物聯網在節能減排中的應用

摘要：文章指出作為一種新型的市場化節能機制，合同能源管理具有先期投入小、風險小的特點，是電信運營商實現節能減排的重要手段之一。隨著節能工作的不斷開展，節能改造前后的能耗變化數據采集不準確、成本高等問題將凸顯，因缺乏有效的數據支撐，合同能源管理模式推廣比較困難。文章認為采用物聯網技術構建智慧能耗計量系統，通過在局站、機房內的主要耗能設備上加裝互感器和采集器實現能耗數據實時采集，并經計量網關進行統一處理后再上傳至能耗計量平臺進行評估分析，能夠加快合同能源管理模式推廣及節能減排工作有效落實。

關鍵詞：物聯網；節能減排；智慧能耗計量；合同能源管理

Abstract:Energy management contracting has became an important way for telecom operators to save energy and reduce emissions. Acquiring data about changes in energy consumption is difficult to do accurately and the cost is very high. Contracting out energy management is difficult because of the lack of valid data for energy consumption. By creating a smart energy consumption measurement system and adding a transformer and collector to energy-consuming equipment in the bureau station and engine room, real-time data on energy consumption can be acquired. This data can be uploaded to the energy consumption measurement platform for evaluation and analysis after it has been processed in the metering gateway. This will promote energy management contracting and reduce emissions.

Key words:Internet of things; energy saving and emissions reduction; smart energy consumption measurement; energy management contracting

1 電信運營商節能減排的

背景

中國從2006年開始，強調“節能減排”是企業節能增效、落實科學發展觀的重要手段，并要求“十二五”期間將單位國內生產總值(GDP)能耗在2010年基礎上下降16%，并規定節能總目標為：到2020年單位GDP能耗在2005年基礎上下降40%～45%。然而，通信行業隨著業務量和網絡規模的快速擴張，通信領域能源的消耗持續增加，僅2010年，三大電信運營商行業綜合耗電就超過了300億度，能耗增長幅度高于收入增長幅度，運營成本不斷增加。能耗亟待嚴格控制，節能減排任務艱巨。

1.1 電信運營商節能減排的需求

作為國有大型通信企業，電信運營商在整個通信行業產業鏈中處于龍頭位置，其地位舉足輕重。覆蓋面廣，耗能大是電信運營商面臨的現實問題。基于國家對節能減排的要求，電信運營商對于自身節能減排方面的考慮可歸結為管理和生產兩個層面的需求。

管理層面需求主要包括：采用怎樣的管理手段能夠有效支撐企業節能總體目標的實現？節能減排工作如何統籌計劃、統一安排？指標如何分解、落實？采用各種技術上、管理上節能手段的節能效果如何，如何科學評估？耗能指標是否可量化，是否覆蓋全面，數據是否客觀？如何建立科學的考核體系？如何減少管理成本，提高管理效率？

生產層面需求主要包括：耗能設備是否能夠做到可監可控，是否能夠分表計量，按照設備、專業等維度分析能耗情況？能耗計量是否準確、及時，控制手段的自動化程度、安全程度如何？能耗管控工作是否會大量增加維護的工作量，難度如何？是否需要大面積地改動現網結構，施工改造難度如何？等等。

1.2 電信運營企業的節能舉措

基于以上需求，電信運營企業分別根據自身的情況和特點，主要從局房管理、通信主設備、通信配套設備幾個方面采取措施以達到節能減排的效果。

局房管理方面，對現有通信機房建筑圍護結構進行節能改造，積極試點各類節能新技術，如新的風系統、熱交換系統等。

通信主設備方面，對通信機房主設備和基站主設備進行節能改造或升級。機房主設備采用設備改造和網絡架構演進技術實現節能。設備改造包括老舊設備改造和老舊設備替換縮容；網絡演進技術包括核心網網絡架構扁平化，話務網/信令網持續IP化，時分復用(TDM)設備逐步退網，采用軟交換設備，向下一代網絡(NGN)、IP多媒體子系統(IMS)發展；業務網由垂直向水平演進，業務網IP化IT化，業務平臺接口標準化、功能組件能力復用化，管理功能集中化、統一化；數據/IT系統采用動態調整技術、虛擬化技術、云計算技術，采用刀片式服務器和單位功耗更低的芯片；傳輸上采用光纖寬帶(FTTx)、無源光網絡(xPON)、大容量波分等新技術。基站主設備節能主要采用硬軟件節能技術和天線饋線技術。硬件節能技術包括機架架構設計、設備板件設計、分布式基站等；軟件節能技術包括話務優先分配技術、載頻智能下電技術、時隙級功放關斷技術等。通信配套設備方面，對空調和電源進行節能改造并采用新能源，空調節能采用節能技術、節能型空調、改變空調送風方式實現；電源方面采用直流電源節能技術、交流電源節能技術、蓄電池節能技術、動態環境監控技術等；新能源方面采用太陽能光伏發電技術、風能及多能源互補供電技術、燃料電池發電技術等。

