nèi)的智慧能源配置如圖7所示。其中冷水機(jī)組工作時(shí)的額定功率是1 875.34 kW。

圖7 園區(qū)智慧能源配置圖Fig.7 Intelligent energy allocation map of the park

3.1 系統(tǒng)采集功能測(cè)試

由于系統(tǒng)可以根據(jù)溫度、濕度等信息對(duì)智慧能源進(jìn)行綜合管控，且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵就是傳感器的信息采集。因此，仿真實(shí)驗(yàn)首先對(duì)系統(tǒng)的采集功能進(jìn)行測(cè)試。傳感器節(jié)點(diǎn)每10 min對(duì)溫度、濕度以及光照強(qiáng)度做一次測(cè)試，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為6天，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖8—10所示。

圖8 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.8 Temperature monitoring results

將圖8—10中的信息與當(dāng)?shù)貧庀筚Y料進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果和每日天氣預(yù)報(bào)結(jié)果較為接近，連續(xù)6天氣溫沒(méi)有發(fā)生明顯變化；濕度和光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)結(jié)果正好相反，當(dāng)光照強(qiáng)度較大時(shí)，濕度出現(xiàn)一天中的最小值，當(dāng)夜晚無(wú)光照時(shí)，濕度則較大。由此表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧能源管控系統(tǒng)采集功能強(qiáng)，能夠獲取準(zhǔn)確的環(huán)境信息，有利于系統(tǒng)給出合理的管控決策。

圖9 濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.9 Humidity monitoring results

圖10 光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.10 Light intensity monitoring diagram

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

結(jié)合該地區(qū)能源環(huán)境承載力的計(jì)算情況，制定該園區(qū)六月份用電量不超過(guò)9000 kWh，相當(dāng)于每天的平均用電量不能高于300 kWh。通過(guò)監(jiān)測(cè)，在該月前7天，每日用電量較大，超出日平均標(biāo)準(zhǔn)，如果不對(duì)其進(jìn)行管控，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)月用電指標(biāo)。因此，通過(guò)管控系統(tǒng)查找用電過(guò)多的原因，結(jié)果顯示該園區(qū)員工宿舍的用電量超出正常水平。經(jīng)分析得出，是由于員工上班時(shí)經(jīng)常忘記關(guān)閉宿舍空調(diào)、燈具等電器導(dǎo)致的。因此對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行嚴(yán)格管控，制定相關(guān)懲罰措施，使宿舍浪費(fèi)電的現(xiàn)象得到很大改善。使用系統(tǒng)前后的宿舍每日用電情況如圖11所示。

圖11 宿舍日用電情況Fig.11 Daily power consumption of dormitory

分析得出，未使用該系統(tǒng)時(shí)，在08:00—12:00時(shí)段，員工為上班期間，宿舍內(nèi)基本沒(méi)人，但用電量并沒(méi)有明顯下降；使用該系統(tǒng)后，該時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)明顯谷值。說(shuō)明在系統(tǒng)管控下，用戶可實(shí)時(shí)了解用電情況，提高節(jié)約能源的意識(shí)。此外，系統(tǒng)可結(jié)合室外溫度、濕度等情況，給出空調(diào)合理的使用溫度，因此即使在其他時(shí)間段內(nèi)，用電量也明顯減少，既提高了經(jīng)濟(jì)效益，又減少了能源使用。

3.3 系統(tǒng)響應(yīng)延時(shí)分析

實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)系統(tǒng)請(qǐng)求響應(yīng)延時(shí)和服務(wù)器處理延時(shí)進(jìn)行測(cè)試。由客戶端發(fā)出空調(diào)溫度控制請(qǐng)求，服務(wù)器根據(jù)請(qǐng)求執(zhí)行溫度控制任務(wù)。在請(qǐng)求次數(shù)不斷增加情況下，系統(tǒng)延時(shí)如圖12所示。

圖中顯示，該系統(tǒng)的請(qǐng)求延時(shí)大致在90 ms左右，而服務(wù)器處理延時(shí)則在60 ms左右，延時(shí)情況并不會(huì)隨請(qǐng)求次數(shù)的增多出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，證明該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的請(qǐng)求處理能力，這得益于該系統(tǒng)強(qiáng)大的軟硬件構(gòu)成的處理器，可以保證系統(tǒng)及時(shí)處理客戶請(qǐng)求，提高用戶滿意度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了智慧能源管控系統(tǒng)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)自然環(huán)境以及能源使用情況等信息的采集和分析，給出合理的能源使用決策，有助于減少資源浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)的應(yīng)用可進(jìn)一步推進(jìn)“智慧城市”的統(tǒng)籌規(guī)劃，在未來(lái)發(fā)展中可突破獨(dú)立園區(qū)束縛，向更廣闊的能源管理領(lǐng)域靠近。