劉細鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

摘要：為加強能耗管理，改變?nèi)斯こ淼默F(xiàn)狀，柴里煤礦利用信息化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫實時技術(shù)，建立了能耗在線監(jiān)測平臺，對能源介質(zhì)的生產(chǎn)、輸送和消耗及供能、用能設(shè)備狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，通過實施運行，實現(xiàn)了能源的科學(xué)調(diào)度，能損隱患及時排查，規(guī)避了用能浪費，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：能耗在線；物聯(lián)網(wǎng)；節(jié)能降耗；智慧礦山

1引言
  目前柴里煤礦能耗管理仍然依靠較為傳統(tǒng)的人工操作方式，這種方式不僅速度慢，而且極易產(chǎn)生誤差，同時無法對數(shù)據(jù)進行動態(tài)分析、動態(tài)預(yù)警、對標管理，只能事后控制，已經(jīng)無法滿足該礦自身對能耗管理的需要。
柴里煤礦年綜合能源消費量16000t標準煤，屬于國家重點用能單位，耗電4725萬kW•h，耗蒸汽293478萬t，耗水21.89萬t，年折合價值分別達到2646萬元、1681萬元、32.84萬元。按照國家能源戰(zhàn)略和《節(jié)約能源法》及國家發(fā)展改革委發(fā)布的《重點用能單位節(jié)能管理辦法》的要求，作為重點用能單位，必須加強節(jié)能管理，提高能源利用效率，控制能源消費總量，促進生態(tài)文明建設(shè)。為達到上述目標，必須積極推進能源在線系統(tǒng)平臺建設(shè)。

2構(gòu)建能耗在線監(jiān)測平臺的總體思路及技術(shù)
2.1總體思路
  該平臺利用目前比較先進的lora技術(shù)進行組網(wǎng)。lora是一種基于擴頻技術(shù)的遠距離低功耗廣域網(wǎng)無線傳輸方式，屬于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)之一，它的特點就是低功耗、遠距離，可以有效地抗擊干擾并實現(xiàn)加密。軟件開發(fā)采用Java語言進行設(shè)計，后臺數(shù)據(jù)庫采用Mysql存儲，整個系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)。該平臺利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合自動采集、信息化管理、數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代化手段，構(gòu)建適應(yīng)柴里煤礦實際需要的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，并組織實施，從而逐步提升柴里煤礦能耗管理水平。

2.2流程實現(xiàn)及主要架構(gòu)
  整個系統(tǒng)平臺劃分為三個層級：第一層級為能效數(shù)據(jù)采集層，第二層級為網(wǎng)絡(luò)通信層，第三層級為管理層。能效數(shù)據(jù)采集層是對各種用能設(shè)備進行能耗數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，包括對耗水、耗電、耗汽等信息參數(shù)進行采集。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是通過網(wǎng)絡(luò)通信方式，將現(xiàn)場采集到的各類參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。管理層由路由器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、WEB服務(wù)器等設(shè)備組成。系統(tǒng)通過對柴里煤礦的整體用能信息處理、分析和展現(xiàn)，可以動態(tài)了解當前的能耗和生產(chǎn)情況，并客觀地做出更好的能源管理決策、管理和調(diào)度，建立一種高效落實的生產(chǎn)能源管理體系。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計思想及技術(shù)
  根據(jù)能源管理系統(tǒng)實時性、分布式計算，以及與其他子系統(tǒng)互聯(lián)的要求，采用了開放分布式的設(shè)計思想，采用國際標準IEC61970CIM/CIS，面向柴里煤礦電、水、蒸汽等能源介質(zhì)，對計量數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、處理、管理，并預(yù)留擴展功能，實現(xiàn)了基于Internet的遠程維護和網(wǎng)上瀏覽功能，為礦井能源管理實現(xiàn)信息化提供一套先進的、開放的、可擴展的、可靠的管理平臺，并在此平臺上支持對礦井各種能源數(shù)據(jù)的高級分析應(yīng)用。

