淺談物聯(lián)網(wǎng)架構下的校園能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對目前校園電能監(jiān)測現(xiàn)狀，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構的校園電能監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了校園電能監(jiān)測系統(tǒng)的各功能模塊組成結構，并給出了后臺工程管理模塊的設計，即基于后臺工程化管理，通過設備建模、組織建模的方式來管理整個電能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)支持多種終端設備的遠程訪問，在軟件設計和電能監(jiān)測管理方面具有一定的先進性。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)架構：電能監(jiān)測；設備建模

     目前大部分院校只能通過自動抄表系統(tǒng)查看校園整個用電能耗，并不能實時監(jiān)測各建筑、房間電能消耗情況，無法適應節(jié)能型校園的發(fā)展要求，因此需要在校園中應用電能監(jiān)測系統(tǒng)，科學的管理校園各區(qū)域及樓宇的用電情況。目前常見的電能監(jiān)測的方式有兩種：傳統(tǒng)的手持式抄表機，這種儀表功能單一，攜帶方便，不能夠連續(xù)監(jiān)測，測量勞動強度大，多數(shù)不具備綜合測量、分析、判斷功能；電能遠程監(jiān)測系統(tǒng)采用zigBee、GPRS等無線通信方式，利用Internet網(wǎng)絡對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行在線連續(xù)監(jiān)測，但這種測量結果展示不夠直觀，且不具備報警、自動診斷等功能。

      自從物聯(lián)網(wǎng)概念提出以來，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)廣泛應用于能耗監(jiān)測系統(tǒng)中。本文結合物聯(lián)網(wǎng)技術，針對目前校園電能監(jiān)測的現(xiàn)狀，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構的校園電能監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)中感知層的電能采集終端從用電設備上采集電能參數(shù)；傳輸層中的智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關完成R$485總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的協(xié)議轉換，并通過校園網(wǎng)把數(shù)據(jù)上傳給應用層；應用層的監(jiān)測中心完成數(shù)據(jù)的存儲、分析處理，并向客戶端提供Web服務。系統(tǒng)設計融入工程化、模塊化的設計思想。后臺完成設備建模方法實現(xiàn)檢測設備的管理，以組織建模的方法完成設備所屬組織關系的管理，滿足系統(tǒng)對設備多維化、精細化管理需求。同時后臺利用設備模板、組織模板的擴展功能屬性和復用屬性，實現(xiàn)后臺數(shù)智能化存儲?？茖W的工程化后臺管理是整個系統(tǒng)的核心，是穩(wěn)定、極速、人性化的前臺根本保障。

 

      一個完整的電能監(jiān)測系統(tǒng)可以對電力系統(tǒng)中各項參數(shù)進行監(jiān)測和遠程發(fā)布，本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構主要分為感知層、傳輸層和應用層三個層次，其網(wǎng)絡拓撲如圖1所

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

      感知層的電能采集終端的作用是將原始電壓、電流信號采集并轉變?yōu)閿?shù)字信號，完成電能參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，并通過RS485總線將數(shù)據(jù)上傳到智能網(wǎng)關。本設計的電能采集終端可以支持多種電表，如三相四線電子式有功電能表、單相遠程費控智能電表、智能電網(wǎng)多功能電表等。系統(tǒng)中一些功能是建立在特定表具上的，例如：電流、電壓的趨勢分析，對應的表具要存在供采集的電流、電壓參數(shù)；功率趨勢分析也需要可提供功率變量的表具。

      傳輸層的功能是把來自感知層的信息進行接入和傳輸，通過校園網(wǎng)上傳給應用層。智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關通過RS485總線接收數(shù)據(jù)，完成RS485總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議之間的轉換，將終端電表上傳來的實時數(shù)據(jù)進行本地分析，并通過校園網(wǎng)將數(shù)據(jù)壓縮打包上傳至應用層。網(wǎng)關根據(jù)系統(tǒng)策略分整點數(shù)據(jù)上報、異常數(shù)據(jù)上報與修復、網(wǎng)關離線處理等，同時網(wǎng)關還可以實現(xiàn)短時間的數(shù)據(jù)儲存，當網(wǎng)關與服務器斷開連接時，電表上報的數(shù)據(jù)將暫時存儲在網(wǎng)關中，當連接正常后再將這些數(shù)據(jù)上報上去。

      應用層的監(jiān)測中心由平臺服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和客戶端組成。監(jiān)測中心使用以太網(wǎng)通信協(xié)議接收智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關采集上來的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包存儲到數(shù)據(jù)庫服務器中。應用服務層采用B/S開發(fā)架構，平臺服務器完成與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關的通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存工作，并向客戶端提供Web服務。數(shù)據(jù)庫服務器提供數(shù)據(jù)的可靠存儲和查詢等任務。客戶端供用戶方便地完成Web瀏覽。本系統(tǒng)支持多種客戶端終端設備如計算機、平板電腦、智能手機等，可供用戶隨時監(jiān)測校園內的用電情況。同時，平臺服務器還可以把數(shù)據(jù)存儲在云端，提供云服務，方便用戶的遠程訪問。

