基于物联网的能源管理系统设计及实现

韩辉++李博++郝晓辰++李轩++潘文宇

摘 要：为了解决当前大型企业能耗居高不下，现有能源管理模式混乱，工作效率低下以及能源监测与分析信息化水平不足的问题，设计一套包括能源数据采集系统、数据通信系统、基于B/S构架模式的能源网络报表系统的能源管理系统，并从系统整体构架设计、系统硬件设计、系统软件设计及系统优势等几个方面进行阐述。事实证明：该系统工作稳定，数据信息传递准确，能有效防止人工抄表中的作弊现象。实现了对企业能耗的实时监测与分析、综合管理等功能，从而提高了企业的能源管理水平和能源利用效率，同时对能耗趋势进行合理的分析与预期，不仅能为企业在能耗改进中提供数据保障，还可以优化能源平衡和节能减排，提高管理效率，降低管理成本，为企业创造效益。

关键词：高能耗企业；能源管理系统；能源监测与分析；节能减排

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）05-00-04

0 引 言

随着经济社会的高速发展、人口数量的增长、工业化进程的加速，对能源的需求量也越来越大，经济在高速发展过程中所面临的大量能源消耗所产生的环境问题也越来越突出[1]。目前，我国消耗了全球21.3%的能源、54%的水泥、45%的钢铁，但仅创造了全球11.6%左右的GDP，而其中煤炭占能源消费比重达65.9%，石油占17.7%，水能占7.1%，天然气占4.7% 。一些地区能耗强度是全国平均水平的2～3倍，一些落后技术设备仍在使用，这使得转方式、调结构的任务十分艰巨[2]。工业能源管理在高能耗产业中占据重要一环，而如何做到能源的节约利用是问题的关键所在。

物联网，被称作全球下一个万亿元级规模的新兴产业之一，是新一代信息技术的重要组成部分。物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有物品与网络的连接，方便识别、管理和控制[3]。基于物联网的能源管理系统可实时监测企业各种能源的详细使用情况，为企业查找能耗弱点，促进企业管理水平的提高及运营成本的降低，为节能降耗提供直观科学的依据[4]。基于这种认识，为了提高能耗企业的能源管理水平，更好地做好节能减耗工作，针对高能耗企业的用能特点和能源管理需求，设计了一套基于物联网的能源管理系统，主要包括能源数据采集、能源网络发布、能源软件开发以及能源优化调度等。基于物联网的能源管理系统利用软件技术、自动化技术、网络技术、数据库技术等手段，解决能源运行过程中海量数据的采集、传输、存储和计算。相比传统能源管理方法，总结了基于物联网能源管理系统的优势。

1 系统的整体框架设计

物联网技术是以泛在网络为基础、以泛在感知为核心、以泛在服务为目的的综合性一体化信息处理技术。能源管理系统总体架构是基于“管控一体化”思想，将分散的能源控制系统、生产用能系统有机集成起来，提供分散控制、集中管理的开放式体系结构，借助OPC技术，实现监测数据传输与集中管理，方便连接第三方数据，有效进行实时界面操作，强调对历史数据的存储管理与统计分析[5]。

整体系统架构采用分层设计方法，基于物联网系统架构一般采用三层结构，从下到上依次包括感知层、网络层和应用层。本系统在系统架构设计中，根据实际工程项目应用需求在网络层与应用层之间添加一个控制层，通过添加的控制层可以使应用层对能耗设备进行自动监测，从而实现企业智能节能的目的。

本文介绍的基于物联网的能源管理系统根据感知层、网络层、控制层、应用层来实现功能，结构图如图1所示。

感知层的通信范围与传统互联网通信不同。能源管理系统的感知层是信息采集的最底层，是能源数据采集的终端。在感知层运用ZigBee模块以及RS 485线串接的方式对全厂全部的能源介质，包括电、水、煤、氧氮氩气、天然气、蒸汽等数据进行感知和采集。

网络层的主要功能是把感知层感知到的数据利用处理器单元对数据进行分析处理，把相应数据通过GPRS射频收发模块快速、可靠、远距离的传输到服务器端，使数据通过公司网络进入上位机系统。

应用层的主要功能是对网络层发送过来的数据进行分析与处理，并通过Web客户端操作页面，实现对设备节点的远程监测与数据分析功能。同时，也可以通过Web终端获取设备在过去任何时间段的能耗情况，根据能耗情况可以判断出现场设备在这段时间内是否运转正常，以及管理中心操作员是否存在违规操作等。

