一種基于可視化界面和物聯網技術的智能用能需求側管理平臺

中圖分類號：TN915 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 (2012) 03-0011-005

摘要：文章提出了一種智能的基于可視化和物聯網技術的用能需求側管理平臺。平臺在探索物聯網在用能需求側管理中的具體應用，搭建基于物聯網與可視化界面的用能智能分析及控制環境，采集智能終端及傳感器傳導的用能信息的基礎上，通過各種實時網絡分析等高級應用軟件對采集數據進行分析和處理，實現了重點耗能設備與客戶或電網企業間進行實時高效的信息交互，可為客戶提供全面、多維的用能管理輔助決策支持，也可為變頻設備、同步調相機、無功補償裝置等設備的一體化運行提供數據支持和接入策略等優化方案。

關鍵詞： 物聯網；可視化界面；用能管理平臺；優化方案

Abstract:In this paper， we propose a platform for exploring power consumption on the customer side of IoT. The platform collects power information from smart terminals and sensors and creates a smart power analysis and control environment based on IoT and visual interface. Collected data is analyzed and processed by advanced software so that information about key power-consuming equipment can be shared with grid enterprises and customers. The platform provides comprehensive， multidimensional power management as well as data support and access strategies for the integration of inverter equipment， synchronous condenser， and reactive power compensation.

Key words:Internet of things; visual interface; power consumption management platform; optimization

1 平臺概述

目前，中國面臨著能源緊張、環境惡化以及節能、減排、低碳等指標低的巨大壓力。工業企業每年8%的能源損耗源于沒有能源監測及維護計劃，每年12%的能源損耗源于沒有用能管理及控制系統。可見能源耗損的比例很大。

節能環保已列為中國“十二五”規劃中的七大戰略性新興產業。近期中國國家發改委在電力需求側規劃中也提出加強技術支撐平臺的建設，鼓勵運用智能電網、物聯網技術等監測、控制重點用能設備的使用，優化運行方式，減少高峰電力需求。政府迫切需要用科學的技術手段去采集、監測、分析、管理各地、各企業的用能狀況。同時人們通過一些實踐逐漸達成共識：用科學的技術手段可以有效地提高能源使用效率，建設一套完整的能耗監測、管理、控制系統可以量化地監測、管理和統計用能企業的用能狀況。這是目前降低能源消耗、提高能源利用率的主要手段之一。

面對需求形勢，我們根據各級政府部門和電網公司節能減排工作的目標，結合重點電力用能企業業務實際和信息化現狀以及國際上對智能電網、物聯網在配、用電環節的普遍建設思路，通過技術創新自主研發了具有全面、智能的基于可視化和物聯網技術的用能需求側管理平臺。對用能企業進行用能監測管理，開發客戶用能智能分析及控制信息用能管控平臺，可為用戶科學管理用能、提高能源使用效率、控制能源成本提供科學依據和優化建議[1-3]。

2 平臺架構及工作原理

用能需求側管理平臺是指用能單位的管理人員通過計算機、物聯網(傳感網)等技術實時采集和記錄主要耗能設備的能耗數據(電、水、氣、油、煤等)信息，并傳遞、貯存、加工及使用的完整體系。平臺根據用能單位實時采集的能源消耗過程中的數據資源，應用專業的數據分析模型和方法，結合現代科學管理方法和先進技術手段，實現用能信息的可視化管理、能耗成本分析和關鍵指標分析，制訂節能改造計劃和評估體系，實現用能規劃和績效考核管理等，為管理者和決策者提供能源管理和決策支持，使用能管理更加智能化、標準化、精細化和數字化。

通過運行用能管理平臺，可為能源審計工作提供真實、準確的第一手用能數據；可從多個角度為企業及相關企業等進行縱向、橫向對比統計、分析、評判；可對企業提供的實時用能信息預測、預警，并對耗能超標耗能設備、建筑或區域制訂出用能運行管理、節能改造(空調、照明、電梯、外墻圍護等)、節能管理等方案。該平臺可促使企業的節能改造對癥下藥，可改進不合理的耗能設備，為優化生產環節服務。該平臺是輔助用能單位更好地完成資源調配、生產組織、部門結算、成本核算、節能管理和用能分析的信息化綜合應用平臺。

用能需求側管理監控平臺主要由4個部分組成：底層數據采集與控制、數據及控制信息傳輸、信息可視化實時顯示、數據分析和用能管理數據庫系統。平臺結構如圖1所示。平臺技術原理如圖2所示。

