一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務平臺

安科瑞 梅岑彬 18761500144

一、引言

近幾年來，物聯(lián)網(wǎng)概念加速與產(chǎn)業(yè)應用融入，成為智慧城市和信息化整體方案的關鍵性技術思維。當前，物聯(lián)網(wǎng)已由概念炒作、碎片化應用、閉環(huán)式發(fā)展進入跨界融入、集成創(chuàng)新和規(guī)模化發(fā)展的新階段，與中國新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設深深交匯，在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉型升級、新型城鎮(zhèn)化和智慧城市建設、人民生活質量不斷改良方面發(fā)揮了重要作用，取得了明顯的成果。

國家十三五規(guī)劃中提出“加速建設數(shù)字中國”之后，十四五規(guī)劃中又提出“互聯(lián)網(wǎng)-物聯(lián)網(wǎng)線上線下融入對生活方式的變革”。到2020年，物聯(lián)網(wǎng)預計將產(chǎn)生3440億美元的額外收入，同時還會降低1770億美元的經(jīng)營成本。物聯(lián)網(wǎng)和智能設備已經(jīng)在提高全球主要工廠的性能指標，并將生產(chǎn)率水平提高40-60%。中商產(chǎn)業(yè)研究院預測到十四五期間，我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)仍然保持高速增長，年均復合增長率約達23%-26%。

能源互聯(lián)網(wǎng)在能源側涵蓋了供能側管理（如水電、火電、核電、風電和太陽能）、儲能側管理（如相變儲熱、冰蓄冷、水儲冷、各類新能源電池等），以及用能測管理（如工業(yè)用電、商業(yè)用電、新能源電動汽車等），實現(xiàn)上述三類主體與能源調度中心的信息傳遞，實現(xiàn)能效管理、互聯(lián)網(wǎng)支付、數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深深融入。為國家電網(wǎng)建設“三型兩網(wǎng)”提供解決方案，使用戶在任何時間、地點、人、物之間實現(xiàn)信息連接和交互，產(chǎn)生共享數(shù)據(jù)，從而為電網(wǎng)、發(fā)電、供應商、用戶服務。

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺是一套基于安科瑞物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺，建立了上下行數(shù)據(jù)標準，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器和互感器等設備，自行安裝后無論是物聯(lián)網(wǎng)儀表直傳還是通過網(wǎng)關上傳，都可以使用手機掃碼即可得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務。

二、關鍵技術

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）技術作為嵌入式技術、網(wǎng)絡技術與軟件技術的交叉領域，被定義為利用紅外感應器、射頻識別、GPS等通信技術，按照一定協(xié)現(xiàn)智能交互的網(wǎng)絡［3］。  

一般認為物聯(lián)網(wǎng)結構可分為感知層、網(wǎng)絡層與應用層3個層次：感知層主要包括計量傳感設備；網(wǎng)絡層包括網(wǎng)絡的協(xié)議棧及其軟硬件實現(xiàn)；應用層包括集中式或分布式的云計算平臺以及用戶應用軟件等，是“物”與用戶直接進行交互的部分［3］。  

物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議分為接入?yún)f(xié)議和傳輸協(xié)議。接入?yún)f(xié)議主要指底層感知層設備間進行通信的協(xié)議，如Lora。傳輸協(xié)議基于互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，面向應用層進行數(shù)據(jù)交換，常見的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議為MQTT協(xié)議。MQTT采用“推送”機制，減輕服務器短時并發(fā)接收數(shù)據(jù)請求的負擔，提供3種服務質量，能在資源受限的網(wǎng)絡中，實現(xiàn)設備同遠方系統(tǒng)進行異步通信，是本文采用的協(xié)議［3］。  

2.2 MQTT協(xié)議

MQTT(Message Queuing  Telemetry Transport,  消息隊列遙測傳輸協(xié)議)，是一種基于發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的"輕量級"通訊協(xié)議，該協(xié)議構建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。MQTT優(yōu)點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為遠程連接設備提過實時可靠的消息服務，作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用

MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議是輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如:機器與機器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)(loT)。其在，通過衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫(yī)療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。

MQTT  協(xié)議提供一對多的消息發(fā)布，可以降低應用程序的耦合性，用戶只需要編寫極少量的應用代碼就能完成一對多的消息發(fā)布與訂閱，該協(xié)議是基于<客戶端-服務器>模型，在協(xié)議中主要有三種身份：發(fā)布者（Publisher）、服務器（Broker）以及訂閱者（Subscriber）。其中，MQTT消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，服務器只是作為一個中轉的存在，將發(fā)布者發(fā)布的消息進行轉發(fā)給所有訂閱該主題的訂閱者；發(fā)布者可以發(fā)布在其權限之內(nèi)的所有主題，并且消息發(fā)布者可以同時是訂閱者，實現(xiàn)了生產(chǎn)者與消費者的脫耦，發(fā)布的消息可以同時被多個訂閱者訂閱。

