高速公路分布式能源在线监测系统的设计与实施

白宏光

（山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

分布式能源是我国能源转型的基石之一，在过去的15年中，我国分布式能源政策不断演进和发展，在国务院印发的《“十四五”循环经济发展规划》[1]中提到，“积极利用余热余压资源，推行热电联产、分布式能源及光伏储能一体化系统应用，推动能源梯级利用。”随着分布式能源规模的迅速增长，其合理、高效、综合提高能源利用率的优势不断凸显。

与此同时，由于分布式能源和可再生能源种类、规约、规模以及空间跨度等原因，导致对其进行集中监测与优化控制、管理成为了新的技术难题[2]。本文结合山西省高速公路服务区分布式能源系统的应用场景，设计并实施了一种基于物联网与云技术，可分布式部署且模块化可扩展的分布式能源在线监测系统，首次实现高速公路服务区应用场景下分布式能源的数据统一采集、实时监测和集中分析。

1 物联网的技术体系架构

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。近年来，随着芯片、通讯及数据科学等技术的促进，物联网技术也得到快速的发展与进步，在物流、安防、交通、家居、医疗、能源、制造等各个行业与领域都得到广泛应用[3]。

物联网是一个开放的、综合的技术体系，需要多种技术共同支撑，其关键技术主要包括3个方面——信息感知、信息传递与信息处理。信息感知，是指利用摄像头、麦克风、全球定位系统等各种传感器捕获与测量不同数据与信息；信息传递，是指利用各种有线与无线通讯技术，包括传统的工业现场总线通讯的技术，对采集的信息进行更大范围、更高速度的传输；信息处理，是指利用云计算、边缘计算、人工智能等现代智能计算技术，对采集的海量数据进行建模、分析、可视化与综合利用[4]。

基于以上信息感知、信息传递与信息处理3方面要素，一个典型的物联网系统也可以分为感知层、交换层以及应用层3个层面[5]。感知层主要包括不同种类的传感器及就地的数据采集终端，用于感知、测量与采集不同类型、不同维度的信息，这些信息既包括在现有的类似系统中可能已经采集并处理过的信息，也包括传统条件下没有收集的有效信息。信息交换层是感知层与应用层间连接的纽带，目前，可供物联网系统使用的通讯方式多种多样，需要根据具体的应用场景去甄选最适合的传输形式，但整体的趋势是在确保信息安全的前提下，通过电信服务商网络直接接入数据，实现真正意义上的“万物互联”。应用层负责不同场景下对信息的提取、处理与运用，通过物联网技术与不同专业领域的充分融合，来实现设备与系统智能化的目的。在不同行业、不同应用场景下，应用层的表现可能千差万别。物联网技术体系架构示意如图1。

图1 物联网技术体系架构

2 分布式能源在线监测系统功能分析

山西省高速公路服务区的分布式能源系统，主要指“煤改电”[6]改革后的热泵系统、电锅炉、电蓄热、水地源热泵等分布式供暖设备。目前，高速公路服务区分布式能源系统中普遍存在以下问题：

a）能源设备部署分散，运行条件复杂，人工巡检效率低，无法实现有效的监控与监管。

b）能源设备主要通过人工手动控制调节，在外界环境条件变化的情况下，人工调节存在严重滞后，设备无法实现经济、舒适的运行模式。

c）能源设备的运行受到外部供电电源质量、运行环境等各方面因素影响[7]，设备运行中的安全隐患无法及时发现。

针对上述问题设计的分布式能源在线监测系统，利用现代通信技术，对遍布山西省的各个高速公路服务区分布式能源系统设备的基本情况、用电量、供暖量、设备健康状态、环境数据等参数进行实时采集，并利用网络传输到集中的数据中心服务器进行数据清洗、数据存储、数据分析以及数据展示。通过与就地的工业自动化系统结合，分布式能源在线监测系统还能够远程操作各个能源设备并调节其参数，以实现设备的智能化运行。在具备一定历史数据的基础上，在线监测系统还能够通过人工智能技术对未来能耗、设备健康进行预测与诊断。系统整体功能需求分析示意如图2。

图2 分布式能源在线监测系统功能需求分析

3 分布式能源在线监测系统实施方案

针对分布式能源在线监测系统的功能需求，结合物联网项目的技术体系架构，设计并实施高速公路分布式能源在线监测系统。与标准的物联网项目结构类似，系统分为数据采集、数据传输、数据应用3部分，系统见图3。