(1)底層數據采集與控制

在底層安裝有多類型智能數據傳感器與采集模塊組成的傳感網，采集用能設備的用電參數和非電參數。采集的用電參數主要有：實時電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因素、諧波、有功電量、無功電量等數據；采集的非電參數主要有：用水量、用氣量、熱量、投料量、產量、實時水流量、溫濕度、環境亮度等生產與環境參數。采集模塊將根據現場系統應用的需求及條件靈活配置。采集的數據上傳至可視化界面或后臺進行顯示、存儲、統計。

例如：使用LED燈控制器、流量控制器、無功補償控制器等控制設備，控制LED燈亮度、生產泵轉速、空調水流量等生產底層設備進行諧波抑制與無功補償的控制，從而實現設備與設備之間、人與設備之間、人與人之間物聯網的數據通信以及控制聯系。

(2)數據及控制信息傳輸

傳輸方式多種多樣，根據不同的應用環境選擇更加合理的傳輸方式，支持RS-485/RS-232總線、以太網接口等，傳輸協議采用傳輸控制協議/網際協議(TCP/IP)、MODBUS協議等多種方式，根據物聯網信息采集環境和主站平臺監控的物理距離，可選擇無線、有線、塑料光纖等多種遠/近程信息傳輸方式。

(3)信息可視化實時顯示

現場的管理主站采用中國先進的人機界面(HMI)可視化顯示生產設備、環境條件等實時的現場參數，人性化的觸摸屏查看及控制操作，支持權限修改分段自動運行方式，并配有多種安全的報警功能。

用能消費的“可視化”也是企業有效管理用能的手段之一。由于企業一般很難快速地了解自身的用電、用能情況，而通過用能需求側管理平臺可以以日、周、月為單位觀察用能消費，可以實時看到各種設備的用電情況以及由于分時電價、階梯電價等的變化而提升的相關設備利用效率和效益。

(4)數據分析和用能管理數據庫系統

一個可以收集各車間或工廠組成部分的各種用能及生產環境參數的高效數據庫，可方便用戶查詢各個時段的數據。系統軟件對生產環境的重要數據、報警信息、故障信息等數據進行分析、統計，可為用戶提供全面的數據統計圖表及用能改造方案，為決策層提供豐富的能源使用情況資料及有效的用能改造建議。

3 平臺功能

3.1 能耗過程的可視、可控

目前，中國大多數企業是用人工定時抄表的方式統計用電及能源消耗狀況，這種方式存在數據滯后、時效性差、數據單一等問題，不能及時掌握企業的實時能耗數據，不便實時發現問題及時管理。用能需求側管理控制平臺可以在線監測整個企業(集團)的生產能耗動態信息，并將這些能耗數據與相對應的設備、車間、班組生產數據相結合。車間現場的管理人員通過先進的人機界面(HMI)可視化界面可清楚地了解和掌握生產環節和重點設備的實時能耗狀況、單位能耗數據、能耗變化趨勢和實時運行參數等信息。方便的查看操作，實現了管理人員完全的遠程監控生產現場?，F場操作者可進行有權限的修改各類可控設備的自動運行方式，為生產自動化提供靈活的配置。平臺主要提供了包括分時段不同負荷運行、根據參數智能優化調節等自動化控制過程，實現了用戶智能化控制，提高了企業的監管能力和效果。

3.2 配電系統的動態無功補償

電力電子技術在電氣化鐵路、電解工廠、電弧爐冶煉和電機變頻調速等領域的廣泛應用，在提高企業生產效率的同時也產生了大量的諧波污染電網，導致電能質量下降，損耗增大，電網的負載能力下降等問題的發生。用能需求側管理監控平臺為企業的配電系統配置無功補償裝置、變頻設備、同步調相機等設備的集成，提供高精度數據采集，顯示有功無功、功率因素、諧波分量等重要電力參數，使用戶能及時了解實時用電狀態，并及時提供技術支持和接入策略方案。平臺實現用戶自動動態無功補償，并可根據用戶需要設置功率因數門限、諧波門限，智能地進行諧波抑制與無功補償控制，優化電能質量，減少電能損耗，使企業功率因數達到要求，不僅能節約電力資源，還可提高企業的用電效率。

3.3 通信模式配置

平臺的多種通信模式給用戶提供快捷、可靠的通信路徑。平臺可以根據用戶環境條件配置不同的通信模式，在無線干擾較小、距離較短的地方選擇快捷、方便、可靠的無線通信模式；在雷電和電磁干擾較大的惡劣環境和便于施工的地方可以使用性價比較高、傳輸可靠、布線方便、通信快速可靠(100 Mbit/s～10 Gbit/s)、抗干擾能力極強的塑料光纖進行信息傳輸。

