基于物聯網的火電碳排放監測系統設計

隨著我國“雙碳”目標提出，作為我國碳排放量主要控制對象之一的火電企業，進行綠色低碳產業轉型迫在眉睫，而碳排放量控制的前提是對碳排放量的有效監測。目前，大多數火電企業在碳排放量監測環節仍采用傳統總量估算方法，或依賴第三方監測機構進行階段性監測。傳統法雖然操作簡單，但實測數據誤差偏量大，而第三方監測雖然階段性監測準確，但無法提供實時數據，且費用支出昂貴。因此，本文提出并設計了基于物聯網的火電碳排放監測系統，以期可遠程無人監測火電機組的實際碳排放量，智能化監測實時數據并預警，為火電企業實現“雙碳”目標提供助力。

一、系統功能設計

物聯網技術可有效提高火電機組碳排放量的準確性和實時性，結合火電企業碳排放標準和要求，最終達到實時、遠程、智能、無人監測火電企業碳排放量的目標。基于此，本文設計的基于物聯網的火電碳排放監測系統功能可分為四部分：第一，碳指標綜合，負責對碳排放數據進行綜合，整合各項碳排放指標，為火電企業提供一個全面的碳排放統計狀況；第二，數據標準化，即對碳排放數據進行標準化處理，使得不同企業、不同時間段的碳排放數據具有可比性；第三，實時數據報警，設置碳排放相關參數閾值，當實測數據超過閾值時，系統會自動發出警報；第四，趨勢數據預警，根據碳排放趨勢進行分析，為企業提供未來一段時間內的碳排放預警情況。

二、系統結構設計

基于物聯網的火電碳排放監測系統結構主要分為三個核心部分，即數據感知層，數據網絡層和數據應用層。

數據感知層是監測系統的數據采集區域，其主要負責數據的采集和在傳感器階段的數據解析，由碳排放監測傳感器，數據網關，數據集成器和數據信號增強器等組成，主要對碳排放數據進行實時信息采集和數據模式轉換。數據感知層是監測系統和火電機組的物理關聯層，也是保障數據實時采集、數據準確采集的源頭，是系統數據處理和傳感互聯的核心。本文設計的監測系統將多數電容傳感器分布在火電機組四周，通過藍牙增強和并行網關的方式進行數據集中采集，同時將精度更高的電化學傳感器分布在排放口，將區域監測效果更好的紅外傳感器按區域進行劃分，采用射頻通信方式進行網關數據綜合，解析并篩選部分數據信息，并對傳感器設置采集周期，定時開關數據信號增強器，為數據網絡層的應用提供設備基礎。

數據網絡層是監測系統的數據傳遞區域，其主要負責數據的遠程傳輸和數據計算，依托物聯網邊緣計算模式，由數據終端設備、數據網關和有源連接線等組成，通常布置在廠房和設備地點附近區域，對傳感器采集的數據進行匯總和進一步解析計算，并通過CAN總線傳遞給火電企業控制中心。數據網絡層是監測系統承上啟下的數據交接層，主要完成遠端無人智能監測任務，其中數據網關負責統一傳感器數據制式，解析完畢后傳遞數據實時信息，數據終端設備負責對數據原始信息和數據處理信息進行重新編碼，保障數據傳遞效率的同時兼顧數據的信息安全，完成與火電企業控制中心的數據交互和部分指令響應任務，為數據應用層提供價值數據信息。

數據應用層是監測系統的數據應用區域，其主要負責數據的顯示、數據的存儲和數據的分析。在數據顯示中，可以通過顯示器或觀測屏幕實時顯示碳排放監測的實時數據、歷史數據、數據閾值、數據預測值、數據比對值和數據指標信息等，使火電企業管理者根據不同權限查閱相關數據信息。在數據存儲中，可以通過本地服務器存儲由數據網絡層傳遞的數據信息，保存原始數據、處理數據和控制中心操作日志，按照一定的存儲結構排列存儲數據，并將核心數據加密備份。在數據控制中，通過數據處理算法進行數據信息處理和表示，對數據閾值進行多層次比對和預警設置，對警報信息進行自動控制，并采用深度學習的方式分析碳排放各類指標數據，為數據預測和數據分析提供技術支持。