     本設計的功能模塊分為數(shù)據(jù)采集與存儲模塊、前臺展示模塊和后臺工程管理模塊三個部分，系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。后臺的工程管理模塊支持前臺的展示和管理整個電能計量監(jiān)測系統(tǒng)。

圖2系統(tǒng)功能模塊圖

2.1數(shù)據(jù)采集與存儲模塊

     數(shù)據(jù)采集模塊完成與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關的通信、數(shù)據(jù)采集、解析和保存工作，采用自動、手動相結合的采集方式，并對通信過程提供完善的日志管理、事件管理和故障檢測機制。數(shù)據(jù)存儲模塊根據(jù)上報來的數(shù)據(jù)進行分類、分項存儲，根據(jù)存儲策略，平臺服務器將數(shù)據(jù)存儲至本地數(shù)據(jù)庫服務器和遠程(云存儲)數(shù)據(jù)中心?？蛻舳藢⒄埱笮畔l(fā)送給平臺服務器，平臺服務器在和數(shù)據(jù)庫服務器之間交互后，將處理結果返回給客戶端。

2.2前臺展示模塊

     前臺展示模塊設計為實時數(shù)據(jù)展示、用電明細、用電統(tǒng)計、用電分析、電能定額管理、綜合信息管

理六大模塊。

1)實時數(shù)據(jù)展示

     電能實時數(shù)據(jù)展示以秒為單位對監(jiān)測電表和參數(shù)實時顯示。數(shù)據(jù)展示采用可縮放矢量圖形(SVG)技術設計表頭和24h數(shù)據(jù)實時展示。展示效果更逼真、直觀。表頭模仿真實表頭，功能、液晶屏效果。表頭液晶屏功能輪顯方式。多頁多條數(shù)據(jù)可上下翻頁顯示等功能。24h實時數(shù)據(jù)設計根據(jù)參數(shù)不同，分為柱狀圖展示、餅圖顯示和曲線圖展示。

2)用電明細

     建筑用電明細可以提供每棟樓及其各房間的用電明細。用戶可以根據(jù)條件查詢房間所屬部門、電表起始示數(shù)、電表終止示數(shù)、用電度數(shù)、用電類型(性質)、表地址(倍率)及通信時間等明細信息，并根據(jù)需要導出查詢明細，導出格式為PDF、CVS等。部門能耗明細可以提供各組織部門的用電明細。用戶可以根據(jù)條件查詢部門所在房間、電表起始示數(shù)、電表終止示數(shù)、用電度數(shù)、用電類型(性質)、表地址(倍率)及通信時間等明細信息，并根據(jù)需要導出查詢明細，導出格式為PDF、CvS等。

3)用電統(tǒng)計

      用電統(tǒng)計是為了讓用戶更好地了解能耗的使用情況，為節(jié)能提供良好的保障。從使用者角度考慮系統(tǒng)分為建筑用電統(tǒng)計和部門用電統(tǒng)計兩種統(tǒng)計方式。建筑用電統(tǒng)計是以設備物理原始位置為統(tǒng)計方式，部門用電統(tǒng)計是根據(jù)后臺系統(tǒng)的用電屬性，按組織劃分的統(tǒng)計方式，主要包括用電年度臺賬、用電月度臺賬、用電年度匯總、用電月度匯總等。

4)用電分析

      建筑能耗分析和部門用電分析中通過圖文結合的方式提供查詢分析，包括按建筑比較、按建筑逐日、按建筑逐月、按用電性質、按用電分項幾個分項，使數(shù)據(jù)顯示更為直觀。

5)電能定額管理

     電能定額管理是通過配置定額信息對能源進行定額管理的一個過程。包括定額一覽、定額使用明細和能耗結構分析三部分。定額管理中包括上一級部門信息、本部門信息和定額信息，是通過對部門基本信息的管理進行能源的定額分配；定額分配明細是本年度部門能源分配和使用的明細情況；能耗結構分析體現(xiàn)了各能耗類型在總耗能內的分布比例。

6)綜合信息管理

     系統(tǒng)對能耗的綜合管理，包括綜合信息預覽、基礎信息管理兩個部分。綜合信息預覽中顯示實時用電電表分布、本年部門用電排名等信息?；A信息管理中顯示用電分項配置列表、電表倍率查詢列表等信息。