3.4 分析統計

用能需求側管理平臺建成后，可為用戶提供以下信息及管理：

?能耗狀況在線監測：采集能源消耗的數量與構成，分布與流向。

?用能水平綜合管理：用能損失情況、設備效率、能源利用率、綜合能耗。

?用能運行管理：管理、設備、工藝操作中的能源利用效率。

?節能潛力的能源成本管理：余能回收的數量、品種、參數、性質。

?節能效果的能源審計管理：技術改進、設備更新、工藝改革等的經濟效益、節能量。

?節能目標：工藝節能改造、產品節能改造、制訂技改方案、措施等。

用能需求側管理數據庫系統可自動生成多種能耗信息統計圖形、曲線和報表，如以日、周、月、年為周期的能耗統計報表，報表類型分為整個企業、單個車間、重要耗能設備等多個層次，為用戶提供能源消耗結構和能源消耗成本分析依據，評估節能措施的效果和關聯影響。提供綜合能耗/用能統計圖表，可快捷、直觀地反映企業、生產車間、班組和重要生產環節實時和歷史能耗/用能信息。系統還具有強大的歷史能耗數據追溯和分析功能。

企業用能管理及生產工藝分析人員可按不同需要靈活設置工作點參數，在不同時段下生成各種能耗數據報表與能耗曲線，如設備單耗、生產線和班組單耗等；可用多種方法對主要能耗設備和生產線的能耗數據進行查詢和追溯；對多種參量的變化趨勢進行對比、分析，從而發現能源消耗結構和過程中存在的深層次問題，對企業能源消耗結構和方式的改進、優化提出方案和建議。通過動態的單位產量能耗曲線和數據，可以直觀地比較企業生產能耗與中國及國際標準的差距，從而對生產、管理、工藝及時進行指導和調整，使企業生產過程的單位能耗和能源效率保持在科學、合理的水平。

4 用能需求側管理平臺特點

4.1 技術特點

(1)采用可視化界面和物聯網傳感技術使系統結合為一個有機的可監管整體。從底層設備的參數采集到上層平臺界面的可視化對話，系統與終端緊密結合，各個設備的信息通信網絡鏈路之間的同步通信實現運行情況的實時更新與控制。

(2)以用能管理為主題，在系統的構架上要全面地考慮用能環節，從源頭的無功補償，到底層設備的智能控制，都融入提高用能效率的措施與機制，并在設備的具體用能上提供了可操作性，方便企業用能建設與企業用能改造。

(3)對企業現場實現可視化和智能控制，構建結構模塊化、對象化的實時數據庫，方便用戶實時掌握總體用能狀況和底層重點用能設備用能情況，提高信息的實時、準確性。

(4)以企業的生產工藝過程為對象現場實現可視化和智能控制，后臺用能管理數據庫系統實現數據同步及控制同步，構建結構化、對象化的實時數據庫，使用開發出強大的分析統計軟件，方便用戶及時清楚的了解企業整體和具體設備的用能情況，大大提高了信息的實時性、準確性以及具體性。讓企業參與互動和管理。

(5)采用先進的IE發布模式，可方便客戶側的使用，不必進行繁瑣的客戶端軟件安裝，只需計算機可以連接Internet，即可通過權限驗證登陸監控系統，可極大提升平臺的附加價值。

(6)支持多種通信協議，可直接讀取現場數據采集設備存儲的數據，同時具備良好的開放性和靈活性；支持RS-232/422/485、以太網口等接口標準；支持ModBus、TCP/IP等協議，支持無線、有線、Zigbee、Wi-Fi、塑料光纖的傳感網絡模塊與網關。

在多種協議、多種通信模式(如塑料光纖)、多種類傳感器的運行環境下，實現信息的自動互聯、互通，直接讀取現場數據采集設備存儲的數據，具備良好的開放性和靈活性。

4.2 應用特點

(1)基于物聯網(傳感網)技術的用能需求側管理數據中心平臺，充分利用專業用能分析模型建模分析各種能源的能耗水平，有效突破了以前單一的能耗監測系統分析功能較弱、用能分析系統由于數據局限導致應用性較差的缺點。

(2)用能需求側管理信息平臺應用于企業，可有效管理現有能耗資源，通過數據分析，幫助企業合理有效地利用設備，減少不必要設備添置，避免了資源浪費，可以節約大量資金，具有明顯的經濟效益。

(3)實時監管能源供應的質量，及時發現潛在威脅，減少設備故障和維護費用，延長設備使用壽命。

(4)Web發布介紹。采用先進的網絡發布技術，客戶可以方便的在任意連接網絡的計算機上面打開監控系統，通過權限驗證后可瀏覽設備運行情況，方便有效的進行報表統計，趨勢曲線分析和能耗對比情況分析便于相關部門人員及時掌握能源的分布與流動信息，快速制訂能源政策，進一步挖掘節能潛力，降低企業的運行成本和完善用能理制度，為進一步提升節能空間提供充分的數據分析和決策。

