摘? 要：際華高分子材料高科產(chǎn)業(yè)園能源管理系統(tǒng)，對園區(qū)13棟工房每棟水、電、蒸汽能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)實時采集監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和節(jié)能管理，對用能狀態(tài)全面監(jiān)測，提供能源數(shù)據(jù)采集、存儲、分析，對用能情況進(jìn)行及時地了解，完成數(shù)據(jù)采集通道的建設(shè)，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)對用能進(jìn)行及時、有效的管理，為公司節(jié)約用能成本提供了參考和依據(jù)，提高用能管理水平。

關(guān)鍵詞：智能能源數(shù)據(jù)采集;通信協(xié)議;GPRS;CDMA

中圖分類號：TP315? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）01-0144-04

Abstract： The energy management system of Jihua polymer materials high tech Industrial Park carries out real-time data collection， monitoring， data statistics and energy-saving management for the energy consumption data of each of the 13 workshops in the park， comprehensively monitors the energy consumption status， provides energy data collection， storage and analysis， timely understands the energy consumption， completes the construction of data collection channel， and timely and effectively manages the energy consumption according to the real-time data， it provides a reference and basis for the company to save energy cost and improve the level of energy management.

Keywords： intelligent energy data collection; communication protocol; GPRS; CDMA

0? 引? 言

際華高分子材料高科產(chǎn)業(yè)園需對水、電、蒸汽這些能源進(jìn)行精確的計量、統(tǒng)計分析和有效管理，為了追求高效、合理地利用能源，提高園區(qū)能源管理的水平，建設(shè)一套能源管理系統(tǒng)對全園區(qū)能耗情況進(jìn)行統(tǒng)一管理，將生產(chǎn)管理、計量管理、節(jié)能管理以及能源的合理調(diào)配與控制提高到一個新的水平。

1? 設(shè)計目標(biāo)

按照際華高分子材料高科產(chǎn)業(yè)園能源管理要求，建設(shè)統(tǒng)一的用能信息采集平臺，以期實現(xiàn)園區(qū)用能計量點遠(yuǎn)程自動抄表，并提供無法自動采集的能源人工手工填報接口，實現(xiàn)園區(qū)用能數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，明確了解各種能源的使用情況;并且通過系統(tǒng)分析，能夠發(fā)現(xiàn)目前用能情況是否合理，是否存在節(jié)約的空間， 通過系統(tǒng)的過負(fù)荷報警等報警，為園區(qū)安全用能提供保障。

2? 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1? 物理架構(gòu)

系統(tǒng)由三層物理結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。具體內(nèi)容包括：

（1）第一層主站。第一層主站是整個系統(tǒng)的管理中心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的能耗信息采集、用能管理以及數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用等，主要由采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、WEB服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)、防火墻等多類硬件設(shè)備組成，此外還需要部署相關(guān)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等應(yīng)用軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)主站部分與其他應(yīng)用系統(tǒng)以及公網(wǎng)信道采用防火墻進(jìn)行安全隔離。

（2）第二層數(shù)據(jù)采集層。第二層數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)對各采集點電能信息的采集和監(jiān)控，設(shè)備為用能信息采集終端。系統(tǒng)主站與采集終端的通信信道，主要包括GPRS、CDMA、Internet/Intranet等，以滿足主站系統(tǒng)與現(xiàn)場終端的數(shù)據(jù)交換。

（3）第三層多功能水、電、蒸汽表。第三層多功能水、電、蒸汽表是能耗信息采集源和監(jiān)控對象。

2.2? 邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)包括用戶交互層、業(yè)務(wù)處理層、數(shù)據(jù)交換處理層、通信層和采集層等四個層次。具體內(nèi)容包括：

（1）用戶交互層。用戶交互層采用三層B/S應(yīng)用軟件構(gòu)架和組件化技術(shù)，包含客戶表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)服務(wù)層，保證系統(tǒng)的靈活性、可擴展性、安全性以及并發(fā)處理能力，適應(yīng)集約化管理和業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，可支持各類主流瀏覽器、手機、平板直接進(jìn)行瀏覽。

（2）數(shù)據(jù)交換處理層。數(shù)據(jù)交換處理層對通信層傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加工和處理，存儲各類能耗數(shù)據(jù)、能效指標(biāo)體系數(shù)據(jù)，建立和管理用能信息一體化數(shù)據(jù)平臺。主要由數(shù)據(jù)存儲與加工、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)接口等構(gòu)成。

（3）通信層。數(shù)據(jù)通信層以各種通信方式接入各種類型終端，按照規(guī)定的通信協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，監(jiān)視通信質(zhì)量，管理通信資源。主要由通信接入設(shè)備、前置通信服務(wù)器、支持軟件、通信協(xié)議解析軟件等構(gòu)成。

