基于物联网技术的能耗动态监管系统设计

吴为团　郑海燕　张锐丽　高万春

摘要：为实现能耗监管的现代化，采用计算机网络技术、通信技术、计量控制技术等信息化技术，研究和设计基于物联网技术的能耗动态监管系统，实现对所辖地区重点用能单位能源利用状况进行实时、准确的动态监管，以现代技术手段加强节能管理，加大节能监管力度，提高政府和企业节能工作的管理水平。

关键词：物联网；企业能源管理；能耗数据采集；网络信息系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）29-0106-03

1概述

建立用能单位能耗动态监管系统的目的是依托计算机网络技术、通信技术、计量控制技术等信息化技术，对所辖地区重点用能单位的能源消耗情况（包括煤、电、油、气、水、热等）进行采集、上报、汇总与分析，以实现科学的监控和管理。

本文在研究城市用能企业能耗动态监管系统结构设计的基础上，提出利用物联网技术，对企业能耗数据、重点设备用能数据以及公共建筑温度实时监测和动态数据采集的具体方案。

2系统功能和组成结构

系统建设的主要目标是对城市所属地区重点用能单位的用能及能耙情况进行实时准确的收集和动态定额监管，有效进行用能单位能耗水平识别评价、专家咨询和城市能源安全预报预警，构建完善的智能化的能耗信息监管体系。通过该系统的实施，将实现对能源消耗数据的及时、快速和准确的监测，以及科学分析、预测和预警功能，并可通过门户网站、无线终端等手段为有关领导和部门人员提供多方位、可视化的便捷服务，提高政府和企业节能工作的管理水平。

从功能角度，系统软件主要包括四大组成部分：重点用能单位能源消耗数据库、重点用能单位能耗水平识别评价、重点用能单位专家网上咨询系统、城市能源安全预警系统。

2.1重点用能单位能源消耗数据库

主要包括重点用能单位能耗数据库、综合能源消耗情况数据库。利用数据库技术对重点用能单位的能源利用状况进行综合管理，可从重点用能企业着手，再逐步扩展到更多企业和公交等服务性行业，以全面掌握煤、电、油、气、水、热和其它资源的利用状况。

2.2重点用能单位能耗水平识别评价

利用重点用能单位能耗数据库，对用能单位的用能情况进行分析，包括对重点耗能企业的能源消费品种、分品种能源消费量、用能设备的运行情况等的监测，从而分析各行业的能源利用效率和用能设备的运行效率等。

可对照国家、省（市）的用能考核指标，利用计算机智能技术进行能耗水平识别，分析和评价企业的用能情况，查找问题，为政府和专业管理部门掌握信息、研究节能改造和制定相关政策提供科学的依据和平台。

2.3重点用能单位专家网上咨询系统

根据节能法规及节能监测标准与办法，利用组建的数据仓库建立高度自动化、智能化专家咨询系统，对用能单位的能耗进行合理、科学的咨询和指导，帮助用能单位做出及时、正确、可行、有效的问题解决方案，以达到科学节能的目的。

2.4城市能源安全预警系统

通过系统掌握整个城市能源使用、消耗、配置及调度情况，利用预测和预警技术，根据相关企业的能源消耗总量限值进行分析，实现自动预警和报警功能，为城市的能源使用、保障、调度提供准确的决策依据，建立城市能源安全预警系统。

从应用系统结构角度，其基本架构如图l所示。

3通信网络及能耗采集监管系统

3.1系统通信网络平台

系统网络可分为节能信息中心网络、通信网络和外部节点。其中通信网络部分以Internet网络数据传输为主要的通信模式，还可以根据网络的实际情况，配合使用Gprs的数据模式实现企业的数据采集点和信息中心的联接。

3.1.1信息中心网络

在市节能监察中心或相关部门内部建立“节能信息中心”，主要包括信息控制中心、演示会议决策中心及节能监察中心内部办公网络等。

“信息控制中心”担负着数据接收、处理和存储，以及系统运行控制和管理等任务，是整个系统的枢纽中心，同时还面向社会提供门户网站服务。信息控制中心通过联通或电信的专线光纤接人Internet。

“演示会议决策中心”则主要提供通过大屏幕演示系统监测数据和统计分析结果，主要包括专用的终端设备和大屏幕投影系统等。

3.1.2外部網络节点及其通信

外部网络部分包括全市各主要的用能单位终端及其实时数据采集系统，同时外接市政府办公网络系统（如市发展和改革委员会）乃至省、国家相关政府部门，还可与相关专业管理部门（如电业、自来水等）和其它省、市相关部门实现网上互通，甚至面向社会开放，以进行更广泛的节能知识、法规等的宣传和教育。

外部网络节点建设主要是重点用能单位终端建设，主要实现本单位能源信息的收集、录入、汇总和上报等，并与本单位系统实现共享服务。有条件的单位或耗能节点，应实现现场自动实时采集，从而逐步达到在线监测的目的。