1.3 電信運營企業節能問題與現狀

隨著節能工程的開展，節能改造前后基站/機房的能耗變化采集是非常重要并且相當復雜的工程，一些問題比較突出。目前局站、機房耗能數據采集大多采用人工抄表，此種方式不但耗費人力資源，且獲得的數據易受各種因素的影響導致數據不準確，如廠家為了提高節能率，采取改變測試環境，修改測試參數，修改空調參數，調整溫度傳感器位置，篡改節能數據等方式達到宣傳的節能效果。具體在節能減排工作中，局站、機房內的具體耗能設備定位不明，單個耗能設備的耗電多少不得而知，對于耗能設備的耗電量缺乏系統的統計和評估，不利于節能減排工作有效合理的展開。基站配套設備(如空調等)的老化也會產生多余的耗能，且老化的設備能直接增加基站本身的耗電量。以上問題使得電信運營企業的節能減排管理需求和生產需求難以解決。

1.4 物聯網技術對節能減排的作用

物聯網具有泛在感知、可靠傳送、智能處理等特點，與節能減排的需求相結合，能夠帶動具備共性的關鍵技術的創新與實施。

(1)可實現用能精細化管理，可實時監測局站各種能耗設備詳細的用電情況，包括電壓、電流、功率因數等電參量，解決了原有人工方式的高成本，數據可靠度差等問題，同時可分別對生產用電(如通信設備)、環境用電(如空調)、輔助用電(如照明)等進行分類監控、匯總，定期產生各類用電報表。

(2)為局站節能改造提供數據依據，通過實時采集電量，識別主要能耗設備，有針對性地進行節能改造工作；準確獲取節能改造前后用電數據，便于評估節能改造效果；為后續節能改造提供歷史統計數據，持續改進；為管理部門制訂減排計劃、制訂各級考核指標提供科學有效的數據支撐。

(3)可作為判斷局站配套設備是否老化的一項依據。通過實時采集電量，可發現異常耗能設備(如空調)，據此可及時升級或更新，減少不必要的能耗浪費。

(4)為實施合同能源管理提供數據支撐，可以掌握節能項目實施前后耗電數據，為合同能源管理項目提供科學的計量手段與測算數據，準確衡量節能效果，把握雙方收益，合理確定分成模式。

2 合同能源管理

2.1 合同能源管理運行模式

合同能源管理是一種新型的市場化節能機制，由節能需求單位(甲方)和節能整體方案提供單位(乙方)通過簽署合同，以甲方減少的能源費用來支付節能項目全部成本的節能業務方式。目前中國合同能源管理運行模式主要有3種：

(1)節能效益分享型模式。節能改造工程的全部投入和風險由乙方承擔，項目實施完畢，經雙方共同確認節能率后，在項目合同期內，雙方按比例分享節能效益。項目合同結束后，先進高效節能設備無償移交給甲方使用，以后所產生的節能收益全歸甲方享受。

(2)節能量保證型模式。節能改造工程的全部投入和風險由乙方承擔，在項目合同期內，乙方向甲方承諾某一比例的節能量，用于支付工程成本；達不到承諾節能量的部分，由乙方負擔；超出承諾節能量的部分，雙方分享；直至乙方收回全部節能項目投資后，項目合同結束，先進高效節能設備無償移交給甲方使用，以后所產生的節能收益全歸甲方享受。

(3)運行服務型模式。甲方無需投入資金，項目完成后，在一定的合同期內，乙方負責項目的運行和管理，甲方支付一定的運行服務費用。合同期結束，項目移交給甲方。

2.2 能耗計量的方法

能耗計量的方法主要有3種：

(1)與同一標桿站比較法。節能改造前，選定一標桿站，標桿站要充分考慮局站結構尺寸差異、設備量的差異、設備功耗的差異、空調性能的差異、局站內外環境的差異等，在相同時間間隔內交替開啟節能設備，檢測節能設備開啟前后的耗電量，統計一定時間后計算改造標桿站的節電率。

(2)對比標桿站測試法。節能改造前，選定一改造標桿站A1和一未改造標桿站B1，所選取的標桿站要充分考慮局站結構尺寸差異、設備量的差異、設備功耗的差異、空調性能的差異、局站內外環境的差異等因素盡可能地小，節能改造一定時期后，算出項目改造標桿站的節電率。

(3)歷史數據比較法。歷史數據比較法是將經節能改造所有局站上年度每月的用電數據與改造后的用電數據進行比較(新建局站可參照同類老局站數據)，作為節電效果的評定依據。但由于隨著后續組網基站對于之前同一基站的話務量影響、溫濕度等影響，歷史比較法也存在一定誤差。

綜上，由于話務量、天氣、溫濕度、地域、基站/機房的墻體厚度、材質等可變因素太多，難以建立近似的數學模型分析，可考慮將以上幾種方法得到的節電量進行加權系數取平均值作為最終節電量的標定。

3 基于物聯網的智慧能耗

計量平臺

物聯網技術是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物體與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化的識別、定位、跟蹤、監控和管理。與傳統節能減排技術相比，基于物聯網技術的智慧能耗計量平臺具有泛在感知、數據采集精準靈活、可監可控、科學決策等優勢。