MQTT通信模型示意圖如下：

三、基于物聯(lián)網(wǎng)技術的能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務平臺框架

能源物聯(lián)網(wǎng)以能源供應、能源管理、設備管理、能耗分析的能源流向為主線，將能源生產(chǎn)加工、分配傳輸、消耗、節(jié)能各個環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，結合人與物的互聯(lián)，構成以安科瑞產(chǎn)品為媒介的能源物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，其中物聯(lián)網(wǎng)硬件和能源參與者分別以數(shù)據(jù)流形式和業(yè)務流的形式與平臺交互。

3.1 組網(wǎng)結構

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺采用分層分布式結構，主要由感知層（終端采集設備）、網(wǎng)絡層（通訊管理終端）和平臺層（能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺）三個部分組成。

● 感知層：連接于網(wǎng)絡中的各類傳感器，包括多功能儀表、預付費電表、多回路儀表、物聯(lián)網(wǎng)電表、物聯(lián)網(wǎng)水表、電瓶車充電樁、汽車充電樁、路燈控制器等。

● 網(wǎng)絡層：智能網(wǎng)關，采集感知層的數(shù)據(jù)，進行規(guī)約轉換及存儲之后將數(shù)據(jù)上傳至能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

● 平臺層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，可在PC端或移動端實現(xiàn)應用。

3.2 平臺架構

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺的系統(tǒng)網(wǎng)絡結構采用分層分布式的結構，系統(tǒng)包括：感知層、數(shù)據(jù)層、應用層、表現(xiàn)層和運營層。系統(tǒng)架構圖如圖所示。

傳感器層包括了我司的各類產(chǎn)品，是整個系統(tǒng)的底層，也是構建該能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺必要的基本組成元素，主要有多功能儀表、預付費電表、多回路儀表、物聯(lián)網(wǎng)電表、物聯(lián)網(wǎng)水表、電瓶車充電樁、汽車充電樁、路燈控制器等設備。

中間的數(shù)據(jù)處理平臺主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)交互的工作，為了保證整個綜合平臺的數(shù)據(jù)處理能力，我們將實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)分別存儲在不同的庫中，并提供多種接口實現(xiàn)與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

上層的應用層是指Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺，主要實現(xiàn)各種功能應用，平臺按照能源的流向分為能源供應、能源管理、設備管理和能耗分析4大板塊，其中能源供應包括電力集抄、智能運維子模塊，能源管理包括安全用電、電能質量子模塊，設備管理包括智能照明、預付費、充電樁子模塊，能耗分析包括能源管理、增值服務子模塊。平臺通過web和app的方式為用戶提供人機交互的界面，運營層的各類用戶可以通過這兩種方式實現(xiàn)平臺的訪問與操作。

四、平臺功能

4.1 能源供應

4.1.1 電力集抄功能模塊

隨著信息網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，各類規(guī)模大小不等，設備種類、數(shù)量不同的含網(wǎng)絡設備機房廣泛分布于用戶各分支機構所在地域，由于欠缺與運行網(wǎng)絡的規(guī)模體系相對稱的監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)量眾多的無人值守機房的物理運行環(huán)境狀況、設備運行狀況、人員活動狀況以及消防狀況的變化包括可能出現(xiàn)的危急狀況，均無法得到及時的發(fā)現(xiàn)和處理，也就很難被合理預見、防范和避免。因此在配電室內(nèi)安裝環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)配電室內(nèi)環(huán)境的在線監(jiān)測，保障配電室設備的穩(wěn)定運行很有必要。

電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設備運行（包括歷史和實時參數(shù)），并根據(jù)實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

3.1.2 智能運維功能模塊

據(jù)統(tǒng)計全國高供高計的工商業(yè)用戶數(shù)量達到200多萬戶，規(guī)模巨大，但是大部分日常的運行維護工作比較傳統(tǒng)，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障搶修時間長、風險預防薄弱等問題。國網(wǎng)公司和眾多電力運維公司正在搶占這塊巨大的市場，這是一個千億級別的市場。