鉴于能源数据采集涉及的行业和企业位置比较分散，用有线网络将各个行业的各企业与中心连接起来是不现实的，同时，尽管多数企业已经连接到Internet，但各个企业的Internet连接情况比较复杂，稳定性不能保证。因此，考虑到公用电信网的覆盖范围及数据采集的数据量，本方案拟采用GSM/GPRS/CDMA等无线通信方式，将位于各企业的数据采集工作站与中心的数据采集服务器进行物理连接，采用TCWIP协议进行通信。

使用基于GSM/GPRS/CDMA的通信无线通信方式进行数据采集具有如下特点：

1）高速数据传输。可以使采集的数据保持较高的刷新频率。

2）永远在线。建立新的连接几乎不需任何时间，随时可以和网络保持联系。这样就可以基本满足系统对各个企业实时监控的需要。

3.2末端能耗采集系统

动态数据包括企业一、二、三级能耗数据采集、重点设备用能数据采集、公共建筑温度实时监测等。

3.2.1能耗数据采集方案

数据采集根据企业的网络建设不同而不同，可以考虑以下四种模式供企业选择：

方式一：如果企业建立了完善的信息化管理系统，本系统在企业设置前置数据服务器，直接联接企业网络获取企业的数据，系统通过前置服务器把数据传输到信息控制中心。

方式二：如果企业没有建立综合的信息管理系统，通过企业前置服务器，联接企业的工业网络采集相关仪器仪表，完成数据采集，同时配合手工的录入填报。企业的前置服务器与控制中心的数据库服务器通过INTERNET网络直接联接，把数据直接传输到信息控制中心。

方式三：企业在没有建立数据采集系统前，企业可通过数据终端手工输入数据，把企业的数据直接录入到信息控制中心。

方式四：对于智能化程度较高的大耗能设备或节点，可考虑使用GPRS的数据模式实现数据采集点和信息中心的直接联接。

就现实情况而言，所有的用能单位首先都必须能够实现手工填报数据的方式，保证能够随时随地在线填报或本地填写后上报。

在线动态实时监测是节能监控的终极目标。

3.2.2远程数据采集模块的设计

由于各个用能单位的能源计量系统千差万别，需要根据实际情况开发相应的接口和采集程序。本着简化工作的目的，采用中间件技术，对数据采集接口进行封装。对用能单位的能源消耗进行远程实时监控，可以通过企业现场配置数据采集工作站，或通过安装具有远传功能的电能计量装置、热力计量装置和天燃气燃气计量装置来实现。

3.2.3设备数据自动采集系统

實现多样数据采集，如电信号、非电信号、串行信号、并行信号等，同时完成专业系统的数据接口，包含企业的DCS系统等特殊系统的数据接口，以适应企业的各种设备的数据采集。采用适合的硬件设备构筑系统，前端使用专业厂家的设备，通过特殊的线路传输到系统管理中心，所适应的模式为：

1）模拟仪表数据采集

模拟仪表是企业早期设备所采用的控制模式，本系统为适应早期设备的控制，建立了模拟仪表的数据采集的控制模式。

2）集中式数字控制系统

集中式数字控制系统于二十世纪七八十年代占主导地位，采用单片机、PLC、SLC或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排。

3）集散控制系统

集散控制系统（DCS）其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能。本系统可以完成与DCS系统的集成，采集DCS系统的相关数据，完成数据的上报。

4）现场总线控制系统

现场总线控制系统（FCS）正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，FCS实质上是一种开放的、可操作性强的、彻底分散的分布式控制系统，已经成为21世纪控制系统的主流产品。

系统综合了以上各种数据采集模式，适应了企业复杂的设备环境。

3.3远程监控与远程管理

3.3.1监控模块

位于中心的实时数据库通过与远程数据采集工作站建立远程过程调用，实现数据通信服务。进行统一数据采集所得的实时数据由实时数据库进行管理和处理，进而实现实时监控。

3.3.2远程管理

远程数据采集工作站分布于各个用能单位，为了便于管理和维护，采用远程管理和维护方式。系统管理和维护人员在中心管理站可对远程数据采集工作站进行除开关电源之外的所有操作。

4结束语

“重点用能单位能耗动态监管系统”的建成和投入运行，实现和完成了对重点企业能源消耗数据的及时、快速和准确的监测，以及科学分析、预测和预警功能，并通过门户网站、无线终端等手段为领导决策提供了多方位、可视化的便捷服务。

该系统对提高资源利用效率和能源管理水平有着极其重要的意义，尤其是能源安全预警系统、专家“网上节能诊断”功能的建立为政府和企业的能源管理决策提供了实时和科学的依据，是节能手段上的一次升华和革命，有效满足了区域节能管理的需求，形成示范应用案例，取得良好的应用效果，经济效益、社会效益显著。