基于安全隔離的能源計量數據信息交換系統應用探究

李杰 傅爾權 李宇宸 周云騰 馬海峰

摘要：文章詳細分析了能耗在線監測系統建設過程中基于安全隔離的能源計量數據信息交換系統的作用和實際價值。

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.

關鍵詞：能耗在線監測;能源計量數據;信息交換系統

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

中圖分類號：TP274+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）15-0145-03

0 ?引言

黨的“十九大”強調推動綠色發展、壯大節能環保、清潔生產產業，同時要求政府部門增強執政本領，善于運用互聯網和信息化的手段開展工作，建設能耗在線監測系統，一方面通過設計、研發、咨詢、運營等各個環節，有利于培養和發展節能服務產業，另一方面，不斷降低生產過程中的能耗，減少污染的排放，推動清潔生產產業的發展，同時實現互聯網與節能減排、生態文明建設的深度融合，提高我國節能減排信息化管理水平。

用能單位通過能耗在線監測系統及時獲得準確的能源計量數據信息，這不僅限于本企業的數據信息，在信息安全、保密的前提下也可通過系統獲得橫向的、本行業的領先的數據信息，可幫助企業發現自身存在的問題，開展對標工作，通過優化節能管理，進一步挖掘節能潛力減少能源消耗，降低企業生產成本，提高效益，同時提高企業節能管理的信息化水平，實現智能化、精細化管理，這是今后一段時期重點用能單位節能管理的趨勢和方向。能源計量數據采集領域示意圖見圖1。

1 ?用能單位能源管理信息化現狀

目前我國用能單位能源管理信息化主要通過以下方式實現：

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

——企業資源計劃管理系統（ERP， Enterprise Resources Planning）;

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

——智能電子設備（IED）;

——監視控制與數據采集（SCADA）系統;

——運動控制（MC）系統、過程控制系統（PCS）;

——現場總線控制系統（FCS，Fieldbus Control System）;

——過程控制系統和安全儀表系統（SIS）及相關的信息系統，例如先進控制或者多變量控制、在線優化器、專用設備監視器、圖形界面、過程歷時記錄、制造執行系統（MES）和現場智能儀表等。

以上信息系統在采集、分析、匯總、上傳用能單位能耗數據方面都存有不同的缺點。如：集散控制系統（DCS）表現在首先是系統開放性不夠：各公司的集散控制系統之間、集散控制系統與互聯網、互聯網信息網絡之間不能實現網絡之間的信息互訪、信息交換。其次是系統采用常規儀表輸出4～20mA的模擬信號。需要進行數字轉換。第三是控制功能靈活、適應程度差：DCS系統使管理與控制相分離，它是先將現場各種控制設備連接至控制柜中然后通過電腦人機界面實現進行控制;

現場總線控制系統FCS是連接現場所有控制柜通過總線型式連接到中控室進行控制。但FCS是通過現場總線連接各控制系統，現場總線的協議比較亂，不像目前DCS都差不多是TCP/IP協議了，今后的擴展會有問題，種種因素造成了不可能普及。

可編程邏輯控制器PLC，為不開放的封閉結構，各可編程邏輯控制器生產廠家的硬件不能相互兼容，其語言指令迥異，如果客戶選擇了某一個廠家的產品，在系統的控制程序、編程語言等方面都需要額外特定學習。

究其上述諸多原因，為保證能耗在線監測系統建設遵循統一標準、互聯互通、信息共享的建設原則，就需在企業端建設具備能夠兼容主流協議和主流接口，提供實現與主流儀器儀表、DCS、能源管理系統等進行數據通訊功能和具備信息安全隔離功能的一種能源計量數據信息交換系統，以完成數據采集、處理、匯集、上傳能源計量數據的任務。

2 ?能耗在線監測系統基本架構

重點用能單位能耗在線監測系統采用“國家平臺+省級平臺+重點用能單位端系統”的架構，為各部委、各地節能主管部門節能監管及為“百千萬”重點用能單位節能改造予以必要支持，促進重點用能單位能效提升。重點用能單位需按照《用能單位能源計量器具配置和管理通則》（GB 17167）配備計量儀表。