2 系统硬件设计

能源管理系统硬件设计主要包括数据采集系统设计、数据传输设计与显示系统设计。数据采集系统由RS 485线、国网I/II型采集器、国网集中器模块等组成，能快速、准确地获取智能采集表中的数据，达到数据与设备匹配。集中器对于上位机发来的数据会判断其格式是否符合376.2应用协议，对不符合应用协议的数据会予以忽略，成功解决了数据错乱等问题。数据传输主要由集中器、中控计算机和GPRS无线网络组成，保证了数据的传输速率与传输距离，避免因网络中断造成数据丢失等问题。此外显示系统主要由LED控制卡与LED显示屏组成，对能源分析结果起到显示作用。

2.1 感知层设计

能源管理系统底层通过ZigBee自组网形式采集能源数据，之后通过智能采集表RS 458总线数据接口将能源数据传输给采集器，采集器巡检各表RS 458总线数据进行处理，并将采集上来的数据存储。采集器与集中器通信采用ZigBee无线通信模块，采集器平时处于接受状态，当采集器收到集中器指令时，按照指令内容操作，将采集器有关数据通过无线通信模块送至集中器。集中器可以定时或实时对下辖的采集器进行数据抄收，并进行存储。当上级设备—管理中心计算机调用数据时，集中器上的GPRS通信模块通过无线网络将存储的能源数据打包上送。管理中心计算机可以通过集中器对采集终端进行各种操作。

2.2 网络层设计

数据通信是能源数据采集与能源数据统计与分析的中间环节，本系统主要采用GPRS网络技术与ZigBee技术进行开发。GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术），是一种分组交换系统[6]，其资源利用率高、传输速率快、传输距离远等特性都非常适合本系统。

ZigBee自组网传输相对于传统的无线网传输更加可靠。在传统无线网络中，数据都按照设定好的链路进行路由传输，一旦有节点出现故障，它所有的相关节点都会随之瘫痪。而自组网传输由于是动态路由，可以随时调整，当某个节点出现故障时，它之前的相关节点会另外找寻路径来接入网络，从而避免网络的瘫痪，保证了数据传输的可靠性[7]。系统实施时，将采集器模块置于国网采集器中，集中器模块放置于集中器内。通过自组网的方式将数据传输到集中器，然后再通过 GPRS 方式发送回管理中心计算机的能源管理系统。

2.3 应用层设计

能源管理系统在网页发布能源报表上采用Web技术，任何一台连入办公网内的电脑都可以通过浏览器对能源报表进行查看。同时，在厂区内则采用LED技术为厂区人员进行实时能源数据显示，其中LED技术采用集群控制LED显示屏网络控制系统，各个LED显示屏在局域网内通过TCP/IP协议与服务器建立连接。系统可以自动根据所在厂区的工艺段来显示相对应的能耗报表，以供不同工艺段的员工实时查看，根据能源报表的异常，找出引起高能耗的原因，并及时采取相应措施。

3 系统应用设计

3.1 能源采集软件设计

本文设计的基于物联网的能源管理系统软件主要采用C语言开发，用Microsoft Visual Studio 2010及SQL Server 2008数据库平台搭建。基于当前高能耗企业能源使用及统计中存在的问题，所设计的系统能源数据流图如图2所示。

根据图2所示的流程图，该能源管理系统可以分为能源数据采集软件、能源网络发布软件两大主要部分。图3是能源数据采集软件功能图。

3.2 能源统计与网络Web设计

能源网络发布在能源服务器上，此系统采用.Net操作平台下的Web框架，在客户端应用浏览器，属于B/S构架模式，用来进行能源报表统计与分析，是能源管理系统的重要组成部分[8]。在此操作系统上，可以进行登陆人员身份验证、能源报表选择、能源年报查询、能源月报查询以及能源日报查询，其中包括对班组能耗的统计。管理人员可以依据需求进行选择以及查看操作，当查看完成后，还可以将能源统计及能报表以Excel格式导出保存并打印，以供管理人员对能耗进行分析、规划及预测。软件功能图如图4所示。

图2 能源管理系统数据流图

图3 能源数据采集软件功能图

图4 能源网络发布软件功能图

能源数据采集部分用Windows窗体模块开发，能源数据发布与分析采用Web模块开发。数据采集部分主要为对现场各种采集表能源数据进行采集并存储，对系统工艺、能源报表、设备节点的组态。能源网络发布部分主要为能源数据的统计与分析，并将最终统计结果发布到公司局域网上，供管理人员进行能源分析与预测，并作出科学的能源策略。

能源管理数据库系统的性能优劣决定了软件系统的整体运行效率。为了提高系统的运行效率，能源管理系统的数据存储与操作采用SQL Server 2008数据库进行开发设计，SQL Server 的优点众多：易用性、适合分布式组织的可伸缩性、用于决策支持的数据仓库功能、与其他服务器软件紧密关联的集成性、良好的性价比等，最重要的是SQL Server是一个具备完全Web支持的数据库产品，提供了对可扩展标记语言 （XML）的核心支持以及在Internet上和防火墙外进行查询的能力[9]。

