典型煤炭企業電能消耗數據采集系統關鍵技術研究

苗繼軍 孫衛佳 姜明學 劉朋元 吳 江

（1.神華烏海能源公司機電動力部，內蒙古烏海市，016000；2.長春工業大學計算機科學與工程學院，吉林省長春市，130000）

所謂典型煤炭企業，是指企業生產和經營范圍包括采煤、洗煤、焦化和發電等主要煤炭企業業務的煤炭生產企業。該類型企業是煤炭生產企業的一個業務縮影，通過對該類型企業電能消耗數據采集系統關鍵技術的研究，為煤炭企業建設電能消耗監測系統探索一條科學的、可行的途徑是本文的核心內容。

企業電能消耗數據采集系統的主要功能是利用數據采集模塊獲得電路中的電能消耗數據，然后將采集到的數據傳輸到數據庫中，為進一步監測、統計和分析提供必要的基礎數據。因此，電能消耗數據采集系統的關鍵技術主要體現在系統采用的架構、數據采集模塊以及將采集到的數據傳輸到數據庫系統中3個方面。其中系統架構確定了系統的體系結構，是系統建設基礎性內容；數據采集模塊則確定了數據采集的方法和數據采集模塊聯網的機制；而將采集到的數據傳輸到數據庫系統則解決了數據匯聚的問題，同時也實現了將數據采集系統與數據傳輸系統關聯的功能。

目前，實現電能消耗數據采集系統的方法主要有文獻 ［1］提出的采用基于485協議的數據采集方法；文獻 ［2］提出的以ARM 為核心，采用GPS授時，基于以太網的數據采集方法；文獻［5］提出了一種以單片機為核心，基于485協議的數據采集方法；而文獻 ［6］和文獻 ［7］則提出了基于無線的數據采集方法。總的來看，針對數據采集技術主要圍繞單片機進行設計和開發；而采集模塊聯網和數據傳輸技術主要分為兩個方面，一是采用有線數據傳輸的方法，既采用485 協議或以太網；二是采用無線數據傳輸方法，既采用Zigbee或GPRS。上述方法著重討論了數據采集技術和數據傳輸技術，對數據采集系統的兼容、可靠性、性能和采集的顆粒都鮮有討論，而這正是典型煤炭企業所面臨的問題。

實施上，在煤炭企業建設電能消耗監測系統，除滿足上述主要功能的需求外，還需要充分考慮煤炭企業的特點，只有如此，才能建設一個科學、合理和有效的電能消耗監測系統。煤炭企業特點獨特且十分鮮明，這些特點具體體現在以下幾個方面。

（1）數據采集量程范圍廣，且具有動態特性；

（2）現場復雜，數據采集設備部署困難；

（3）井工采煤需要考慮防爆和煤安；

（4）電能消耗數據峰值較高；

（5）需要與現有多種智能電網儀表設備兼容。

本文在現有電能消耗數據采集系統技術的基礎上，提出了一種符合煤炭企業特點、科學、可行的電能消耗數據采集系統的方法，并著重討論該方法中的關鍵技術。目前，該系統已在神化集團烏海能源有限責任公司下屬的利民公司運行，現階段看，效果良好。

1 系統架構

煤炭企業規模大、范圍廣，用電設備多種多樣，生產不能中斷，且現存大量的電能消耗、用電質量監測智能儀表設備。這一切，對于實現煤炭企業全面電能消耗數據采集都是很大的限制。為達到高兼容性、高可靠性和高性能的目標，電能消耗數據采集系統應采用分布式架構。采用分布式架構可解決煤炭企業電能消耗數據規模大、范圍廣的問題，也可以解決適應性和兼容性問題，同時還可以實現基于區域進行數據采集，可最大限度滿足企業電能消耗數據采集粒度問題。該架構包括實現電能消耗數據采集功能的數據采集模塊；支持區域定義的電能消耗數據采集機制；實現各數據采集模塊聯網的數據采集網絡；實現數據采集模塊控制、管理和數據暫存功能的Agent。

圖1 電能消耗數據采集系統架構示意圖

圖1 表明，以Agent為核心構成分布式數據采集系統。基于Agent的驅動功能，將數據采集模塊通過傳輸介質與Agent組網，構成數據采集網絡。需要特殊說明的是：電能消耗數據采集是以監測區域為最小顆粒的。

2 數據采集模塊組網

根據圖1，以Agent為核心，基于485通信協議，將數據采集模塊連接到Agent，實現數據采集模塊的局部聯網。同時各Agent通過數據傳輸網絡實現聯網，實現數據采集模塊的組網。在實現上述組網的過程中，需要關注以下幾個問題。

（1）煤炭企業現存電能儀表眾多，需要與現有多種智能電網儀表設備兼容的數據采集模塊的驅動

在典型煤炭企業中，耗電規模巨大，耗電數據采集分布廣泛，現存大量的智能電網儀表設備，在滿足數據采集粒度的前提下，應盡量充分利用現有的儀表。同時，由于規模和可擴充的原因，應考慮數據采集的兼容問題。既采用獨立于設備的數據采集機制，數據采集系統不應因采用現存的設備和不同廠家、品牌的數據采集模塊而出現大的改動。