能耗在線監測系統基本架構圖見圖2。

國家平臺部署在國家電子政務外網和互聯網，由國家節能中心實施建設，其主要作用為接收并分析各地方能源信息平臺或“百千萬”重點用能單位的能耗數據，為國家能耗監管及“百千萬”重點用能單位節能管理提供服務。國家平臺達到國家信息安全等級保護三級要求，可以為相關部委提供數據接口，實現信息共享。

省級平臺是監測系統的區域性公共服務平臺，也稱“省級能源計量數據中心”。部署在各省（區、市）電子政務外網和互聯網，用于接收、存儲、匯總、分析本地區內重點用能單位能耗在線監測數據，支持接入市級平臺上傳的能耗監測數據，并具備向國家平臺發送能耗數據的功能。

市級平臺部署在市（自治州）相關部門，接收、存儲、匯總、分析、上傳本地區內重點用能單位能耗在線監測數據，為本地相關政府部門、用能單位提供應用服務，也稱“市級能源計量數據中心”。

重點用能單位端系統一般由能源計量數據信息交換系統、計量器具、工業控制系統、生產監控管理系統、管理信息系統、通信網絡及相應的管理軟件等組成，部署在重點用能單位內部，由重點用能單位負責建設，主要為用能單位提供能源管理服務。

省（市）級平臺與重點用能單位之間網絡架構：用能企業側安裝能源計量器具，通過在企業內部安裝能源計量數據交換系統、數據采集器、智能電表等多種方式，通過網絡把相關的能源數據傳輸到省（市）平臺。不同類型及規模的企業涉及的數據采集及傳輸方式有所不同，如圖3企業能耗數據采集傳輸方式示意圖所示。

3 ?能源計量數據信息交換系統

①定義：指放置在重點用能單位，用于采集、分析、匯總用能單位能耗數據并將數據上傳到系統平臺的設備總稱。

②作用：在企業互聯網的最外端放置能源計量數據信息交換系統，不打破企業內部現有信息安全等級結構。通過內網主機與現有信息系統網絡連接，建立數據訪問通道，從企業數字化平臺的中間數據庫中獲取上報數據，內網主機通過安全通道將數據單向擺渡到外網主機。在中間數據庫增加數據審核維護功能以提高企業上報數據質量。外網主機主要負責基于CA證書的安全身份認證，與上級平臺建立基于https的安全通道，進行基礎數據（服務內容）的下載和定期上傳能耗在線監測數據。外網主機獲取到由內網主機發送的數據后，會進行處理和暫存，按照設定的時間和頻率將數據上傳至上級平臺。能源計量數據采集與上傳示意圖見圖4。

1）可為用能單位提供節能信息、行業能效信息等數據服務;2）可通過有線或無線方式采集重點用能單位的能耗相關數據;3）對數據進行匯總，驗證、篩選、整理打包，對接上級平臺;4）對生產網絡和辦公網絡進行物理隔離。

③系統實施要點。

1）內外網連接和端口映射。內外網主機不要連接到同一個網段上，并且數據總是通過內網主機向外網主機擺渡。2）用戶管理。用戶登錄密碼設置為長密碼和字母數字、特殊字符混合密碼，增強安全性。普通用戶應設置有效期。超級用戶和普通用戶權限不交叉。3）基礎信息配置。企業基礎信息包括用能單位社會統一信用代碼、所屬地區、所屬行業、地理位置、年能耗水平，耗用能源和生產產品等;用能單位耗能層級結構信息包括全廠、生產工序、工序單位、重點用能設備等。4）能源計量器具臺賬和能源計量器具層級設置。建立企業能源計量器具臺帳，對計量器具檔案信息進行維護，包括計量器具核心信息、屬性參數、檢定/校準、安裝信息。構建計量器具的層級關系，便于企業更好的管理維護能源計量儀表。5）采集變量和上報指標配置。配置采集變量與計量器具之間的關系是配置上報指標的基礎，包括自動采集變量和手工采集變量。上報指標配置包括實時指標配置、日指標配置和月指標配置。6）數據交換路徑配置。數據交換路徑包括基礎數據下載地址、平臺版本校驗地址、用能單位基礎信息上傳和下載地址、用能單位采集數據上傳和下載地址，可配置為同時向國家級、省級、市級數據中心發送數據。7）數據交換路徑配置。數據交換路徑包括基礎數據下載地址、平臺版本校驗地址、用能單位基礎信息上傳和下載地址、用能單位采集數據上傳和下載地址，可配置為同時向國家級、省級、市級數據中心發送數據。