4 现场应用系统

能源管理系统在承德、唐山、临澧等水泥厂已经投入使用，各项功能运行良好，解决了能源统计难、数据造假、能源分析不科学等问题。能源消耗与之前相比确有下降，有一定的节能效果。如图5所示的（a）、（b）、（c）分别为承德冀东现场能源管理系统数据采集主界面、能源管理系统网络发布的报表选择查询页面以及能源日报表网页的部分软件界面。

（a）

（b）

（c）

图5 能源管理系统部分软件功能运行图

5 系统优势

目前，能源管理方法有以下几种：

（1）人工管理。现场有安装传感器，但是没有数据采集设备。由于历史原因，现场仪表比较老旧，不具备通信或其他输出方式。暂时使用人工抄表的方法采集数据，定期进行人工统计。

（2）总量管理。现场没有安装传感器，根据能源购入总量及使用时间进行统计，对于自然资源（例如水等资源） 不统计使用和排放。

（3）独立管理。重点设备有配套的监测设备，例如，煤气柜具有独立的监测系统，监测煤气柜的归位、压力、温度等参数。

表1就各种方法进行比较。

表1 各种能源管理方法比较

人工管理 总量管理 独立管理 基于物联网的能源管理系统

过程监测 人工进行 无法进行 重点设备

独立监测 集中统一

监测

统计频率 每日统计 根据能源购入频率统计 按秒或

分钟统计 按秒或

分钟统计

监测实时性 人工监测，实时性较差 无法进行 独立设备可以实时监测 全厂统一

实时监测

计划实绩对比 根据统计，总值对比 根据统计，总值对比 根据统计，独立对比 统计进行

全厂各项对比

平衡管理 无法进行 无法进行 独立设备，平衡管理 全厂进行

统一平衡管理

综上所述，基于物联网的能源管理系统具有以下优势：

（1）打破传统的抄表方式使能源管理技术自动化、智能化。完善能源信息的采集、存储、管理和能源的有效利用。

（2）实时网络发布，提高企业能源监测与分析的信息化水平，在公司层面对能源系统采用分散控制和集中管理。

（3）减少管理环节，优化管理流程，降低管理成本，建立客观的能源消耗评价体系。

（4）减少能源系统运行成本，提高劳动生产率。

（5）加快系统的故障处理，提高对全厂性能源事故的反应能力。

（6）通过优化能源调度和平衡指挥系统，使企业对能耗进行科学、有效的管理，以达到节约能源和改善环境的目的。

6 结 语

目前能源管理系统已经完成全部工作，成功应用于承德冀东等水泥企业，解决了企业传统抄表存在的问题，提高了企业能源管理水平和能源利用效率，实现了优化能源平衡和节能减排。经过一年的正常运行，收到了良好的效果，改变了管理中心操作员不良操作等现象，能耗较以往有明显下降。管理者可以科学、可靠的对能源消耗进行分析与预测，给企业带来巨大的经济效益，同时也保护了环境 ，履行了自己对社会的责任，目前正打算在全国范围内推广此能源系统。

参考文献

[1] Maheshwaric GP， Al-TAqi H， Al-Murad R， et al.rammable thermostat for energy saving[J].Energy and Buildings， 2001， 33（7）：667-672.

[2] 戴丽. 我国能评起步晚，需要发展过程[J]. 节能与环保，2014（3）：28-31.

[3] 田景熙. 物联网概论[M].南京：东南大学出版社，2012.

[4] 宋旭， 曹领. 基于.NET的能耗管理信息系统设计和实现[J]. 电脑知识与技术， 2011， 7（21）：5055-5056.

[5] 李鑫， 齐少帅， 吴渊，等. 关于中小型企业能源管理系统的探讨[J]. 内蒙古林业调查设计， 2011， 34（2）：107-108.

[6] 申力. 基于GPRS的数据传输应用[D]. 南京：南京理工大学， 2004.

[7] 武永胜， 王伟， 沈昱明. 基于ZigBee技术的无线传感器网络组网设计[J]. 电子测量技术， 2009， 32（11）：121-124.

[8] 张华桁， 宋立群， 柯科峰. B/S构架信息系统的安全策略研究与开发[J]. 计算机工程与应用， 2004（13）：159-162.

[9] 蒋大刚， 王红胜. 基于.NET平台的数据库查询构件的设计与实现[J]. 科学技术与工程， 2008， 8（15）：4373-4375.