浅谈基于物联网技术的能源管理系统

刘世栋++朱卫国++朱锦泉

摘 要：文中分析了能源管理设备节能的重要性及如何建设能源管理系统与能源管理系统结合物联网技术的趋势。简要介绍了物联网的系统结构及相关技术和基于物联网的建筑设备能源管理系统的系统构架、系统功能、关键技术等。

关键词：能源管理；物联网；系统构架；系统功能；关键技术

中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

当前我国经济发展面临着能源依赖性高但利用率低的问题，节能对实现国民经济的可持续发展至关重要。调查显示，建筑耗能约占我国社会能耗的1/3，随着“建设节约型社会”概念的提出，建筑设备中的节能应用越来越受到重视，“绿色节能”已成为楼宇建筑的发展方向。

物联网是继互联网后的第四代计算模式，代表了下一代信息发展技术，被称为下一个万亿级产业。物联网是物物相连的互联网，可实现物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网已列入国家发展战略，它的应用将涉及未来社会的各个行业领域。随着物联网技术的日益成熟，建筑设备物联网技术已经成为智能建筑技术中的关键技术，物联网技术与智能建筑设备能源管理系统的结合，能够实现建筑群能耗的统筹管理，符合当代智慧城市的能源管理要求，是现代建筑发展的必然结果。

1 系统构架

1.1 物联网介绍

物联网是通过射频识别、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把物品与互联网连接起来以进行信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网集成了多种感知、通信与计算技术，不仅使人与人（Human to Human，H2H）之间的交流变得更加便捷，还使人与物（Human to Thing，H2T）、物与物（Thing to Thing，T2T）之间的交流变成可能，最终将使人类社会、信息空间和物理世界（人、机、物）融为一体。物联网的核心和基础仍是互联网，物联网是在互联网技术基础上延伸和扩展的一种网络技术，其用户端延伸和扩展到物品，可实现物品与物品之间的信息交换和通信，实现物与人的联系。网络化、物联化、互联化、自动化、感知化、智能化是物联网的基本特征。

从国内外的研究情况看，物联网的体系结构还未统一。一般可将物联网以DCM模型（Devices， Connect， Manage）自下而上分为感知层、网络层和应用层。

（1）物联网感知层由各种传感器、控制模块、网络通信模块以及用于连接感知层与网络层的智能网关构成，实现物体的识别与环境的感知以及各类数据的采集。

（2）网络层囊括了服务于物联网信息汇聚、传输和初步处理的网络设备和平台，负责传递和处理感知层获取的信息，将感知层获取的各种不同数据信息传递到处理中心进行处理，包括核心网、接入网和延伸网。

（3）应用层主要由各种应用系统组成，实现对采集数据的汇聚、转换、分析与共享，并为用户应用提供相应的支撑平台。关键技术包括中间件技术、对象名称解析服务、云计算、面向服务的体系架构技术、物联网业务平台及安全等技术，其中云计算是实现物联网的核心，其促进了物联网和互联网的智能融合。

1.2 系统构架

系统架构由前端到管理中心分别包括终端计量层、网络接入层、网络传输层、管理中心层几个部分。

（1）终端计量层主要是前端的各种能源数据采集设备，用于采集能耗数据并上传至通讯层，它是构建该能耗管理系统必要的基本组成元素。不仅肩负着采集数据的重任，同时也是执行后台控制命令的终端元件。

（2）网络接入层主要由数据采集网关及总线网络等组成。该层是数据信息交换的桥梁，数据采集网关提供了RS 232、RS 422、RS 485、SPABUS及以太网等各种接口，组网方式灵活，支持点对点通讯、现场总线网络、以太网等类型的组态网络。

（3）网络传输层是将前端采集到的各类能源数据信息以IP网络的方式传输至管理中心进行相应处理，为具体功能应用提供数据支撑。

（4）管理中心层针对该系统的管理人员，该层直接面向用户。管理中心层是系统的最上层部分，主要由能耗管理系统软件和必要的硬件设备如计算机、打印机等组成。其中软件部分具有良好的人机交互界面，通过数据传输协议读取前端采集的现场各类数据信息，经自动计算处理，以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况，并可接受管理员的操作命令，实时发送并检测操作的执行状况，保证使用单位正常工作。