智能運維模塊采用多功能電力儀表、無線通信、邊緣計算網(wǎng)關及大數(shù)據(jù)分析技術，通過智能網(wǎng)關采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并存儲在本地，再定時向云平臺推送數(shù)據(jù)。平臺可同時接入數(shù)以千計的用戶變電站數(shù)據(jù)。平臺采集的數(shù)據(jù)包括變電所電氣參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，包括電流電壓功率、開關狀態(tài)、變壓器溫度、環(huán)境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門禁等信息，有異常發(fā)生10S內(nèi)通過****和APP發(fā)出告警信號。平臺通過手機APP下發(fā)運維任務到指定人員手機上，并通過GPS跟蹤運維執(zhí)行過程進行閉環(huán)，提高運維效率，即時發(fā)現(xiàn)運行缺陷并做消缺處理。

4.2 能源管理

4.2.1 安全用電功能模塊

據(jù)應急管理部網(wǎng)站數(shù)據(jù)，2016~2018年期間因為電氣原因導致的火災占總數(shù)的30%~34%左右，其中2018年全國共接報火災23.7萬起，因違反電氣安裝使用規(guī)定引發(fā)的火災占總數(shù)的34.6%，較大和重大火災事故中，電氣火災的比例更高。國務院、公安部消防局以及各省市自治區(qū)直轄市紛紛出臺文件推廣使用智慧用電，從源頭上預防電氣火災的發(fā)生，現(xiàn)安全用電管理平臺已在九小場所、三合一場所、養(yǎng)老福利院、醫(yī)療場所、學校、金融網(wǎng)點等人員密集場所廣泛開展。

安全用電管理模塊對電氣引發(fā)火災的主要因素（線纜溫度、漏電電流、負荷電流、電壓）進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，通過2G/NB-IOT/4G方式采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實時發(fā)現(xiàn)電氣線路和用電設備存在的安全隱患（如：線纜溫度異常、過載、過壓、欠壓及漏電等）并通過****、APP推送、自動語音呼叫等方式及時預警，合理防止電氣火災的發(fā)生。系統(tǒng)可以顯示所有監(jiān)測點位的漏電電流等電氣參數(shù)和線纜溫度，并支持巡檢記錄和派單操作，提供安全隱患分析報告，實時評估企業(yè)用電安全狀態(tài)。

4.2.2 電能質量功能模塊

電能質量問題越來越受到關注，已成為電力系統(tǒng)的研究熱點之一。一方面，隨著科學技術的發(fā)展，各種精密復雜用電設備的廣泛應用，這些設備很大部分對電能質量非常敏銳；另一方面，電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和用電需求的快速增加，導致電能質量變的非常不穩(wěn)定。對電能質量分析的主要目的是確定電能信號擾動的類型和范圍，并對相應的擾動源進行合理的調節(jié)和補償。因此，改良和提高電能質量的關鍵在于及時、準確地獲取各種擾動信號源的信息。

電能質量監(jiān)測，包括三項不平衡度、諧波、功率因數(shù)，以矢量圖的形式展示三相不平衡度。三項不平衡或功率因數(shù)過低時產(chǎn)生報警，觸發(fā)APP、手機****、郵件、釘釘、語音等多種方式提醒。

4.3 設備管理

4.3.1 智能照明功能模塊

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對工作和生活環(huán)境的要求越來越高，同時對照明系統(tǒng)的要求也越來越高。照明領域的能源消耗在總的能源消耗中占了相當大的比例，節(jié)約能源和提高照明質量是當務之急。照明用電作為電力消耗的重要部分，已經(jīng)占到了電力消耗的10%左右，并隨著我國國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，照明用電還將不斷增加。

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術對安裝在城市各區(qū)域照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測。平臺通過監(jiān)測照明線路的電流和電壓值來判斷燈具的工作情況，任何不正常的工作狀態(tài)，平臺都能進行監(jiān)測，預警和報警，預警和報警信息通過手機APP推送，****，語音外呼、郵件、微信小程序、微信公眾號、釘釘?shù)?，快速到達責任人的身邊，提醒運行人員接觸器跳閘，電源失壓等等。

4.3.2 預付費水電功能模塊

預付費水電功能可以針對各商業(yè)綜合體、小區(qū)、寫字樓、辦公樓、酒店式公寓等物業(yè)，學校、工廠宿舍的后勤管理部門以及連鎖超市、大型物業(yè)分布式財務操作，在線支付，總部財務扎口等。目前預付費水電已經(jīng)成功在上述各場景得到廣泛的應用并已經(jīng)穩(wěn)定運行多年，適用于物業(yè)公司對小區(qū)、辦公和商鋪租戶的水電預付費管理，或者學校對學生宿舍的用電預付費和用電安全管控系統(tǒng)。

