基于智能化的智慧能源监控系统建设研究

关利乐

（山西省安装集团股份有限公司，山西太原 030032）

0 引言

随着国家不断加大节能减排力度和信息化水平的不断提高，国家、城市、行业发展方式发生了深刻的变化[1]。近几年，公司按照国家节能减排计划，严格执行上级关于节能减排的要求。随着公司规模的扩大，业务量的增加，投入使用的设备增多，项目规模也随之增大，同时，部分老设备的承载能力逐渐减少，但仍在网络中运行，使得用电量持续增长，迫切需要对企业进行节能减排，但同时也缺乏有效的工具，对相关的能源数据进行管理和分析。在此背景下建立了以智慧能源为基础的能耗监控系统，实现了对电能消耗实时监控，并对其进行全面、细致的分析，为今后的节能工作指明了方向。

1 工程简介

本系统主要是对智能仪表、综合能源采集终端、DCS系统等能源数据进行采集，并将其集成到智慧能源监控系统中，从而解决了目前能源管理中的一些问题：能源数据手工抄表缺乏准确性、及时性；能耗分析及人工巡查滞后；单位管理者无法及时掌握用能实际情况。同时，构建了一个用于企业的能源大数据平台，并对其进行了全面的监控和管理。

2 系统总体结构

智慧能源监控系统的体系结构可以划分为数据采集层、网络传输层和应用服务层[2]。数据采集层的作用是采集和转发能量的基本数据，网络传送层的作用是完成能量的基础数据的传递，而应用服务层的作用是对系统的功能进行发布和服务。

3 数据采集层

本项目的能量基础资料来源于以下设备：智能仪表，用于测量蒸汽、压缩空气、冷冻水等能量，并具有RS-485通信接（串口），并支持标准ModBusRTU协议，但在空间上比较分散；集成能量收集终端，用于电量测量，支持RS-485通信（双线制），支持标准ModBusRTU协议，安装在不同的配电室内，分布比较集中；DCS系统，用于蒸汽供应部门的生产，使用西门子PCS7，并支持OPCDA。

3.1 资料收集层通信协定

其中，数据采集部分的主要通信接口和协议是ModBusRT和基于RS-485通信接口的ModBusRT，以及以太网OPC通信协议。针对目前智能仪器分布分散的状况，采用LoRa无线通信技术来取代现有的有线通信电缆。

3.1.1 RS-485协议

RS-485是一种具有10Mbps的经典串口通信标准，如图1所示，具有良好的抗噪性，RS-485的最大传输距离标准为1219.2m，实际达到3000m，RS-485在总线上可以达到128个。也就是说，它具备多个站点的功能，便于用户通过一个RS-485接口来构建一个设备的网络。

3.1.2 ModBus协议

ModBus是一种半双工通信模式，它包括一个子站和几个从站，允许多台设备在同一网络上进行通信。ModbusRTU模式是指在Modbus网络上以RTU方式进行通信，其中每8比特含有2个4比特16进制字符。描述：比特，是最小的信息单元，缩写成“b”，表示0或1的数字信号；Byte，一种用来测量存储能力的测量单元，缩写为“B”，1比特=8比特，也就是1比特，1个字节可以表示2的8次方，也就是256个；一个字节，用来一次处理一个事务的固定长度的比特。在16比特的工业现场控制装置中，1字节=2比特=16比特。在电脑里，大部分的寄存器都只有一字长度。ModBusRTU协议中的指令包括以下五个部分：地址代码（1字节）、功能代码（1字节）、起始地址（2字节）、数据（N字节）、校验码（2字节）。该数据包括数据长度（表示为M的寄存器数目）和Mx2字节的数据主体。

3.1.3 OPC协议（OPC）

OPC数据存取（DA）规范是指对各种总线标准之间的数据存取机制进行简化，使各种总线标准之间的数据存取成为可能。OPCDA服务器通过屏蔽各种总线通信协议的差异，为上层应用程序提供了一个统一的存取接口，从而在应用层实现了对各种总线协议的设备的互操作[3]。OPC实时数据存取规范，包括数据值、更新时间和数据质量等方面的相关标准。OPC协议是OPC和OPCUA的主要形式，OPCUA和OPCDA是不同的。

