基于物聯網的能耗在線監測平臺的構建與實施

馬 勇 劉曉燕 姜灃恩

（棗莊礦業（集團）柴里煤礦，山東 滕州 277519）

1 引言

目前柴里煤礦能耗管理仍然依靠較為傳統的人工操作方式，這種方式不僅速度慢，而且極易產生誤差，同時無法對數據進行動態分析、動態預警、對標管理，只能事后控制，已經無法滿足該礦自身對能耗管理的需要。

柴里煤礦年綜合能源消費量 16 000 t 標準煤，屬于國家重點用能單位，耗電4725 萬kW·h，耗蒸汽293 478 萬t，耗水21.89 萬t，年折合價值分別達到2646 萬元、1681 萬元、32.84 萬元。按照國家能源戰略和《節約能源法》及國家發展改革委發布的《重點用能單位節能管理辦法》的要求，作為重點用能單位，必須加強節能管理，提高能源利用效率，控制能源消費總量，促進生態文明建設。為達到上述目標，必須積極推進能源在線系統平臺建設。

2 構建能耗在線監測平臺的總體思路及技術

2.1 總體思路

該平臺利用目前比較先進的lora 技術進行組網。lora 是一種基于擴頻技術的遠距離低功耗廣域網無線傳輸方式，屬于物聯網通信技術之一，它的最大特點就是低功耗、遠距離，可以有效地抗擊干擾并實現加密。軟件開發采用Java 語言進行設計，后臺數據庫采用Oracle 存儲，整個系統采用B/S 架構。該平臺利用物聯網技術，結合自動采集、信息化管理、數據分析等現代化手段，構建適應柴里煤礦實際需要的能耗在線監測系統，并組織實施，從而逐步提升柴里煤礦能耗管理水平。

2.2 流程實現及主要架構

整個系統平臺劃分為三個層級：第一層級為能效數據采集層，第二層級為網絡通信層，第三層級為中心管理層。能效數據采集層是對各種用能設備進行能耗數據在線監測，包括對耗水、耗電、耗汽等信息參數進行采集。網絡傳輸層是通過網絡通信方式，將現場采集到的各類參數數據傳送到數據采集服務器。中心管理層由路由器、數據庫服務器、數據采集服務器、WEB 服務器等設備組成。系統通過對柴里煤礦的整體用能信息處理、分析和展現，可以動態了解當前的能耗和生產情況，并客觀地做出更好的能源管理決策、管理和調度，建立一種高效落實的生產能源管理體系。

2.3 系統軟件設計思想及技術

根據能源管理系統實時性、分布式計算，以及與其他子系統互聯的要求，采用了開放分布式的設計思想，采用國際標準 IEC 61970 CIM/CIS，面向柴里煤礦電、水、蒸汽等能源介質，對計量數據統一采集、處理、管理，并預留擴展功能，實現了基于Internet 的遠程維護和網上瀏覽功能，為礦井能源管理實現全面信息化提供一套先進的、開放的、可擴展的、可靠的管理平臺，并在此平臺上支持對礦井各種能源數據的高級分析應用。

3 構建能耗在線監測平臺數據采集系統

3.1 硬件設施

按照用能單位能源計量器具配備和管理要求，該平臺的電氣計量設施設備全部采用最新國網規范的國網表，精度為0.5s 級。該類型計量設備具有計量準確性高、數據格式符合國網規范等優點。用水設施采用外夾式超聲波水表，該類型水表具有不需要切割原來的管道、不會對生產生活造成停水、安裝方便快捷、計量準確等特點。蒸汽數據采用隔離器將三路輸入信號一分為二，新增二次表計的方式，該方式不會對原來表的使用造成影響。

3.2 通訊與組網技術

該通信系統基于Lora 技術進行組網，實現各類參數與命令的下達、數據的采集及上傳，主要由通信基站、計算機終端、集成通信模塊的用戶設備、具備通信功能的用戶設備等組成，如圖1。

系統采用了分時間片的組網方式，解決了無線串口收發模塊可以一發多收，不能同時多發一收的障礙。

如圖2，這種組網方式是先由主機發起廣播時間，從機收到后，首先校對并同步本地時間，然后根據配置的編號進行陸續上傳，從而實現多發一收的功能。這種組網方式收發數據節約大量時間，并且能夠防止同時收發造成的系統沖突。