4.3.3 汽車/電瓶車收費運營功能模塊

電動汽車現(xiàn)已成為廣泛使用的綠色能源交通工具，同時電動自行車數(shù)量越來越多，解決了老百姓短距離出行問題，但是和電動自行車相關的安全和火災事故新聞也屢見不鮮，有逐年增長的趨勢，給社會帶來了很大的損失，成為人民生命和財產(chǎn)安全的一個隱患。基于電動自行車火災的危害和特點，各級政府部門發(fā)文對電動自行車火災的整治對象都放在規(guī)范停放和充電行為上。汽車/電瓶車收費運營功能模塊通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術和秘鑰分發(fā)技術，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進行直連。

該功能模塊為汽車/電瓶車充電樁客戶提供充電安全管理、資產(chǎn)管理和交易管理的一攬子解決方案，解決充電難、管理難和收費難的問題，可應用于商業(yè)樓宇、小區(qū)、學校、醫(yī)院等場所設置的電動自行車充電場所的運營管理。

4.4 能源分析

4.4.1 能源管理功能模塊

為了穩(wěn)步推進雙碳目標，在能源消費強度和消費總量的“雙控”背景下，企業(yè)需要考慮如何應對能耗雙控以保障正常生產(chǎn)。現(xiàn)有大部分企業(yè)依然采用電、水、氣、冷、熱等各種能源供應系統(tǒng)“單獨規(guī)劃、單獨設計、獨立運行”的模式。普遍存在計量檢測到配備不足；計量設備計量精度不高、計量數(shù)據(jù)不準確；人工抄表可靠性低；難以合理監(jiān)測和評估主要耗能設備的用能效率；缺少決策數(shù)據(jù)支持，對于節(jié)能評估無法提供可靠參考數(shù)據(jù)；缺乏合理的企業(yè)能效評估指標體系，能耗管理措施難以落地等情況。

能源管理模塊采用自動化、信息化技術，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程結合起來，運用先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術，進行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調度，優(yōu)化能源介質平衡、合理利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

4.4.2 增值服務功能模塊

（1）工業(yè)組態(tài)

傳統(tǒng)的工業(yè)自動化組態(tài)應用開發(fā)方式要求開發(fā)人員具備代碼編寫的能力、理解相關的開發(fā)框架的概念和使用方式，這種開發(fā)方式開發(fā)周期長、對開發(fā)人員要求非常高。同時，傳統(tǒng)的工業(yè)自動化組態(tài)應用部署在工業(yè)現(xiàn)場，部署便捷性和可訪問性都很低。

伴隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，應用需求往往更新迭代非?？?，而設備廠商往往沒有相關的工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)背景，使得工業(yè)組態(tài)軟件的開發(fā)和更新速度非常緩慢，往往無法滿足快速業(yè)務增長的需要。同時，對于工業(yè)組態(tài)軟件的訪問不再止于工業(yè)現(xiàn)場，來自于工業(yè)現(xiàn)場外部的訪問需求也在日益增長。

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺中的工業(yè)組態(tài)模塊解決了傳統(tǒng)工業(yè)自動化組態(tài)應用的部署和可訪問性低的問題，通過用戶在開發(fā)工具中使用鼠標拖拽的方式調整組態(tài)畫面元件的屬性、位置、尺寸等，并內(nèi)置豐富的組態(tài)元件庫，使得用戶無需代碼的編寫能力，無需工業(yè)自動化組態(tài)軟件開發(fā)的技術背景，也可以方便的開發(fā)出工業(yè)組態(tài)界面，同時也支持數(shù)據(jù)展示、遠程控制等功能。

（2）3D可視化

3D可視化技術通過虛擬仿真實現(xiàn)多維度可視化，為客戶提供數(shù)字化服務，助力企業(yè)能源經(jīng)濟雙向管理，提升能源管理水平?？梢詫崿F(xiàn)的功能主要有：各區(qū)域信息實時同步；全局掌握各區(qū)域能源消耗情況；可視化監(jiān)視設備運行狀態(tài)；智能巡檢，自動分析巡檢路徑上的設備運行、電能質量、電氣安全、用能異常等情況，并記錄巡檢結果。

五、總結

作為傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術相結合的產(chǎn)業(yè)發(fā)展形態(tài)，能源物聯(lián)是國家能源革命與數(shù)字革命融入發(fā)展的重要戰(zhàn)略支撐。能源物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)向能源生產(chǎn)、配置和消費過程的延伸應用，伴隨“大云物移智鏈”等現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展，電力物聯(lián)網(wǎng)將信息、通信、數(shù)字技術與電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用電的各個環(huán)節(jié)深深融入，實現(xiàn)狀態(tài)多方位監(jiān)測、信息智能化處理及智能互聯(lián)、人機交互、智慧服務。 

參考文獻

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證書報告