（4）采集層。數(shù)據(jù)采集層提供安全、穩(wěn)定的能耗數(shù)據(jù)的采集終端和表計。

3? 園區(qū)用能數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計

根據(jù)園區(qū)規(guī)劃圖的地理位置及分布情況，13棟工房按照1棟樓1電表，1水表和1蒸汽表的規(guī)劃設(shè)計，需安裝多功能電表13塊，安裝在每棟樓進(jìn)線處;遠(yuǎn)傳大口徑（智能）水表13塊，安裝在每棟樓進(jìn)水管上;帶485通信的蒸汽表13塊，安裝于每棟樓進(jìn)汽管處。

智能能源網(wǎng)關(guān)的安裝，同樣按照1棟樓1臺能源網(wǎng)關(guān)的安裝原則，本項目所需智能能源網(wǎng)關(guān)統(tǒng)計為13臺，用作數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳。表與能源網(wǎng)關(guān)之間用RS485連接，終端采用網(wǎng)絡(luò)通信，遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)至主站。系統(tǒng)采用總線方式連接，通信穩(wěn)定、布線方便。如圖2所示。

4? 系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1? 能源總覽

虛擬全貌，全面、實時查看整個公司的總能耗及單體建筑的各分類能耗（水、電、蒸汽）數(shù)據(jù)。實時了解各分類能耗的日環(huán)比、月環(huán)比、周環(huán)比數(shù)據(jù)。通過整個地圖信息調(diào)閱分散的各棟工房的能耗數(shù)據(jù)。

4.2? 智能抄表

支持定時采集和隨時抄錄遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)，支持自動補抄和手工補抄，保證數(shù)據(jù)的完整性及運行設(shè)備數(shù)據(jù)查看的實時性。自動抄表方案可靈活配置。

4.2.1? 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式具體內(nèi)容包括：

（1）通過采集終端，統(tǒng)一的規(guī)約報文格式，進(jìn)行通信，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的采集。

（2）通過OPC接口方式，實現(xiàn)與DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互。

（3）通過WEB填報界面的方式，實現(xiàn)產(chǎn)能產(chǎn)值數(shù)據(jù)的填報。

（4）手工錄入及其他接口導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

4.2.2? 實時監(jiān)控

實時監(jiān)控具體內(nèi)容包括：

（1）通信方式及協(xié)議。主站采用基于Internet的TCP/IP協(xié)議與終端或者計量設(shè)備進(jìn)行通信，支持光纖（以太網(wǎng)/局域網(wǎng)）、無線公網(wǎng)（GPRS/CDMA）等多種通信通道的接入。

（2）通信協(xié)議。支持Lon Works、TCP/IP，MODBUS、OPC、ODBC、BACNET IP、XML等協(xié)議，支持國電規(guī)約體系、支持IEC102規(guī)約體系接入;同時，系統(tǒng)具有較強的規(guī)約兼容性，能兼容同一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的不同廠商的設(shè)備的接入。

（3）采集方式。采集方式包括定抄、隨抄、自動補抄和手動補抄。

定抄：可靈活設(shè)置采集周期間隔，如5分鐘、15分鐘、30分鐘、45分鐘、1小時、2小時、1天、2天、1月、2月，支持最小采集時間周期為5分鐘，不同的數(shù)據(jù)項可以采用不同的采集周期;可靈活設(shè)置定抄任務(wù)參考時刻，最小參考時間精度到分鐘;可靈活設(shè)置定抄任務(wù)數(shù)據(jù)項。

隨抄：支持以WEB方式在任意客戶端下發(fā)隨抄命令，返回隨抄結(jié)果包括隨抄報文，并對隨抄報文進(jìn)行對應(yīng)規(guī)約解析?？蛇x擇一個或多個計量設(shè)備抄讀當(dāng)前時刻不同數(shù)據(jù)類型的實時值。

自動補抄：采集系統(tǒng)自動檢索當(dāng)前時間到配置周期時間段內(nèi)所缺數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行3次以內(nèi)的自動補抄，超過配置時間以外的數(shù)據(jù)可不進(jìn)行補抄，補抄缺數(shù)時間段周期可配置。

手動補抄：提供補抄程序給運維人員，通過手工辦法輸入補抄條件來生成補抄任務(wù)（輸入補抄條件如終端名稱或編號、表計名稱或編號、數(shù)據(jù)類型、需補抄時間段等）。

補抄數(shù)據(jù)可存儲到數(shù)據(jù)庫，人工補抄事件可記錄，包括操作人員、計算機、表計、終端、數(shù)據(jù)類型、時間段等。

采集數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)密度可根據(jù)規(guī)約及實現(xiàn)現(xiàn)場需求靈活配置。