（2）典型煤炭企業電能消耗數據采集量程范圍廣，且具有動態特性，需要提供可調整量程的數據采集模塊

由于典型煤炭企業業務種類眾多，各業務電能消耗數據采集量程差距較大，因此，采用具有動態特性，可調整的采集量程功能的數據采集模塊十分必要。即應采用互感器與采集模塊相對獨立且可進行硬件開關式量程配置與軟件定義量程配置相結合的數據采集設備。

（3）Agent驅動數據采集模塊數量的確定

模塊通過其通訊接口，利用485總線與Agent連接，一個Agent可驅動多個模塊，Agent通過輪詢的方式讀取模塊的數據，Agent驅動模塊的數量受輪詢周期限制，而輪詢周期則由系統管理數據的時間粒度決定。設系統管理數據的時間粒度為T，模塊的輪詢周期為K，Agent驅動的模塊為n，模塊采集數據的最小時間間隔為t，上述參數滿足公式（1）。

需要注意的是：模塊可連接到用電區域的變壓器入口處，也可以連接到一個單獨的用電設備上。而Agent可以通過485卡擴展485的接口，使其可以連接更多的模塊。

（4）數據采集粒度的考慮

電能消耗數據精細化采集是電能消耗統計和分析的基礎。但采集粒度過細也帶來了投資成本問題和系統數據傳輸、存儲和處理的壓力。如何選擇一個既滿足企業數據采集粒度的要求，又盡量減少投資壓力和系統工作壓力是典型煤炭企業電能消耗數據采集系統建設的一個關鍵問題。為解決此問題可采用基于可定義區域進行數據采集的方法，既將企業耗電設備根據業務特性和地理分布劃分為一個一個的區域，在區域用電的出入口處部署電能消耗數據采集裝置，以該區域為最小顆粒進行數據采集。需要特別強調的是：為實現數據采集粒度的不同需求，該區域一定是可動態定義的。

（5）現場復雜環境的考慮

典型煤炭企業業務差異性較大，現場十分復雜。有露天生產場所，有封閉的室內場所，也有井下防爆、煤安要求較高的場所，且電磁環境十分復雜，大多數設備不允許停電而影響生產。上述環境對數據采集模塊的部署和組網要求十分嚴格，既要考慮安全問題，又要考慮可靠性和性能問題。在對上述環境的特點進行認真分析，并經過實際現場應用后，筆者認為，對于現場復雜環境的考慮可以從以下幾個方面進行：

采用光電轉換和光纖代替電纜實現485協議通訊需要的通信線路，對抗復雜電磁環境和雷擊；

對于井下的組網部署，除采用光纖外，還需要數據采集設備符合防爆和煤安的要求，在不能滿足要求時，需要在數據采集粒度上妥協；

對于不能停電作業的高壓數據采集設備，在數據采集粒度允許的前提下，盡量采用現有的智能儀表進行數據采集；

前置的數據采集設備部署時需充分考慮防塵、防潮和過熱問題。

3 獨立于設備的數據采集機制

電能消耗數據的電器采集設計的原則是系統與采集設備的無關性。既采用數據采集Agent屏蔽系統和數據電氣采集設備的關系，達到數據電器采集設備對系統是透明的。要達到此目的，需要在數據采集設備與數據庫系統之間設置Agent，Agent讀取設備的采集數據，并將數據格式化后傳送到數據庫 系統中。

Agent結構分為兩層，一層為設備無關的功能，負責將格式化的數據傳送到數據庫系統。另外一層為設備相關的功能，負責從設備讀取數據，并將其格式化。兩層之間通過接口進行通訊，見圖2，接口之間傳送的數據是格式化的。Agent的主要功能是：通過設備相關層的驅動模塊讀取設備的采集數據或設置模塊的參數和狀態，然后將讀取的數據或返回的狀態格式化，通過接口將格式化的數據傳輸到設備無關層。設備無關層將狀態數據發送的人機交互界面，而將讀取的格式化電能消耗監測數據發送到數據庫系統。

圖2 Agent的結構示意圖

Agent的設備相關層在讀取數據時采用驅動模塊的方式進行，即對不同的設備提供不同的驅動模塊。這樣就實現了系統與采集設備的無關性，系統可使用所有符合標準的數據采集設備，對于新設備，只需開發相應的驅動模塊即可。

4 Agent

Agent是電能消耗數據采集系統的核心。通過Agent實現了獨立于設備的數據采集機制，實現了數據采集模塊的驅動，實現了數據采集的組網，還實現了數據采集系統與數據庫系統的連接。可以看出，在電能消耗數據采集系統中，Agent十分重要。

考慮體系結構方面的問題、組網和管理上的科學和方便，將Agent分為：Agent Server、Agent Client和Agent Console 3個角色，下面詳細介紹Agent Server的功能，Agent Client和Agent Console的功能基本包括在Agent Server中。