能耗计量管理功能设计各种符合用户的报表格式，报表内数据严格按照各种标准进行计量，用户只需查找打印即可，极大地方便了操作，提高了工作效率。基于物联网技术的能源管理系统的系统构架如图1所示。

2 系统功能

基于物联网技术的能源管理系统功能图如图2所示。

2.1 用户管理

系统软件设置多达几百种密码分区和密码设置，为系统管理员、后勤管理人员、设备维护人员等提供分级密码，并对所有操作自动进行带时标事件记录，建立良好的反事故措施。

为了使实时系统能够安全稳定地运行，整个系统提供可靠的安全保护措施，所有的系统操作员能够根据权限大小赋予某项特性，这些特性规定了各操作员对系统及各种活动的适用范围，如用户名、口令字、操作权限及操作范围等，可保证系统中用户信息的一致性，降低用户账号管理的复杂度及账号滥用风险，大大提高了信息系统的安全性。

2.2 能耗分类分项统计

对每个部门或者每栋建筑的能源都进行分类分项分析，包括各能源能耗、同比环比分析、成本分析、各能源用能趋势分析，并通过折线图、柱状图、堆积图等方式灵活切换展示。

2.3 能耗对比分析

对比分析主要是对比任意两个部门或者两栋建筑之间的能耗对比，可选择对比成本、总能耗、各能源能耗等，并选择任意一段时间进行对比，从而更加清晰地了解不同建筑或部门间的能耗差异。

2.4 自动生成能耗统计报告

对整体能耗进行全面的能源审计，通过审计对某部门或某建筑按能源类别、建筑类别等维度的能源使用效率、消耗水平、能源利用的经济效益指标、异常用能情况等进行客观审计与定量分析，从而发现部门或建筑节能的潜力并提出改造意见，给出科学合理的审计报告。

2.5 系统监测报警

监测报警功能是整个系统的报警中心，主要包括线损监测、漏损监测、仪表故障监测、能耗超标监测等，通过该模块可清楚的知道目前各部门能耗是否良好。

（1）系统具有强大的报警系统，能够对实时、历史的报警和事件进行显示、存储、查询等，能够及时通知操作人员，帮助用户进行故障监控和决策制定。支持多种报警显示窗口，包括实时报警窗口、历史报警窗口和查询窗口。

（2）实时报警窗口显示最新的报警信息，报警信息被确认或恢复后，报警信息随之消失。

（3）历史报警窗口显示历史报警事件，包括以往的历史报警信息、报警确认信息和恢复信息，报警事件的来源是报警缓存区。

（4）查询窗口能够查询报警库中的报警事件，报警事件的来源是报警库。支持多种报警查询条件，可以按报警时间查询、报警类型查询、按记录类型查询等方式查询报警信息。

（5）系统支持自动语音告警、短信告警提示及邮件报警等方式通知管理员。

2.6 报表管理

系统能够为用户提供丰富的报表以供用户查询，还可以根据需求灵活定制，所有的报表都可以导出、打印，方便用户使用。

部门或建筑能耗报表主要展示各部门或各建筑的逐日、逐月、逐年或任意时间段的能耗数据。

设备运行报表可查询重点设备的运行报表，包括设备能耗、设备功率、运行时长、平均功率以及设备的维护和保养信息。

2.7 数据手工录入

对于不具备自动采集条件的能源类型以及暂时不便实现自动监测的能源消耗点如煤、油等，系统需预留手动录入接口，用户可手工录入，系统自动汇总录入数据。

2.8 能耗数据上报

系统通过定时任务调度自动从管理中心的数据库中提取有效能耗数据，按照定义的数据交换格式包（参照《国家机关办公建筑及大型公共建筑分项能耗数据传输技术导则》采用统一规范的格式），进行合并整理打包，发送到上级数据中心，方便上级统一管理。