图3 分布式能源物联网检测项目结构

3.1 数据采集

高速公路服务区分布式能源的运行数据，包括电能与非电能两大类型。其中，电能信号又分为总电能与分设备电能；非电能信号包括压力、温度、流量、热量[8]以及设备运行过程中自身传感器产生的其他数据。数据采集部分通过边缘计算网关，因地制宜采用不同的策略进行数据采集。

现代的分布式能源系统，总用电量一般通过智能电表进行采集，边缘计算网关可通过红外读表终端，利用非接触式的方法采集智能电表的数据，对于供电部门允许直接连接的电表，也可以通过RS485等工业总线直接从智能电表上读取数据。

对于各个热泵、电锅炉、水泵等独立的用电设备，为便于数据分析，需要加装电量传感器进行数据采集。为减少对运行中系统的影响，电流的采集可通过卡扣形式的传感器，在不影响设备工作的情况下，直接采集设备电流。在边缘计算网关中，通过对采集到的电压、电流传感器数据进行计算，可以得出功率因数、有功功率、无功功率、视在功率等电能参数。

非电量数据通过各自的传感器或设备内置的传感器进行采集，压力、流量、温度、热量等传感器，一般可分为模拟量与通讯式两种。对于模拟量输出的传感器，需要将其接入网关对应的模拟量接口，或通过模拟量转通讯的模块进行转换。对于包含通讯接口的传感器，可直接接入网关的相应接口，通过设置即可进行数据采集。

3.2 数据传输

分布式能源在线监测系统数据传输部分的核心是边缘计算网关，网关一方面需要从现场设备与传感器上读取数据，另一方面需要对采集到的数据进行清洗、压缩及预处理，以去除冗余，减少数据传输量。

网关与就地设备之间，一般通过现场总线或局域网进行数据传输，对于需要进行远程控制的设备，其控制指令链路采取加密认证与传输的方式，以保证设备操作的安全性。常用的工业现场通讯的总线协议包括基于RS485或RS232的串口协议，以及基于串口的Mosbus，Profibus，CC-link等协议，也包括基于以太网的Modbus-TCP，Profinet等标准协议。对于分散的小型无线智能传感器（例如用于环境温度测量的传感器），也可通过蓝牙、Zigbee、Wi-Fi、Lora等近场通讯协议无线接入网关。

网关一般采用有线网络或者4G/5G的无线通讯方式接入电信运营商网络。经运营商网络将数据传输至云端服务器。

3.3 数据应用

分布式能源在线监测系统的数据应用层采用现代的基于云原生的架构，采用云服务器进行数据的存储与分析，以及向用户提供基于标准HTTP服务的多平台自适应应用服务。用户通过电脑、平板电脑、手机浏览器访问指定地址，经过身份验证后可以访问各自权限内的站点。用户也可以在电脑或手机端安装客户端进行访问，与浏览器相比，客户端支持在本地建立数据库并与远程同步，以便在离线状态下进行进一步的数据、报表查询等操作。

用户可接触到的所有上述监测、控制以及报表、报警等可视化信息，均通过数据应用层向用户展示，在用户看不到的后台，数据应用层需要包含的功能主要有以下几方面：

a）安全机制 包括用户认证，物联网设备认证，数据传输加密等与网络安全相关的安全机制。

b）数据转存 对于客户端传输到服务器的海量数据，需要服务器快速有效地进行处理与转存。为提高数据存储效率，可通过非关系型的时序数据库进行数据存储。

c）数据处理 数据处理包括了根据用户要求，对数据进行不同维度的分类、汇总以及分析与处理，并最终以用户便于理解、阅读的形式进行展示。

4 结论

本文以山西省高速公路分布式能源系统案例为基础，对一种基于物联网的分布式能源在线监测系统进行介绍，该系统可以为用户提供监测、分析、控制、评估、维护等技术服务，集数据采集与处理、运行监测、实时分析、信息展示等功能于一体，在保证网络安全的前提下，为用户进行能源监测、控制与调度优化以及设备运维提供了手段。

随着分布式能源在线监测系统的设计与实施，高速公路分布式能源系统产生的海量数据将不断产生并上传到服务器，在线监测系统的人工智能引擎也随即通过数据进行建模与分析。而随着数据的不断积累，人工智能引擎的分析与预测结果也将日趋精确，不断从能源预测、能源调度与预测运维方面为用户提供更多有参考价值的信息。