基于智能化的智慧能源監控系統建設研究

關利樂

（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能減排力度和信息化水平的不斷提高，國家、城市、行業發展方式發生了深刻的變化[1]。近幾年，公司按照國家節能減排計劃，嚴格執行上級關于節能減排的要求。隨著公司規模的擴大，業務量的增加，投入使用的設備增多，項目規模也隨之增大，同時，部分老設備的承載能力逐漸減少，但仍在網絡中運行，使得用電量持續增長，迫切需要對企業進行節能減排，但同時也缺乏有效的工具，對相關的能源數據進行管理和分析。在此背景下建立了以智慧能源為基礎的能耗監控系統，實現了對電能消耗實時監控，并對其進行全面、細致的分析，為今后的節能工作指明了方向。

1 工程簡介

本系統主要是對智能儀表、綜合能源采集終端、DCS系統等能源數據進行采集，并將其集成到智慧能源監控系統中，從而解決了目前能源管理中的一些問題：能源數據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，構建了一個用于企業的能源大數據平臺，并對其進行了全面的監控和管理。

2 系統總體結構

智慧能源監控系統的體系結構可以劃分為數據采集層、網絡傳輸層和應用服務層[2]。數據采集層的作用是采集和轉發能量的基本數據，網絡傳送層的作用是完成能量的基礎數據的傳遞，而應用服務層的作用是對系統的功能進行發布和服務。

3 數據采集層

本項目的能量基礎資料來源于以下設備：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協議，安裝在不同的配電室內，分布比較集中；DCS系統，用于蒸汽供應部門的生產，使用西門子PCS7，并支持OPCDA。

3.1 資料收集層通信協定

其中，數據采集部分的主要通信接口和協議是ModBusRT和基于RS-485通信接口的ModBusRT，以及以太網OPC通信協議。針對目前智能儀器分布分散的狀況，采用LoRa無線通信技術來取代現有的有線通信電纜。

3.1.1 RS-485協議

RS-485是一種具有10Mbps的經典串口通信標準，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接口來構建一個設備的網絡。

3.1.2 ModBus協議

ModBus是一種半雙工通信模式，它包括一個子站和幾個從站，允許多臺設備在同一網絡上進行通信。ModbusRTU模式是指在Modbus網絡上以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個字節可以表示2的8次方，也就是256個；一個字節，用來一次處理一個事務的固定長度的比特。在16比特的工業現場控制裝置中，1字節=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協議中的指令包括以下五個部分：地址代碼（1字節）、功能代碼（1字節）、起始地址（2字節）、數據（N字節）、校驗碼（2字節）。該數據包括數據長度（表示為M的寄存器數目）和Mx2字節的數據主體。

3.1.3 OPC協議（OPC）

OPC數據存?。―A）規范是指對各種總線標準之間的數據存取機制進行簡化，使各種總線標準之間的數據存取成為可能。OPCDA服務器通過屏蔽各種總線通信協議的差異，為上層應用程序提供了一個統一的存取接口，從而在應用層實現了對各種總線協議的設備的互操作[3]。OPC實時數據存取規范，包括數據值、更新時間和數據質量等方面的相關標準。OPC協議是OPC和OPCUA的主要形式，OPCUA和OPCDA是不同的。

（1）職能。OPCUA不但對傳統OPC提供了全部的支持，而且還提供了許多新的功能：①網絡搜索。在此PC機上可以使用的現有網絡上的OPC服務器進行自動查詢。②優化地址空間。OPCClient不但可以對簡單的數據進行讀取和使用，而且還可以對復雜的結構進行存取。③相互訪問和驗證。所有的數據/信息的讀取和寫入，都需要被授權。④訂閱資料。根據OPCClient的不同配置和標準，對數據/信息進行監測，并根據數字的變化情況進行報表。⑤計劃函數。OPCUA允許OPCClient在OPC服務器中定義一個方案（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，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。

（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為基礎的遠程無線技術，也是眾多LPWAN通信技術之一，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網關可以將數以千計的LoRa節點連接起來。

（4）傳送速度：數百至數十kbps，在較低的速率下，傳送距離會更遠。

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

3.2 資料收集系統的設計

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

網絡通信的數據采集：集成能量采集終端通過有線通信電纜實現。為了確保數據的快速和高品質，每一個通信網絡組的設備不超過20個（理論上最大值是32個），總共30個通信網絡。LoRa無線組網的數據采集周期為20s，有線數據采集其循環時間可以達到10s。采用OPCDA通信協議作為DCS系統中的數據采集方案，主要考慮到西門子的PCS7系統和winCC系統都是免費的OPCDA通信協議，西門子公司要購買OPCUA的相關許可才能進行OPCUA通信。PCS7系統的數據采集系統是由專門的數字工業控制計算機（配備了OPCDA和OPCClient軟件），連接到DCS系統操作員站（經過初步的試驗，西門子PCS7系統的服務器和操作員站都可以用作OPCDA的服務器），提出了利用操作員站的額外網口，獨立地建設OPCDA通信網絡。另外，OPCDA通信的點名必須符合PCS7系統的點名表，否則不能進行數據采集[4]。