3 关键技术

3.1 硬件技术

3.1.1 设备改进

采用物联网技术对能耗采集和传输设备进行改进，每台设备具有全球唯一身份识别的IP地址码，便于身份识别。能耗采集和传输设备除具有应有的数据发送和传输功能外，还具有数据分层存储、处理和分析功能，便于能源管理平台做数据校验和核准，可保证数据的准确度。

3.1.2 智能网关

针对使用Lonwork/BACnet/Modbus等现场总线协议的设备，使用智能网关完成现场总线协议与IP协议的转换、广播、管理等功能。智能网关直接连接在现场总线网络与Inernet网络之间，实现控制网络和信息网络的统一，解决协议异构带来的互联问题。

3.2 软件技术

3.2.1 Web Services技术

Web Services的主要目标是在现有的异构平台基础上构筑一个与平台无关、语言无关的技术层，各种不同平台之上的应用依靠该技术层来实施彼此的连接和集成。Web Services是分布式计算领域一种最新的开发成果，它基于一些开放的IT标准XML，服务描述语言（Web Services Description Language， WSDL），简单对象访问协议 （Simple Object Access Protocol， SOAP），通用发现描述与集成 （Universal Discovery Description and Integration， UDDI）等构建，具有更好的开放性、扩展性和安全性。它具备平台独立、用户透明和轻松穿透防火墙等特点，是实现异构系统集成的理想计算模型，引入Web Services技术实现建筑设备各子系统之间和企业应用之间以及采用不同通信协议的建筑设备自动化系统之间的无缝集成和及时集成。

3.2.2 中间件技术

物联网的中间件是网络的应用程序和底层采集数据设备之间的桥梁，它通过封装和固化很多通用功能来降低整个管理系统的开发成本，进而缩短开发周期。能源管理系统的中间件能够屏蔽底层传感器设备、网络平台的差异，将感知层的多样数据转化为通用的对象类型。

3.2.3 云计算

能源管理平台软件采用云计算技术架构，云计算技术是构建物联网运营平台的关键技术，“云”是一种提供资源的平台，为用户提供计算力、存储空间和信息服务。“云计算”技术的运用为建筑设备的实时动态管理提供了技术支持，确保了建立实用、可靠和高效的智能化信息集成共享平台，实现了对各类设备设施监控信息资源的共享和优化管理。

4 系统特点

4.1 系统操作简单实用

系统具备良好的易学习易操作性，并对能耗情况通过折线图、柱状图、堆积图进行直观显示，方便理解操作，使具备电脑初级操作水平的相关管理人员能通过简单培训就掌握系统的操作要领，达到正常操作水平。

4.2 对各类能源设备实时监测

运行系统中的能耗数据时刻都在发生变化，超负荷、不平衡等因素将会对配电设备造成巨大的损害，然而这些因素的产生并不是预期的，所以对系统的实时性要求非常关键，系统不仅能够实现实时性监测，还应对一些必要的事件进行记录存储。如果出现设备损坏、能源浪费等非正常现象，可自动报警通知管理人员，保证用户对所有能耗设备运行情况及能源消耗情况进行及时了解，充分体现了系统的实时性。

4.3 系统具备可扩展性

系统设计并不是一成不变的，今后可根据需要对工程进行扩建、改造或者与其他系统兼容、并入等，可以利用系统的预留通讯接口与其他系统实现对接，例如与上级调度系统如楼宇自动化控制系统（BAS）、管理信息系统（MIS）、消防控制系统（FCS）等对接运行时可实现系统扩展。

4.4 系统稳定、易维护

系统具备高可靠性，可保证长期稳定运行，同时也要考虑到遭遇意想不到的原因而发生问题时，能保证数据的方便保存和快速恢复，并保证紧急时能迅速打开通道，因此系统具备数据备份及恢复功能，为保证系统的正常运行进一步提供了保障。

5 结 语

“智能”和“绿色”已成为智能建筑的发展方向，基于物联网的能源管理系统无论在技术上还是应用上都有着巨大的优势，其发展前景广阔，必将受到越来越多的关注。智能建筑与物联网的结合是大势所趋，将促进智能建筑纵向的深入发展，促使智能建筑融入“智慧城市”之中，提升智能建筑的功能，推进“智慧城市”的发展。

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