3構(gòu)建能耗在線監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
3.1硬件設(shè)施
  按照用能單位能源計量器具配備和管理要求，該平臺的電氣計量設(shè)施設(shè)備全部采用國網(wǎng)規(guī)范的國網(wǎng)表，精度為0.5s級。該類型計量設(shè)備具有計量準確性高、數(shù)據(jù)格式符合國網(wǎng)規(guī)范等優(yōu)點。用水設(shè)施采用外夾式超聲波水表，該類型水表具有不需要切割原來的管道、不會對生產(chǎn)生活造成停水、安裝方便快捷、計量準確等特點。蒸汽數(shù)據(jù)采用隔離器將三路輸入信號一分為二，新增二次表計的方式，該方式不會對原來表的使用造成影響。

3.2通訊與組網(wǎng)技術(shù)
  該通信系統(tǒng)基于Lora技術(shù)進行組網(wǎng)，實現(xiàn)各類參數(shù)與命令的下達、數(shù)據(jù)的采集及上傳，主要由通信基站、計算機終端、集成通信模塊的用戶設(shè)備、具備通信功能的用戶設(shè)備等組成，如圖1。
  系統(tǒng)采用了分時間片的組網(wǎng)方式，解決了無線串口收發(fā)模塊可以一發(fā)多收，不能同時多發(fā)一收的障礙。
  如圖2，這種組網(wǎng)方式是先由主機發(fā)起廣播時間，從機收到后，首先校對并同步本地時間，然后根據(jù)配置的編號進行陸續(xù)上傳，從而實現(xiàn)多發(fā)一收的功能。這種組網(wǎng)方式收發(fā)數(shù)據(jù)節(jié)約大量時間，并且能夠防止同時收發(fā)造成的系統(tǒng)沖突。

圖1基于Lora的組網(wǎng)通信系統(tǒng)組成示意圖

圖2分時間片組網(wǎng)圖

4構(gòu)建能耗在線監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)監(jiān)測終端
4.1監(jiān)測系統(tǒng)
  所有電、水、蒸汽等計量設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸采用全新的基于Lora技術(shù)的無線模塊來完成。該技術(shù)是一種低功耗局域網(wǎng)無限標準，改變了計量設(shè)備的有線數(shù)據(jù)傳輸方式，每一處采集點采集到的數(shù)據(jù)匯總到lora無線模塊，而后，此模塊以lora協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端的無線接收模塊，接收模塊再將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)集中器。該設(shè)備替代了本該在每個采集點放置的數(shù)據(jù)集中器，并且省去很多的485通訊線等輔材及潛在的施工工時，在保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定的情況下，數(shù)據(jù)質(zhì)量*達到了項目要求。該方案的實施，一是很大程度地降低了成本，由于本項目表計眾多，位置復(fù)雜，舊表走線復(fù)雜，安裝分散，無線模塊在不改變舊表通訊線走線的情況下直接將數(shù)據(jù)送至服務(wù)器，可以節(jié)約大量成本；二是縮短了施工時間，確保了該項目如期完成并通過上級主管部門驗收；三是很大程度地避免了重復(fù)施工問題和很多潛在的施工隱患。

4.2通信設(shè)計
  本系統(tǒng)組網(wǎng)通信主要是有線485方式和無線Lora方式，通信方式為RTU，通訊協(xié)議為MODBUS，確保可以實現(xiàn)點對點通信和點（基站）對多（模塊）通信。

5構(gòu)建能耗在線監(jiān)測平臺信息管理系統(tǒng)
5.1軟件功能設(shè)計
  能源在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺總體架構(gòu)遵循SOA設(shè)計理念，采用多層分布式體系架構(gòu)，在具體實現(xiàn)技術(shù)的選擇上，針對本項目的功能需求，系統(tǒng)采用C++和JAVA混合的技術(shù)路線。其中系統(tǒng)的采集計算平臺主要面向采集設(shè)備，對于系統(tǒng)的性能、實時性、穩(wěn)定性和可靠性要求較高，采用C++技術(shù)實現(xiàn)；系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)應(yīng)用主要面向操作人員實現(xiàn)管理分析功能，對于系統(tǒng)的易用性、易維護性和功能的可擴展性要求較高，采用JavaEE技術(shù)實現(xiàn)。

5.2軟件系統(tǒng)功能特點
5.2.1能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)功能
  通過采集安裝在現(xiàn)場的各種智能表計、DCS/ERP等系統(tǒng)提供的能耗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)等，上送至系統(tǒng)主站中，包含電、水、汽、熱等能源數(shù)據(jù)的采集和手工補錄、集中器電表等設(shè)備的運行狀態(tài)、越限告警、異常告警等。