3.1 智慧能耗計量系統體系結構

遵循物聯網的體系架構，智慧能耗計量平臺的體系架構[1]從下至上總體可分3層：感知層(感知延伸層)、網絡層、應用層，其中感知層主要對需要感知的耗能設備進行能耗數據的采集，通過傳感網傳至網絡層，網絡層將感知層上傳的能耗數據通過物聯網網關進行協議轉換，通過承載網絡傳至應用層的能耗計量應用系統進行智能化處理。智慧能耗計量平臺體系架構如圖1所示。

3.2 智慧能耗計量系統感知層

智慧能耗計量平臺感知層主要設備包括傳感器和能源管控網關。傳感器由在耗能設備的火線上(如基站、空調等)加裝的開口式電流互感器和采集器構成，對耗能設備的用電信息(電壓、電流、電能)實時采集，然后通過近距離通信方式(RS-485總線，ZigBee等)傳至能源管控網關進行統一數據預處理。開口式電流互感器與普通電流互感器一樣，其工作原理與變壓器基本相同，如圖2所示。由于一次繞組與二次繞組有相等的安培匝數，電流互感器額定電流比I 1/I 2等于N 1/N 2。電流互感器實際運行中負荷阻抗很小，二次繞組接近于短路狀態，相當于一個短路運行的變壓器。開口式電流互感器采用阻燃、高強度乙烯基聚合物(PVC)外殼注塑成型，鐵芯采用取向冷軋硅鋼帶卷繞而成，二次導線采用高強度電磁漆包線均勻繞制在鐵芯上，通過對內部鐵芯、匝數上對電流進行補償，達到磁場平衡。根據待監測的耗電設備一次電流值，可選擇不同電流變比的傳感器。

采集器內部采用單芯片高可靠微控制器，實現了控制、數字信號處理與數據通信的結合，采用數字信號處理技術，提高了對耗電設備的電壓、電流、功率、功率因數及電能測算精度。能源管控網關通過RS-485總線或無線ZigBee方式和前端采集器之間完成數據采集和匯聚功能，其通信接口需要支持電表通信規約DL/T645-1997/2007，便于集成第三方的電能采集終端，同時采用專門的電磁兼容性設計，有較強的抗干擾能力。上行鏈路要支持以太網、通用分組無線業務(GPRS)、寬帶碼分多址(WCDMA)，通信形式可任意選擇，支持雙鏈路備份。采集速度可以遠程設定，支持簡單網絡管理功能。

3.3 智慧能耗計量系統網絡層

智慧能耗計量平臺網絡層包括現有的接入、傳輸網絡和物聯網統一業務支撐平臺。接入和傳輸網絡主要提供高效、穩定、及時、安全的數據傳輸功能，可依據不同的建設需求和環境條件，合理選擇搭配適合的傳輸網絡。物聯網統一業務支撐平臺對能源管控網關上傳的能耗數據進行標準化處理并進行業務路由，然后再根據設定的上報周期把數據上傳給應用層的能耗計量應用系統。同時，物聯網統一業務支撐平臺提供一些共性管理支撐功能和ITC能力標準化封裝，例如通信、定位等，并開放給應用層調用，能夠大大減少應用系統中相同的支撐管理類功能的重復開發，縮短應用開發周期。

3.4 智慧能耗計量系統應用層

智慧能耗計量應用系統一方面從物聯網統一業務支撐平臺獲取到各類能耗數據后通過實時監測、能耗預警、統計分析、測算評估等功能實現對企業整體耗能情況的精確掌握，另一方面通過智能聯動、遠程控制等功能可根據能耗設備的實時負荷強度對設備進行精細化節能控制。實時監測功能根據需要設定監測周期、監測范圍、監測指標，并實時獲取測量的能耗指標數據，以列表等各種形式實時呈現。能耗預警功能設定設備能耗預警階梯閥值，以絕對閥值、同比、環比的方式分析越限情況，以聲、光、電或短信等方式實時報警提醒。統計分析功能按照專業、地域、部門、設備等維度，以日報、周報、月報等形式對能耗數據進行統計分析，并自動生成能耗報表。測算評估功能建立科學的節能測算基準、評估測算的模型與方法，并在節能減排系統中設定。遠程控制功能可以對能耗設備進行遠程控制，如批量設定空調溫度等；能夠基于節能方案，分析、分解到設備級控制指令方案中，并批量下發。

4 結束語

智慧能耗計量平臺以物聯網架構為基礎，以先進的感知技術、平臺化的應用技術作為載體，為節能減排工作提供了一種有效的輔助管理手段[2-9]。

在不改變機房設備的基礎上，智慧能耗計量平臺針對現網耗能設備，采集客觀數據并統一管控與智能分析，建立科學的能耗評估模型和體系，為管理者決策落實節能減排方案提供了可靠的數據支撐；另外對電信運營商采用合同能源管理提供了有力的數據支撐和評估手段，使得前期只需較少投入或零投入，即可達到節能減耗的效果。

5 參考文獻

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收稿日期：2012-01-12

作者簡介

張鳳全，中國聯通研究院網絡中心工程師；從事泛在網、物聯網體系架構及行業應用解決方案研究；作為系統架構師參與科技部、工信部重大科技專項2項。