2.3后臺工程管理模塊

     后臺工程管理是系統(tǒng)運行的核心和基礎，軟件通過設備模板建模，組織機構建模實現(xiàn)設備的管理和組織機構的管理，系統(tǒng)通過軟件建模實現(xiàn)公用接口，可向第三方提供接口，進行二次開發(fā)和對接服務。后臺工程管理模塊分為設備模板、設備管理、組織機構、系統(tǒng)維護四個部分。

3.后臺工程管理模塊設計

     后臺工程管理完成從數(shù)據(jù)網(wǎng)關數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)整理、采集設備的管理、設備模板的配置、組織管 理、系統(tǒng)使用者的權限分配、系統(tǒng)維護等。設備管理、組織管理好壞直接影響到前臺數(shù)據(jù)展示的合理性、科學性，及數(shù)據(jù)展示的效果。設備管理、組織管理的核心又是設備管理建模的設計和組織管理模板建模的設計。

3.1設備模板

     設備模板功能屬性及方法設計如圖3所示。

圖3設備模板功能屬性及方法設計圖

      設備模板是設備管理的基礎，也是整個工程管理的焦點。設備模板設計的是否合理、是否全面，關系到整個系統(tǒng)的科學合理性。設備模板的設計核心又是設備模板建模、設備變量的設計。本設備模板變量設計分4個主要模塊：

(1)變量基本信息設計如表1所示。

(2)變量通信參數(shù)設計如表2所示。

(3)變量報警參數(shù)設計如表3所示。

(4)變量濾波參數(shù)設計如表4所示。

 

3.2設備管理

     設備管理功能屬性及方法設計如圖4所示。

     設備管理是基于物理節(jié)點建立的樹形結構樹，用于管理現(xiàn)實中的組織機構。如同設備管理是現(xiàn)實校園的工程或管理人員只需要根據(jù)實際工程建立目錄樹，添加相應設備，選擇相應設備模板即可。

3.3組織機構

     組織機構中的設備在系統(tǒng)中的映射，組織機構是現(xiàn)實中的組織機構(學院、部門、科室等)在系統(tǒng)中的映射。通過組織機構的建立，可以對不同的組織分配不同的權限，管理相應的設備。

3.4系統(tǒng)維護

     系統(tǒng)維護選項用于維護系統(tǒng)。校園的系統(tǒng)管理者查看在線網(wǎng)關、在線設備等，觀察其運行信息，及時發(fā)現(xiàn)問題并及時解決；查看在線用戶，觀察用戶的登錄狀態(tài)信息；查看在線設備和在線網(wǎng)關的實時報文，以判斷這些網(wǎng)關或設備所處的狀態(tài)，可以在平臺上調試數(shù)據(jù)庫信息，查看數(shù)據(jù)庫狀態(tài)。

4.安科瑞建筑能耗分析系統(tǒng)

4.1概述

     Acrel-5000web建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國家有關規(guī)定實施能源計算，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計算報告。

4.2應用場所

     適用于公共建筑、集團公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測與管理的系統(tǒng)設計、施工和運行維護。

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1系統(tǒng)概況

    平臺運行狀態(tài)，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時、逐月曲線，當日，當月能耗同比分析滾動顯示。

4.3.2用能概況

    對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項等用能進行對比，支持當日逐時趨勢、當月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計對比、總能耗同環(huán)比對比。

4.3.3用能統(tǒng)計

    對建筑、區(qū)域、分項、支路等結構按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進行統(tǒng)計，支持報表數(shù)據(jù)導出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進行生成柱狀圖。

4.3.4復費率統(tǒng)計

     復費率報表按日、月、年統(tǒng)計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析。支持數(shù)據(jù)導出到EXCEL。

4.3.5同比分析

    對建筑、分項、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結合的方式進行用能數(shù)據(jù)同比分析。

4.3.6能源流向圖

     能源流向圖展示單棟建筑某一時段內各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標值查看。

4.3.7夜間能耗分析

    夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在某一時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，支持導出報表。

4.3.8設備管理

     設備管理包括，設備類型、設備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設備，確保設備的運行。

4.3.9用戶報告

     用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結果，針對用電提供單獨的復費率用能分析，報告可編輯。

 

5.系統(tǒng)硬件配置

 

 

     文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構的校園電能監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，該方案重點以基于后臺工程化管理，用設備建模、組織建模的方式來管理整個電能監(jiān)測系統(tǒng)，供施工單位、管理人員使用。前臺頁面用于展示和數(shù)據(jù)分析供系統(tǒng)管理者分析使用。本方案在軟件設計的角度和電能監(jiān)測管理的角度上具有一定的先進性和科學性。

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[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.

作者介紹：

任運業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為建筑能耗系統(tǒng)的設計與應用。