三、系統應用設計

根據監測系統結構設計可知，基于物聯網的火電碳排放監測系統功能按照實際使用情況可分為權限登錄、指標綜合、閾值報警、趨勢預警和數據分析五部分組成。

（一）權限登錄設計

為了確保監測系統的安全性，火電企業管理者在訪問系統之前需要進行權限登錄流程，不同的權限登錄可顯示信息不同。

在權限登錄時，加密技術必不可少，本文采用SHA-256Hash+salt的方式來加密用戶密碼，這樣采用隨機信息摘要的方式可有效加強數據信息登錄的安全性，即使有人在傳輸過程中截獲了用戶的賬號和密碼，也無法輕易解讀其真實含義，當然在服務器端，需要對加密后的信息進行解密，以便進行后續的比對操作。同時，服務器在接收到用戶提交的登錄信息后，會將其與用戶信息表中的數據進行比對，這一步是登錄成功的關鍵，只有當輸入的賬號和密碼與服務器上的記錄完全一致時，用戶才能成功登錄系統，在這個過程中，服務器還需要定期對用戶信息進行實時更新和維護，確保數據的完整性。

（二）指標綜合設計

火電機組碳排放量、實時排放強度、碳排放閾值和碳排放動態是構成火電碳排放管理指標的重要內容。

首先，火電機組碳排放量詳細展示了當前碳排放量、當前排放量配額盈余、當前排放指標變化等信息，這一指標設計目的在于讓火電企業能夠全面了解自身的碳排放狀況，從而有針對性地在全局過程中開展碳排放減少工作，及時發現碳排放異常情況。其次，實時排放強度是當日碳排放強度和標準值，這一指標設計可以幫助企業實時掌握碳排放變化趨勢，以便根據實際情況調整生產策略，降低碳排放強度，同時，標準值對照自身排放情況可明確改進方向。再次，碳排放閾值負責提醒企業管理者注意報警信息，當碳排放量出現異常超過閾值時，系統會立即發出警報，促使管理者迅速采取合適措施，降低碳排放量。最后，碳排放動態指標提供了企業實際的動態碳排放量情況，通過歷史數據對比，火電企業可以直觀地看到自身在碳排放控制效果，為改進碳排放管理提供數據支持。

（三）閾值報警設計

監測系統中閾值報警設計旨在實時監測碳排放量是否超標，并對異常數據提供自動報警功能，通過閾值規則設定，實現了對碳排放參數的智能監控，確保“雙碳”環境保護工作的順利進行。

在系統運行過程中，一旦發現數據異常，顯示中心將立即展示報警變化信息，當異常數據超過閾值時，系統會自動發出警報信息，并將報警信息推送給當值人員的終端設備，當值人員可以根據實際情況解除報警，同時錄入和存儲故障處理措施及結果，確保問題得到有效解決。同時，閾值報警涵蓋了報警查詢、報警統計、報警推送等方面，從而滿足不同場景下碳排放監測的需求。

（四）趨勢預警設計

趨勢預警的主要功能是預測和統計火電機組的碳排放量和配額量。首先，通過對各項碳排放數據分析，可對年度碳排放量進行預測，幫助火電企業滿足需求的同時，降低碳排放量。該設計可根據機組的運行狀態、燃料類型等多種因素，根據趨勢精確預測機組的碳排放量，同時，實時監測碳排放濃度、煙氣流量等參數，以規定格式進行數據統計，精確計算出企業自身的碳排放量，當碳排放量超過配額時，系統會自動發出預警，提醒相關人員采取措施降低排放量。

（五）數據分析

監測系統可根據數據分析，對機組碳排放強度、配額量等關鍵參數進行綜合評價，以便了解火電機組的排放表現和節能減排潛力，推動火電的低碳轉型，同時，數據分析專注于分析碳排放量、配額量等關鍵指標的變化規律，有助于管理人員把握碳排放的動態變化，為制定碳排放減少目標提供數據支持。此外，數據分析通過深入研究碳排放相關指標之間的關系，以圖形化方式呈現，幫助企業更直觀地了解各指標之間的相互關聯，有助于管理人員全面掌握碳排放的內在規律，為碳減排策略的制定提供依據。

四、結束語

本文介紹了基于物聯網的火電碳排放監測系統的功能設計、結構設計和應用設計，監測系統具有信息化、智能化、高效化監測碳排放量的特點，滿足火電企業的實際應用需求，在“雙碳”目標下，企業更需要重視碳排放監測系統的設計和應用，為綠色低碳生產提供助力。

作者單位： 陜西省能源質量監督檢驗所