數(shù)據(jù)校驗：對采集到的數(shù)據(jù)按不同數(shù)據(jù)類型進(jìn)行驗證，找出有異常的表計讀數(shù)。如對曲線表碼數(shù)據(jù)，可判斷表碼突變、表碼停走、表碼倒走等，對這些異常數(shù)據(jù)，在存儲時以不同屬性值加以區(qū)分，在Web顯示時，以不同顏色加以區(qū)別顯示，并按預(yù)先設(shè)定的報警閾值進(jìn)行告警。以便數(shù)據(jù)使用者能區(qū)別對待。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計：日平均負(fù)荷、日最大負(fù)荷、日最小負(fù)荷，周（月）平均負(fù)荷、周（月）最大負(fù)荷、周（月）最小負(fù)荷，最大負(fù)荷及發(fā)生時間、最小負(fù)荷及發(fā)生時間。能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)及發(fā)生時間：A相＼B相＼C相＼總有功功率最大（?。┲导鞍l(fā)生時間、A相＼B相＼C相＼總無功功率最大（小）值及發(fā)生時間、A相＼B相＼C相＼零序電壓最大（?。┲导鞍l(fā)生時間、A相＼B相＼C相＼零序電流最大（?。┲导鞍l(fā)生時間、A相＼B相＼C相＼總功率因數(shù)最大（?。┲导鞍l(fā)生時間。

數(shù)據(jù)存儲：采集的實時數(shù)據(jù)、歷史日、月數(shù)據(jù)以及事件數(shù)據(jù)等在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲。運用索引、分區(qū)、壓縮等數(shù)據(jù)庫技術(shù)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行優(yōu)化管理，確保數(shù)據(jù)訪問的高效性。提供數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)以及清除的解決方案。

數(shù)據(jù)采集進(jìn)度：查詢單個表計各數(shù)據(jù)項的采集進(jìn)度，同時也可查詢終端下所有表計各數(shù)據(jù)項的采集進(jìn)度。

4.2.3? 手工及接口導(dǎo)入

提供統(tǒng)一手工錄入數(shù)據(jù)界面，能完成手工輸入數(shù)據(jù)，手工編輯數(shù)據(jù)，接口導(dǎo)入數(shù)據(jù);同時支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出功能，提供各種數(shù)據(jù)按指定時間段查詢報表，查詢的結(jié)果能導(dǎo)出成Excel保存，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，可通過中間數(shù)據(jù)庫、Web Service等對外發(fā)布和交互。

4.3? 檔案管理

4.3.1? 采集器檔案維護

提供對采集器檔案的新增，修改，刪除等操作功能。主要檔案內(nèi)容包括名稱，邏輯地址，所屬客戶，安裝地址，通信協(xié)議，采集模板，所屬廠家，型號，資產(chǎn)號等等。

4.3.2? 采集器遠(yuǎn)程調(diào)試

采集器安裝完成后，可查看是否上線及歷史上下線記錄，歷史上下線記錄包括IP及端口，上下線時間等;可隨抄終端及表計數(shù)據(jù)，測試通道和規(guī)約是否正常。

4.3.3? 表計檔案維護

提供對表計檔案的新增，修改，刪除等操作功能。主要檔案內(nèi)容包括名稱，測量點號，所屬終端，安裝地址，通信協(xié)議，所屬廠家，型號，資產(chǎn)號，CT變比，PT變比等等。

4.4? 數(shù)據(jù)查詢

4.4.1? 表碼數(shù)據(jù)

查詢表計中各類表碼數(shù)據(jù)，如曲線表碼、日凍結(jié)表碼和月凍結(jié)進(jìn)行展示。表格展示時，能對不同費率的行以不同的顏色加以標(biāo)識，對整點時標(biāo)的值加以標(biāo)識，對異常表碼加以標(biāo)識，能區(qū)分時缺點還是數(shù)據(jù)異常。

4.4.2? 電量數(shù)據(jù)

以日、周、月、年為時間周期分析電能消耗情況和各費率分段電量數(shù)據(jù)，如圖3所示。具體內(nèi)容包括：

（1）日電量數(shù)據(jù)分析。使用餅圖方式展示各費率日電量組成，提供小時電量曲線、日負(fù)荷曲線;曲線顯示時需要根據(jù)費率時段將X軸上方區(qū)域標(biāo)以不同的顏色，提供日總電量、日平均負(fù)荷、日最大負(fù)荷、日最小負(fù)荷、負(fù)荷率數(shù)據(jù)。

（2）周（月）電量數(shù)據(jù)分析。使用餅圖方式展示各費率周（月）電量組成，使用柱狀圖方式展示周（月）每日各費率電量數(shù)據(jù)，提供周（月）總電量、周（月）平均負(fù)荷、周（月）最大負(fù)荷、周（月）最小負(fù)荷、周（月）負(fù)荷率數(shù)據(jù)。