Agent Server主要包括以下7個功能：

（1）數據傳輸。從電能消耗數據電氣數據采集設備定時讀取消耗數據，并將其格式化后傳輸到數據庫系統。

（2）管理Agent Client。接受Agent Client的登記，更新Agent Client的運行狀態，包括Agent Client與數據庫系統的連接狀態、Agent Client管理的數據采集設備狀態以及Agent Client與Agent Client的連接狀態。

（3）時間同步。以Agent Client的本地時間為基準，同步Agent Client管理的Agent Client的本地時間。

（4）信息提交。向Agent Console發送自身運行信息和報警信息。運行信息即Agent時的相關信息，報警信息既用于報告數據采集模塊的工作狀態或與數據庫系統連接狀態的信息。

（5）命令響應。接收Agent Console發送過來的命令，該命令包含兩種信息，一種信息為控制命令信息，一種信息為時間命令信息，Agent會根據具體的命令執行相應的操作。

（6）參數配置。配置模塊的相關參數以及讀取模塊采集的數據。

（7）數據本地存儲。當Agent與數據庫系統之間不能正常通訊時，Agent需要將從設備讀取的數據進行本地存儲。待數據庫系統工作正常后，在Agent Console的干預下，將本地存儲的數據批量傳輸到數據庫系統中。

圖3 Agent功能結構示意圖

5 應用案例

利民公司是神華烏海能源有限責任公司的子公司，位于鄂爾多斯市棋盤井鎮利民工業園區。利民公司現有采煤礦井、發電站、洗煤廠、焦化廠以及其他附屬單位，是典型的煤炭生產企業。在該企業實施電能消耗數據采集系統具有代表性。在充分考慮煤炭企業的特點的基礎上研究、實驗和總結了煤炭企業電能消耗數據采集系統建設的關鍵技術，為在煤炭企業推廣電能消耗采集、監測和分析系統奠定了基礎。利民公司電能消耗數據采集系統部署見圖4。

目前，數據采集系統已投入試運行。共有數據采集點65個，其中前置部署數據采集模塊45個，利用現有智能儀表20 個，日采集數據86000 條，前置數據采集模塊數據采集準確率達99%以上，利用現有智能儀表數據采集準確率達90%以上（受電磁干擾和采集周期的影響，數據有丟失現象。），上述數據表明，在目前采集粒度的要求下，采集數據基本滿足了實時監測和決策分析的要求。

圖4 利民公司電能消耗數據采集系統部署示意圖

系統主要技術參數如下：

（1）接入Agent的數量沒有限制，Agent驅動工作模塊數量≤30個；

（2）數據采集周期60s；

（3）本地上傳數據功能，避免因網絡異常而導致的數據丟失，本地存儲容量≤200G；

（4）可定義監測區域設置，可以隨時添加、刪除；

（5）遠程控制功能，利用Agent Console，可以對各部署的Agent進行遠程控制，如上傳數據、統一時鐘等功能；

（6）兼容各種電能監測儀表功能，當更換了不同廠家的儀表時，Agent僅需要更換自己的動態鏈接庫就可以實現不同廠家的儀表兼容，實現了與設備無關的數據采集機制；

（7）采用TCP／IP協議，數據獨立于網絡技術傳輸；

（8）獨立于NTP的時鐘同步機制，時間精度為1ms。

6 結論

在系統實施過程中，驗證了獨立于設備的數據采集機制、基于Agent的數據采集組網方式和基于區域定義的采集數據粒度控制方法的正確性。驗證了采用分布式架構建設系統的科學性和必要性，總結了工程實施的注意事項。系統運行的數據表明：從技術科學性、系統有效性、系統性能和系統可靠等多方面考慮，采用上述關鍵技術建設的系統是成功的，這些關鍵技術可用于煤炭企業建設電能消耗數據采集、監測和分析系統建設中。但由于協議差異、采集周期差異和不能改造的電磁干擾等因素，利用現有的智能儀表采集數據有一定的丟失現象，需進一步研究解決。同時，井下的防爆、煤安一直是該系統全面部署的屏障，下一步工作要針對此問題做重點研究。

［1］ 鄭雙艷，陳曦.電能計量數據采集系統的應用 ［J］.黑龍江電力，第32卷，第3期，2010 （6）

［2］ 李航，謝志遠.配電網電能質量監測中數據采集系統的研究 ［J］.河北經貿大學學報 （綜合版），第7卷，增刊，2007

［3］ 明森，黃有方.現代港口電氣自動化工程技術手冊［M］.北京：人民交通出版社，2005

［4］ 宋波濤，陳雨旦，鄭競宏.電能質量監測儀數據采集系統的設計與實現［J］.中國科技論文在線，2011

［5］ 朱理.基于單片機的光電能量轉換數據采集系統的設計 ［J］.計算機測量與控制，2009 （12）

［6］ 楊朋偉.基于Zigbee的低功耗數據采集系統的設計［D］.學位論文，2010

［7］ 盧中南.基于GPRS遠程電能數據采集系統的開發與研究 ［D］.學位論文，2007