5.2.2實時監(jiān)測功能
  可根據(jù)實際配電系統(tǒng)組態(tài)模擬高壓系統(tǒng)圖、低壓線路圖，對高壓、低壓回路進行實時監(jiān)控，監(jiān)測電度、電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素等參數(shù)。

5.2.3能源數(shù)據(jù)的分析功能
  通過對不同對象的數(shù)據(jù)及趨勢曲線分析，有助于管理者了解各個能源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并迅速做出決策。

5.2.4能耗報警管理功能
  通過能耗分析系統(tǒng)智能感知，將能耗異常（用能定額超標、待機能耗、夜間常流水等）通知相關(guān)責任人。

5.2.5報表打印功能
  該系統(tǒng)不單能夠?qū)崿F(xiàn)標準模板的打印，同時可以實現(xiàn)自定義數(shù)據(jù)功能。客戶可以對各類報表進行自定義管理、顯示，并能夠?qū)崿F(xiàn)全圖形、全漢化的顯示和打印功能，人機界面較好。系統(tǒng)采用交互式、多窗口技術(shù)，可以方便快捷進行窗口調(diào)用。

5.2.6后臺管理功能
  包含檔案維護、權(quán)限管理、設(shè)備管理等功能。

6實施效果
  能耗在線監(jiān)測平臺在柴里煤礦實現(xiàn)自動化操作以來，不僅減少人工投入，還大大提高數(shù)據(jù)的時效性和準確性，據(jù)測算，每年可節(jié)省電、汽、水抄錄、匯總等人工費用90余萬元。2020年綜合能耗6.02kgce/t，較去年同期（8.50kgce/t）下降2.48kgce/t，能源消費量5404tce，較去年同期（6380tce）下降976tce，初步測算節(jié)能效率達15%，節(jié)約能源消耗成本70余萬元。日常對水、電、蒸汽費用的消耗情況進行實時預(yù)警，有效地降低了各項成本費用的支出，合計降低557.75萬元。

7安科瑞重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)
  根據(jù)《重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設(shè)工作方案》的要求，重點用能單位接入端系統(tǒng)部署在重點用能單位內(nèi)部，由重點用能單位負責建設(shè)。
  主要功能:通過計量儀表、工控系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至省級平臺，或直接上傳至國家平臺；重點用能單位接入端系統(tǒng)要通過網(wǎng)閘、防火墻、隔離等措施，確保內(nèi)部系統(tǒng)和數(shù)據(jù)；要具備遠程升級維保、一端多傳、接收國家和省級平臺推送信息和用能單位自身能源管理所需的功能。
  安科瑞可為企業(yè)接入端系統(tǒng)提供完整解決方案：

7.1端設(shè)備
  企業(yè)接入端系統(tǒng)需要從生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中采集能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，考慮到企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)(互聯(lián)網(wǎng)) 之間并不互通的實際情況，企業(yè)接入端系統(tǒng)將通過具備2+1架構(gòu)的物理隔離裝置--能耗在線監(jiān)測端設(shè)備，實現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)之間的物理連接，在數(shù)據(jù)傳遞過程中確保從生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)（內(nèi)網(wǎng)）獲取的能耗數(shù)據(jù)以單向傳遞、隔離加密、文件擺渡的形式傳遞到辦公網(wǎng)絡(luò)(外網(wǎng))，再通過外網(wǎng)主機側(cè)的CA數(shù)字認證證書進行身份認證識別后上傳至省(市）級平臺。結(jié)構(gòu)如圖所示：

7.1.1端設(shè)備硬件參數(shù)

(1)單主板采用低功耗處理器；
(2)單主板內(nèi)存大小4G；
(3)硬盤：64G 固態(tài)硬盤；
(4)獨立雙主機“2+1”架構(gòu)非IP物理隔離；
(5)帶VGA接口，可外接顯示器，便于現(xiàn)場維護操作；
(6)雙冗余開關(guān)電源，互為備用、支持熱插拔，保障端設(shè)備的可靠性，具有電源故障聲光報警功能；
(7)8路RS485串口；
(8)4路千兆以太網(wǎng)；
(9)4個USB接口，可用于CA證書接口；