（3）年電量數(shù)據(jù)分析。使用餅圖方式展示各費率年電量組成，使用柱狀圖方式展示年每月各費率電量數(shù)據(jù)，提供年總電量、年平均負(fù)荷、年最大負(fù)荷、年最小負(fù)荷、年負(fù)荷率數(shù)據(jù)。

4.4.3? 水、汽數(shù)據(jù)

實時記錄累計水耗量、累計供汽量等;水耗包括實際能耗水耗量和標(biāo)準(zhǔn)量。按生產(chǎn)用水、汽分類計量各棟廠房、事業(yè)部日、月、年耗能量，按生產(chǎn)設(shè)備計量各輪班的日、月生產(chǎn)總耗能量，結(jié)合產(chǎn)量信息，方便有效、合理地進(jìn)行生產(chǎn)成本核算。正確計算各生產(chǎn)工序的單位能耗，實現(xiàn)準(zhǔn)確地查明產(chǎn)品能耗節(jié)（超）產(chǎn)生的具體原因。

4.4.4? 最大需量數(shù)據(jù)

可分析用能單位月、年最大需量指標(biāo)變化情況。WEB展示頁面可繪制平均負(fù)荷、最大負(fù)荷、最大需量、最小負(fù)荷、容量曲線，來比較分析最大需量和最大負(fù)荷發(fā)生時間;能按日顯示子監(jiān)測點最大需量及發(fā)生時間、最大負(fù)荷及發(fā)生時間、最小負(fù)荷及發(fā)生時間、平均負(fù)荷信息。

4.5? 能耗管理

4.5.1? 負(fù)荷監(jiān)測

負(fù)荷監(jiān)測可分析監(jiān)測點日負(fù)荷同比、環(huán)比情況，從中找出用能趨勢信息，從而發(fā)掘用能規(guī)律。提供對比分析任意三日之內(nèi)的同一監(jiān)測對象的負(fù)荷曲線信息，列出在此三天的負(fù)荷極大值、極小值、平均值及越限時間數(shù)據(jù);能設(shè)定優(yōu)化開始時間信息，用于比對優(yōu)化前后負(fù)荷曲線信息。

4.5.2? 能耗結(jié)構(gòu)分析

能耗結(jié)構(gòu)分析從生產(chǎn)、辦公和其他用能比例，反映各個監(jiān)測對象用能結(jié)構(gòu)，客觀反映監(jiān)測對象用能結(jié)構(gòu)的合理性。提供餅圖展示方式，顯示監(jiān)測點在生產(chǎn)、辦公及其他各個方面日、月、年用能比重情況;按生產(chǎn)、辦公及其他幾個方面展示了監(jiān)測點日、月、年能耗和所占比例;通過監(jiān)測點可逐級分析此監(jiān)測點在生產(chǎn)、辦公及其他各項用能比例;可以根據(jù)用戶選擇的時間，如日、月進(jìn)行歷史用能結(jié)構(gòu)的分析。

4.5.3? 能耗分布

能耗分布能反映當(dāng)前區(qū)域監(jiān)測點日、周、月、年用能的分配情況，反映當(dāng)前用能區(qū)域內(nèi)能耗的流向情況及各監(jiān)測點的最新數(shù)據(jù)，可全面了解用能在自己區(qū)域中的傳遞運動及損耗情況。使用餅圖方式展示各費率能耗分布情況; 展示各子監(jiān)測點能耗分布情況：平均負(fù)荷、最大負(fù)荷、總量、各費率用量;如果是當(dāng)前日用能分布分析，需要列出各子監(jiān)測點當(dāng)前時刻負(fù)荷情況;如果是日用能分布分析，需提供對設(shè)置的三個采樣時刻的負(fù)荷分布情況;列出子監(jiān)測點總量和各費率能耗量占比情況;包括日、周、月、年能耗分布。

4.5.4? 用能報警分析

用能報警分析包括設(shè)備告警、能耗超標(biāo)預(yù)警、效率低值報警和用戶操作記錄。主站系統(tǒng)實時監(jiān)測每個程序的運行情況，對應(yīng)用程序異常，線程異常，CPU使用過高，內(nèi)存使用過大，網(wǎng)絡(luò)異常等運行故障實際記錄并存儲告警事件。

4.6? 數(shù)據(jù)報表

報表格式完全兼容Excel，并可輸出為WEB頁、XML表格、文本文件、DBF文件。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計的能源管理系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合園區(qū)實際情況，實現(xiàn)了園區(qū)用能管理信息化精益化，可有效提高用能水平，節(jié)能節(jié)費。

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作者簡介：夏向東（1967.11—），男，漢族，湖南岳陽人，工程師，研究方向：計算機應(yīng)用。