（1）职能。OPCUA不但对传统OPC提供了全部的支持，而且还提供了许多新的功能：①网络搜索。在此PC机上可以使用的现有网络上的OPC服务器进行自动查询。②优化地址空间。OPCClient不但可以对简单的数据进行读取和使用，而且还可以对复杂的结构进行存取。③相互访问和验证。所有的数据/信息的读取和写入，都需要被授权。④订阅资料。根据OPCClient的不同配置和标准，对数据/信息进行监测，并根据数字的变化情况进行报表。⑤计划函数。OPCUA允许OPCClient在OPC服务器中定义一个方案（方法）来完成具体的程序。

（2）对平台的支撑。OPCUA标准不再以COM/DCOM为基础，它可以提供更多的可支援的软硬件平台。硬件平台有微软的视窗、苹果的OSX、安卓和其他基于Linux的分布式操作系统。

（3）安全问题，最大的改变是OPCUA可以在任意一个端口（在管理员开放之后）进行通信，这就避免了OPC通信被防火墙所束缚。

3.1.4 无线LoRa通信（LoRa）

LoRa是一种以扩展频谱技术为基础的远程无线技术，也是众多LPWAN通信技术之一，最先被美国Semtech公司采纳并推广。这种方法可以方便地实现远距离低功耗的无线通信。LoRa具有下列特征。

（1）传输距离：城镇2～5km，市郊15km。

（2）工作频率：ISM频段，包含433MH、868MH、915MH等。

（3）容量：一个LoRa网关可以将数以千计的LoRa节点连接起来。

（4）传送速度：数百至数十kbps，在较低的速率下，传送距离会更远。

（5）调制模式：一种以扩展频谱为基础的远程无线传输技术，它是一种具有正向误差校正功能的线性调制型扩展技术。

3.2 资料收集系统的设计

针对本工程要求的采集仪表、控制系统的特点，提出了一种基于智能仪表的综合能源采集系统的设计思路：通过串口服务器（RS-485、ModBusRTU）的数据采集。每台串口通信服务器都要承担一个通信子网络的数据采集工作。由于目前智能仪器存在着太多的分布，RS-485采用LoRa无线技术取代了有线通信电缆。

网络通信的数据采集：集成能量采集终端通过有线通信电缆实现。为了确保数据的快速和高品质，每一个通信网络组的设备不超过20个（理论上最大值是32个），总共30个通信网络。LoRa无线组网的数据采集周期为20s，有线数据采集其循环时间可以达到10s。采用OPCDA通信协议作为DCS系统中的数据采集方案，主要考虑到西门子的PCS7系统和winCC系统都是免费的OPCDA通信协议，西门子公司要购买OPCUA的相关许可才能进行OPCUA通信。PCS7系统的数据采集系统是由专门的数字工业控制计算机（配备了OPCDA和OPCClient软件），连接到DCS系统操作员站（经过初步的试验，西门子PCS7系统的服务器和操作员站都可以用作OPCDA的服务器），提出了利用操作员站的额外网口，独立地建设OPCDA通信网络。另外，OPCDA通信的点名必须符合PCS7系统的点名表，否则不能进行数据采集[4]。

4 网路传输层

在数据采集层的设计中，同时考虑了网络传输层的实现。系统网络传输层的结点是系统服务器到系统服务器的串口服务器，网闸出口到系统服务器。采集层的串口服务器和数采工控机都具有以太网口，能与工厂网络连接，并能通过工厂网络进行数据传送。

4.1 Transfer协议概要

在网络传送层中，所使用的主要通信接口和协议是TCP、UDP等。

4.1.1 TCP

TCP协议在传送层中是统一的ModBusTCP。Mod－BusTCP通过TCP/IP和以太网，将以太网物理网与TCP/IP技术相结合，并将数据表达方式与ModBus相结合。TCP通信包是用EthernetTCP/IP分组进行的。ModBusTCP在TCP包上加入了一个标准ModBus包，而没有了数据检查和地址。当ModBusTCP通信时，应留意所用的通信资源端号，在ModBus伺服器内采用Port502通信接口，在ModbusClient程式内设定任何通讯埠，以避免与其他通信协定发生冲突，建议自2000起采用通信端号Port。