7.1.2端設(shè)備軟件功能
(1)支持從現(xiàn)場的儀表通過Modbus（GB/T19582）、DL/T645、CJ/T188等協(xié)議采集需要的能耗實時數(shù)據(jù)，并進行匯總生成上報的能耗數(shù)據(jù)；
(2)支持從能源網(wǎng)關(guān)、DTU、SCADA通過Modbus TCP（GB/T19582）、能耗協(xié)議等上傳的能耗實時數(shù)據(jù)，并進行匯總生成上報的能耗數(shù)據(jù)；
(3)支持從自動化信息系統(tǒng)通過OPC協(xié)議采集需要的能耗實時數(shù)據(jù)，并進行匯總生成上報的能耗數(shù)據(jù)；
(4)支持手工填報數(shù)據(jù)：對于不具備在線采集條件的數(shù)據(jù)，提供手工填報數(shù)據(jù)上傳；
(5)具有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、本地存儲功能，本地歷史數(shù)據(jù)可存儲6個月以上；
(6)可根據(jù)項目情況錄入企業(yè)基本信息、企業(yè)生產(chǎn)層級結(jié)構(gòu)、計量器具檔案信息、端設(shè)備信息、數(shù)據(jù)采集項信息等各類基本信息；
(7)按照《NHJC-04-2018 重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范-端設(shè)備接口協(xié)議規(guī)范》的要求往國家或省級平臺上傳數(shù)據(jù)；
(8)支持斷線緩存，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性；
(9)端設(shè)備平臺方便用戶使用、配置；
(10)支持人工補錄、遠程升級；
(11)用能數(shù)據(jù)集抄；
(12)數(shù)據(jù)上傳日志。

7.2 ANet系列能源網(wǎng)關(guān)
 

  ANet系列能源網(wǎng)關(guān)，可將企業(yè)內(nèi)分散的能源計量器具集中采集后上傳至端設(shè)備，滿足國家辦公、大型公共建筑、工業(yè)企業(yè)等能源管理系統(tǒng)中對于水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的能耗計量及分項數(shù)據(jù)采集需求，搭配簡單易用的數(shù)據(jù)配置軟件工具，可以快速配置所需采集數(shù)據(jù)及上傳數(shù)據(jù)等各項參數(shù)信息。

7.2.1能源網(wǎng)關(guān)硬件參數(shù)

7.2.2軟件功能
(1)支持多種儀表協(xié)議：支持 DL/T645 、GB/T 19582-200（Modbus）、 CJ/T 188-2004 等；
(2)Modbus TCP 實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；
(3)分項計量 Xml 數(shù)據(jù)報文定時上傳；
(4)數(shù)據(jù)AES加密；
(5)斷點續(xù)傳；
(6)數(shù)據(jù)存儲；
(7)遠程配置及維護；

7.2.3相關(guān)報告及證書
(1)GB/T 17626.2-2018《電磁兼容試驗和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗》4級。
(2)GB/T 17626.6-2017《電磁兼容試驗和測量技術(shù)射頻電磁場輻射抗擾度實驗》3級。
(3)GB/T 17626.4-2018《電磁兼容試驗和測量技術(shù)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》4級。
(4)GB/T 17626.5-2019《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》4級。
(5)GB 9254-2016《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》合格。

7.3設(shè)備選型

8結(jié)語
  該平臺的構(gòu)建是利用信息技術(shù)推動節(jié)能降耗,是提升企業(yè)精細化管理水平的重要舉措，為企業(yè)準確把握和分析節(jié)能降耗發(fā)展趨勢,科學(xué)利用能源提供技術(shù)支撐，也為節(jié)能管理部門掌握、分析信息、研究節(jié)能改造和制定相關(guān)政策措施提供科學(xué)的依據(jù)。

【參考文獻】
[1]陳漢章，高宏濤，吳浩.大型煤炭企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2019，38(11):159-163.
[2]馬勇,劉曉燕,姜灃恩.基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗在線監(jiān)測平臺的構(gòu)建與實施[J].山東煤炭科技,2021,39(02):173-175.
[3]安科瑞重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng).2020.10版

作者簡介：劉細鳳，女，本科，現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司