(5)提高能源供應的可靠性，縮短停電檢修時間，延長運行周期；通過預警，可減少火災、人員傷亡等嚴重事故的發生，降低事故和檢修帶來的停機損失。

(6)提供用能單位精細化能耗管理的手段，評估節能技改和運行效果，提高節能運行管理效率，減少運行維護人員工作量，降低運維成本。

5 平臺研發的預期目標

通過對電、水、氣、熱、油、溫、光等用能信息進行分項計量、雙向計量、動態預警、實時監控；從而獲取企業綜合動態能耗信息，提高需求側電能質量和供電可靠性，同時也為合同能源管理項目的推廣應用以及政府部門的政策制訂提供決策支持、數據支撐和技術平臺。系統集數據采集、通信傳輸、數據統計、指標監測、用戶能源審計、能效項目方案及評價、節能策略庫、設備智能控制于一體，為客戶用能管理和節能改造提供詳實數據統計和改造策略方案，監測客戶重點耗能設備、實時預警，防止因電網末端故障導致的電網安全事故；為智能電網建設、物聯網的應用提供實際應用的平臺。

平臺為面向多能源和資源消耗的(電、水、空氣、天然氣和蒸汽等)企業的綜合管理平臺。通過高效數據采集，科學、清晰分析和報表，可幫助客戶提高整體能源使用效率和能源供應可靠性。

6 平臺效果展示

平臺的模擬系統結構如圖3所示。圖3模擬了包括生產、空調、照明的3個工藝子系統以及配電監控系統。生產環節以泵的智能控制運轉為例，空調系統以循環水制冷為例，照明系統以節能型的LED燈控制為例，配電系統以三相四線制的低壓220/380 V的配電為例。

主控制器是模擬現場的總控制器，顯示各個子系統的參數，并對子系統進行緊急控制。配電系統用動態無功補償器進行電力參數實時采集顯示及自主研發的動態無功補償控制，生產子系統主要包括泵的生產料的流速采集、手動流量控制、可編程自動流量控制，空調子系統包括循環水的流速、進出口水溫、室內溫度等參數的采集和水流量手動與可編程控制，照明子系統包括環境亮度采集、感人控制、可編程與手動控制LED燈亮度。可編程控制主要提供分時段控制、曲線循環控制、恒定參數實時動態控制3種方式。并且各系統均設有特定參數過限報警功能。后臺的用能需求側管理數據庫系統提供多種分析統計圖表及改造方案。圖3是為模擬系統部分主控器的運行界面，圖4是模擬系統可視化運行界面。

7 結束語

智能用能需求側管理平臺暨能源管理一體化解決方案，由于采用先進的物聯網傳感技術采集客戶區域能源網絡內的實時狀態信息，運用數據挖掘和商業智能分析軟件對海量數據進行分析和處理，通過可視化界面技術為企業提供科學有效的節能輔助決策支持；為變頻設備、動態電壓恢復器、無功補償裝置等的有效集成提供數據支持和控制策略，從而可顯著提高用戶的用能效率和降低能耗、優化負載負荷特性，降低能源使用費用。

用能管理工作不僅是對某個設備和工藝的改造，而是對企業全系統用能過程的優化。從全球的用能管理實踐來看，保證能源質量、實時監測數據、實時控制、及時制訂方案都是提高能效的重要環節。用能需求側管理控制平臺用HMI可視化界面實時顯示設備的用能、使用、環境參數，實時智能控制設備運行，后臺用能管理數據庫系統對企業能源效率水平進行全面監測、分析、評估和控制，找出生產過程中能耗問題根源所在，通過科學、合理地制訂生產工藝流程、建設能耗考核標準和體系，有針對性地制訂節能改造方案。用能需求側管理控制平臺全面、智能、有效，可以廣泛應用于各種企業的改造與建設。

8 參考文獻

[1] 周昭茂. 電力需求側管理技術支持系統 [M]. 北京: 中國電力出版社， 2007.

[2] 國家發展和改革委員會經濟運行調節局. 電力需求側管理項目實施指導手冊: 工業篇 [M]. 北京: 中國電力出版社， 2010.

[3] 張晶， 郝為民， 周昭茂， 等. 電力負荷管理系統技術及應用 [M]. 北京: 中國電力出版社， 2009.

收稿日期：2012-03-05

作者簡介

郝為民，中國電力科學研究院信息與通信研究所副總工程師，中國電機工程學會電力系統自動化專委會供用電管理自動化學科組委員，中國電工儀器儀表標準化技術委員會委員；長期從事電力信息與通信、用電自動化、電力需求側管理工作；已發表論文18篇、著作3部。