4.1.2 UDP协议

UDP协议是一种没有连接的协议，在发送数据之前，源和终端之间没有任何的联系，在需要传输的时候，只需要从应用中获取数据，然后尽快地将其发送到网上。在发送端，UDP的数据传输速度只限于应用程序产生数据的速度、计算机的能力以及传输的带宽。因为没有建立连接，所以不需要保持连接状态，如发送/接收状态等，所以一个服务端可以将同一信息发送到多个客户端。UDP报文头较短，仅8字节，与TCP20字节数据包相比，UDP所需的额外费用非常少。吞吐量不受拥塞控制算法的影响，仅限于应用程序产生的数据速率、传输带宽、源端和终端端的性能。UDP是以消息为导向的，通过UDP向应用程序提交的消息，在加入了第一部分之后，就会传递到IP层。没有分割或合并，但保留了消息的边界，所以应用程序必须选择适当的消息尺寸。尽管UDP是一种不可靠的协议，但是对于发布信息来说，UDP是一个非常理想的协议。

4.2 网路传送层架构

在DCS系统中，对DCS的数据采集和传输也要加以考虑。为了保证系统的相对独立性和安全性，必须在DCS与DCS外部网络之间添加一个网闸（采用具有多种控制功能的固态开关和写入媒体，将两个独立的主系统相连）[5]。由于两个独立的主系统是由一个网闸来隔离的，所以没有物理的、逻辑的、和信息的传送的，没有根据协议的信息的交流，只有数据文件的非协议的摆渡。这样，从物理上隔离、阻断了所有对内网造成潜在攻击的网络连接，使得外敌无法直接入侵、攻击或破坏内网，从而保护了主机的安全，保证了数据的单向传递，并保证了DCS系统不会被反写到DCS中。串口服务器采用ModBusTCP的TCP透传ModBusRTU，它将利用TCP协议在网络传送层进行数据传送；采用中断续传机制，以改善网络传输层的可靠性。

5 应用服务层及管控系统设计

5.1 应用服务层

在系统的应用服务层中，采用了B/S体系结构（Browser/Server）。Browser是一个Web浏览器，它在前面执行了很少的事务逻辑，但是在服务端执行了大部分的交易逻辑。B/S体系结构的系统不需要额外的安装，只需要有网络浏览器（IE，360等主流浏览器）就可以了，这大大降低了服务器维护的工作量。

5.2 能源监测系统设计

智能能源管理系统，在生产监控调度中心，实现对电力、光伏发电、充电桩等系统的综合监控，实现对各系统的启动、停止、正常运行的监测和调整，以及异常情况的应急处理。针对本基地能耗设备的分散分布，本文提出建立现场生产监控SCADA系统，实现对各控制子系统的统一监控。各站的供电系统进行监控、控制和保护，主要采用微机控制系统，辅以少量其他控制系统和设备。控制系统设备为物理分布，现场运行设备仅用于调试、初运行、巡检和事故处理。当机组调试、启动、系统出现故障时，可在相应的LCD显示屏上进行监控。当设备进入正常工作状态时，它可以从现场监控转移到生产监控和调度中心，一般以远程监视为主。

5.3 能源监测平台设计

以“互联网+”模式建设能源汇聚到服务平台，建设能源交易及相关业务交易平台，利用云计算平台进行分布式发电和电力用户终端数据，形成大数据，利用大数据进行智能分析、数据分析，为用户提供节能服务。

6 结语

目前，以智慧能源为基础的能源消耗监控与管理系统已经得到广泛应用。这些新的功能运用，不但可以让操作者更好地理解企业的能源消耗构成，也可以帮助不同的使用者提高其对应的能力，例如：协助财务人员提高能源消耗成本的精细分析，协助建筑工人提高精准投资能力，协助运维人员提升机房能耗的管理能力，帮助会计人员提升能耗成本驱动因素的核算能力等，从而可以更科学合理地进行能源消耗的管理，达到降低成本和提高效益的目的。智慧能源监控系统的建成、投入使用，为企业的各个层面的管理者提供了有效的能源管理手段，帮助企业节能减排，为国家的碳中和事业做出自己的贡献。