④優點。

部署在重點用能單位端的能源計量數據信息交換系統，基于設計理念的優勢其具備以下優點：

第一是高適用性：交換系統關注于工業控制領域的數據通訊協議處理，通過內網主機配備的隔離RS485總線接口以及8路千兆以太網接口，可以與包括但不限于工業領域最通用的通訊協議Modbus RTU、Modbus TCP、智能電表普遍采用的DL/T 645-1997/2007協議;智能水表、冷熱量表、燃氣表等常用的CJ/T 188-2004通訊協議;分布式控制系統（DCS）、生產數據采集監控系統（SCADA）等對外通訊的標準接口協議OPC等實現數據采集通訊。更加符合重點用能單位能耗在線監測系統中對能源數據的獲取與傳輸。交換系統接口圖見圖5。

第二是高可靠性：硬件結構上采用了智能化變電站領域通訊管理機的專用平臺，硬件配置方面通過冗余電源輸入、低功耗無風扇處理器、模塊化設計等技術，進一步強化整機系統的可靠穩定運行能力。

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85～370V，完全可以過濾來自電網的電壓波動對主機系統的運行干擾。在單電源掉電情況系統自動告警并保持繼續穩定運行。更換故障電源模塊時無需系統停機斷電，有效保障設備的穩定可靠運行。

第四是高電磁兼容標準：系統主機的外露千兆以太網口、通訊串口、電源輸入模塊等都采用了電源和信號隔離措施，確保設備供電來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：充分考慮到用戶現場需要接入的設備種類多，差異大，通訊協議復雜多變的應用場景，為提高數據配置效率及準確度，專門配置了一套參數配置工具軟件。

第六是擴展彈性：模塊化設計結構，可以根據實際項目需求情況對現有“2+1”架構進行升級，增加一片主機板卡，用于防火墻或VPN軟件集成，輕松實現“3+1”架構;還可以根據實際項目需要擴展8/16路具備信號隔離設計的RS485總線板卡，實現對各種計量器具通訊接口的直接接入。

第七是該系統主要由內、外網主機單元與數據交換單元（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，采用類似船閘擺渡的工作原理在內、外主機之間擺渡應用數據，安全隔離網絡的同時做實時的數據交換。通過端設備的隔離功能和CA書字數證書身份驗證滿足安全性要求;另外，為了保證數據的安全，建立SLL VPN虛擬專用網絡加密通道，進一步的保證數據與網絡的安全。

4 ?結束語

能源計量數據信息交換系統融合信息化、智能化、自動化等多項技術，可用于對水、點、氣、熱、油、動力等能耗的生產和使用情況進行實時監測和統計分析，實現能源的全方位優化管理。隨著物聯網時代的到來，在線實時數據的采集與交換應用越來越廣泛，基于安全隔離的能源計量數據信息交換系統，可滿足各行各業的能源計量數據實時在線采集和上報的需求，并對保證數據安全和數據質量起著舉足輕重的作用。

參考文獻：

[1]張克，林軍.能源計量與節能監測技術[M].中國質檢出版社，2013.

[2]李縣法，牛瑋娜.能源計量數據在線采集項目建設分析研究[J].中國計量，2014（3）：38-41.

[3]李杰，周云騰，馮玉輝，杜啟行.公共機構能源資源計量數據在線實時采集系統建設方法[J].計量技術，2015（10）.

[4]馮玉輝，李杰，尹遵義.公共機構能源資源實時采集系統[J].上海計量測試，2016（5）：60-63.