4 網路傳輸層

在數據采集層的設計中，同時考慮了網絡傳輸層的實現。系統網絡傳輸層的結點是系統服務器到系統服務器的串口服務器，網閘出口到系統服務器。采集層的串口服務器和數采工控機都具有以太網口，能與工廠網絡連接，并能通過工廠網絡進行數據傳送。

4.1 Transfer協議概要

在網絡傳送層中，所使用的主要通信接口和協議是TCP、UDP等。

4.1.1 TCP

TCP協議在傳送層中是統一的ModBusTCP。Mod－BusTCP通過TCP/IP和以太網，將以太網物理網與TCP/IP技術相結合，并將數據表達方式與ModBus相結合。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，而沒有了數據檢查和地址。當ModBusTCP通信時，應留意所用的通信資源端號，在ModBus伺服器內采用Port502通信接口，在ModbusClient程式內設定任何通訊埠，以避免與其他通信協定發生沖突，建議自2000起采用通信端號Port。

4.1.2 UDP協議

UDP協議是一種沒有連接的協議，在發送數據之前，源和終端之間沒有任何的聯系，在需要傳輸的時候，只需要從應用中獲取數據，然后盡快地將其發送到網上。在發送端，UDP的數據傳輸速度只限于應用程序產生數據的速度、計算機的能力以及傳輸的帶寬。因為沒有建立連接，所以不需要保持連接狀態，如發送/接收狀態等，所以一個服務端可以將同一信息發送到多個客戶端。UDP報文頭較短，僅8字節，與TCP20字節數據包相比，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，僅限于應用程序產生的數據速率、傳輸帶寬、源端和終端端的性能。UDP是以消息為導向的，通過UDP向應用程序提交的消息，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，所以應用程序必須選擇適當的消息尺寸。盡管UDP是一種不可靠的協議，但是對于發布信息來說，UDP是一個非常理想的協議。

4.2 網路傳送層架構

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

5 應用服務層及管控系統設計

5.1 應用服務層

在系統的應用服務層中，采用了B/S體系結構（Browser/Server）。Browser是一個Web瀏覽器，它在前面執行了很少的事務邏輯，但是在服務端執行了大部分的交易邏輯。B/S體系結構的系統不需要額外的安裝，只需要有網絡瀏覽器（IE，360等主流瀏覽器）就可以了，這大大降低了服務器維護的工作量。

5.2 能源監測系統設計

智能能源管理系統，在生產監控調度中心，實現對電力、光伏發電、充電樁等系統的綜合監控，實現對各系統的啟動、停止、正常運行的監測和調整，以及異常情況的應急處理。針對本基地能耗設備的分散分布，本文提出建立現場生產監控SCADA系統，實現對各控制子系統的統一監控。各站的供電系統進行監控、控制和保護，主要采用微機控制系統，輔以少量其他控制系統和設備。控制系統設備為物理分布，現場運行設備僅用于調試、初運行、巡檢和事故處理。當機組調試、啟動、系統出現故障時，可在相應的LCD顯示屏上進行監控。當設備進入正常工作狀態時，它可以從現場監控轉移到生產監控和調度中心，一般以遠程監視為主。

5.3 能源監測平臺設計

以“互聯網+”模式建設能源匯聚到服務平臺，建設能源交易及相關業務交易平臺，利用云計算平臺進行分布式發電和電力用戶終端數據，形成大數據，利用大數據進行智能分析、數據分析，為用戶提供節能服務。

6 結語

目前，以智慧能源為基礎的能源消耗監控與管理系統已經得到廣泛應用。這些新的功能運用，不但可以讓操作者更好地理解企業的能源消耗構成，也可以幫助不同的使用者提高其對應的能力，例如：協助財務人員提高能源消耗成本的精細分析，協助建筑工人提高精準投資能力，協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動因素的核算能力等，從而可以更科學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。智慧能源監控系統的建成、投入使用，為企業的各個層面的管理者提供了有效的能源管理手段，幫助企業節能減排，為國家的碳中和事業做出自己的貢獻。