圖1 基于Lora 的組網通信系統組成示意圖

圖2 分時間片組網圖

4 構建能耗在線監測平臺數據監測終端

4.1 監測系統

所有電、水、蒸汽等計量設備的數據傳輸采用全新的基于Lora 技術的無線模塊來完成。該技術是一種低功耗局域網無限標準，改變了計量設備的有線數據傳輸方式，每一處采集點采集到的數據匯總到lora 無線模塊，而后，此模塊以lora 協議將數據傳輸至服務器端的無線接收模塊，接收模塊再將數據送至數據集中器。該設備替代了本該在每個采集點放置的數據集中器，并且省去很多的485 通訊線等輔材及潛在的施工工時，在保證數據穩定的情況下，數據質量完全達到了項目要求。該方案的實施，一是極大地降低了成本，由于本項目表計眾多，位置復雜，舊表走線復雜，安裝分散，無線模塊在不改變舊表通訊線走線的情況下直接將數據送至服務器，可以節約大量成本；二是縮短了施工時間，確保了該項目如期完成并通過上級主管部門驗收；三是極大地避免了重復施工問題和很多潛在的施工安全隱患。

4.2 通信設計

本系統組網通信主要是有線485 方式和無線Lora 方式，通信方式為RTU，通訊協議為MODBUS，確保可以實現點對點通信和點（基站）對多（模塊）通信。

5 構建能耗在線監測平臺信息管理系統

5.1 軟件功能設計

能源在線監測系統平臺總體架構遵循SOA 設計理念，采用多層分布式體系架構，在具體實現技術的選擇上，針對本項目的功能需求，系統采用C++和JAVA 混合的技術路線。其中系統的采集計算平臺主要面向采集設備，對于系統的性能、實時性、穩定性和可靠性要求較高，采用 C++技術實現；系統中的數據應用主要面向操作人員實現管理分析功能，對于系統的易用性、易維護性和功能的可擴展性要求較高，采用Java EE 技術實現。

5.2 軟件系統功能特點

5.2.1 能耗在線監測系統功能

通過采集安裝在現場的各種智能表計、DCS/ERP 等系統提供的能耗數據、生產過程數據、設備狀態數據、質量數據等，上送至系統主站中，包含電、水、汽、熱等能源數據的采集和手工補錄、集中器電表等設備的運行狀態、越限告警、異常告警等。

5.2.2 實時監測功能

可根據實際配電系統組態模擬高壓系統圖、低壓線路圖，對高壓、低壓回路進行實時監控，監測電度、電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素等參數。

5.2.3 能源數據的分析功能

通過對不同對象的數據及趨勢曲線分析，有助于管理者了解各個能源系統的工作狀態，并迅速做出決策。

5.2.4 能耗報警管理功能

通過能耗分析系統智能感知，將能耗異常（用能定額超標、待機能耗、夜間常流水等）通知相關責任人。

5.2.5 報表打印功能

該系統不單能夠實現標準模板的打印，同時可以實現自定義數據功能。客戶可以對各類報表進行自定義管理、顯示，并能夠實現全圖形、全漢化的顯示和打印功能，人機界面較好。系統采用交互式、多窗口技術，可以方便快捷進行窗口調用。

5.2.6 后臺管理功能

包含檔案維護、權限管理、設備管理等功能。

6 實施效果

能耗在線監測平臺在柴里煤礦實現自動化操作以來，不僅減少人工投入，還大大提高數據的時效性和準確性，據測算，每年可節省電、汽、水抄錄、匯總等人工費用90 余萬元。

2020 年綜合能耗6.02 kgce/t，較去年同期（8.50 kgce/t）下降2.48 kgce/t，能源消費量5404 tce，較去年同期（6380 tce）下降976 tce，初步測算節能效率達15%，節約能源消耗成本70 余萬元。日常對水、電、蒸汽費用的消耗情況進行實時預警，有效地降低了各項成本費用的支出，合計降低557.75萬元。

7 結語

該平臺的構建是利用信息技術推動節能降耗,是提升企業精細化管理水平的重要舉措，為企業準確把握和分析節能降耗發展趨勢,科學利用能源提供技術支撐，也為政府節能管理部門掌握、分析信息、研究節能改造和制定相關政策措施提供科學的依據。該平臺的構建在棗莊礦業集團公司范圍內屬首例，具有較高的推廣、應用價值。