高速公路分布式能源在線監測系統的設計與實施

白宏光

（山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

分布式能源是我國能源轉型的基石之一，在過去的15年中，我國分布式能源政策不斷演進和發展，在國務院印發的《“十四五”循環經濟發展規劃》[1]中提到，“積極利用余熱余壓資源，推行熱電聯產、分布式能源及光伏儲能一體化系統應用，推動能源梯級利用?！彪S著分布式能源規模的迅速增長，其合理、高效、綜合提高能源利用率的優勢不斷凸顯。

與此同時，由于分布式能源和可再生能源種類、規約、規模以及空間跨度等原因，導致對其進行集中監測與優化控制、管理成為了新的技術難題[2]。本文結合山西省高速公路服務區分布式能源系統的應用場景，設計并實施了一種基于物聯網與云技術，可分布式部署且模塊化可擴展的分布式能源在線監測系統，首次實現高速公路服務區應用場景下分布式能源的數據統一采集、實時監測和集中分析。

1 物聯網的技術體系架構

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分。近年來，隨著芯片、通訊及數據科學等技術的促進，物聯網技術也得到快速的發展與進步，在物流、安防、交通、家居、醫療、能源、制造等各個行業與領域都得到廣泛應用[3]。

物聯網是一個開放的、綜合的技術體系，需要多種技術共同支撐，其關鍵技術主要包括3個方面——信息感知、信息傳遞與信息處理。信息感知，是指利用攝像頭、麥克風、全球定位系統等各種傳感器捕獲與測量不同數據與信息；信息傳遞，是指利用各種有線與無線通訊技術，包括傳統的工業現場總線通訊的技術，對采集的信息進行更大范圍、更高速度的傳輸；信息處理，是指利用云計算、邊緣計算、人工智能等現代智能計算技術，對采集的海量數據進行建模、分析、可視化與綜合利用[4]。

基于以上信息感知、信息傳遞與信息處理3方面要素，一個典型的物聯網系統也可以分為感知層、交換層以及應用層3個層面[5]。感知層主要包括不同種類的傳感器及就地的數據采集終端，用于感知、測量與采集不同類型、不同維度的信息，這些信息既包括在現有的類似系統中可能已經采集并處理過的信息，也包括傳統條件下沒有收集的有效信息。信息交換層是感知層與應用層間連接的紐帶，目前，可供物聯網系統使用的通訊方式多種多樣，需要根據具體的應用場景去甄選最適合的傳輸形式，但整體的趨勢是在確保信息安全的前提下，通過電信服務商網絡直接接入數據，實現真正意義上的“萬物互聯”。應用層負責不同場景下對信息的提取、處理與運用，通過物聯網技術與不同專業領域的充分融合，來實現設備與系統智能化的目的。在不同行業、不同應用場景下，應用層的表現可能千差萬別。物聯網技術體系架構示意如圖1。

圖1 物聯網技術體系架構

2 分布式能源在線監測系統功能分析

山西省高速公路服務區的分布式能源系統，主要指“煤改電”[6]改革后的熱泵系統、電鍋爐、電蓄熱、水地源熱泵等分布式供暖設備。目前，高速公路服務區分布式能源系統中普遍存在以下問題：

a）能源設備部署分散，運行條件復雜，人工巡檢效率低，無法實現有效的監控與監管。

b）能源設備主要通過人工手動控制調節，在外界環境條件變化的情況下，人工調節存在嚴重滯后，設備無法實現經濟、舒適的運行模式。

c）能源設備的運行受到外部供電電源質量、運行環境等各方面因素影響[7]，設備運行中的安全隱患無法及時發現。

針對上述問題設計的分布式能源在線監測系統，利用現代通信技術，對遍布山西省的各個高速公路服務區分布式能源系統設備的基本情況、用電量、供暖量、設備健康狀態、環境數據等參數進行實時采集，并利用網絡傳輸到集中的數據中心服務器進行數據清洗、數據存儲、數據分析以及數據展示。通過與就地的工業自動化系統結合，分布式能源在線監測系統還能夠遠程操作各個能源設備并調節其參數，以實現設備的智能化運行。在具備一定歷史數據的基礎上，在線監測系統還能夠通過人工智能技術對未來能耗、設備健康進行預測與診斷。系統整體功能需求分析示意如圖2。

圖2 分布式能源在線監測系統功能需求分析

3 分布式能源在線監測系統實施方案

針對分布式能源在線監測系統的功能需求，結合物聯網項目的技術體系架構，設計并實施高速公路分布式能源在線監測系統。與標準的物聯網項目結構類似，系統分為數據采集、數據傳輸、數據應用3部分，系統見圖3。

圖3 分布式能源物聯網檢測項目結構

3.1 數據采集

高速公路服務區分布式能源的運行數據，包括電能與非電能兩大類型。其中，電能信號又分為總電能與分設備電能；非電能信號包括壓力、溫度、流量、熱量[8]以及設備運行過程中自身傳感器產生的其他數據。數據采集部分通過邊緣計算網關，因地制宜采用不同的策略進行數據采集。

現代的分布式能源系統，總用電量一般通過智能電表進行采集，邊緣計算網關可通過紅外讀表終端，利用非接觸式的方法采集智能電表的數據，對于供電部門允許直接連接的電表，也可以通過RS485等工業總線直接從智能電表上讀取數據。

對于各個熱泵、電鍋爐、水泵等獨立的用電設備，為便于數據分析，需要加裝電量傳感器進行數據采集。為減少對運行中系統的影響，電流的采集可通過卡扣形式的傳感器，在不影響設備工作的情況下，直接采集設備電流。在邊緣計算網關中，通過對采集到的電壓、電流傳感器數據進行計算，可以得出功率因數、有功功率、無功功率、視在功率等電能參數。

非電量數據通過各自的傳感器或設備內置的傳感器進行采集，壓力、流量、溫度、熱量等傳感器，一般可分為模擬量與通訊式兩種。對于模擬量輸出的傳感器，需要將其接入網關對應的模擬量接口，或通過模擬量轉通訊的模塊進行轉換。對于包含通訊接口的傳感器，可直接接入網關的相應接口，通過設置即可進行數據采集。

3.2 數據傳輸

分布式能源在線監測系統數據傳輸部分的核心是邊緣計算網關，網關一方面需要從現場設備與傳感器上讀取數據，另一方面需要對采集到的數據進行清洗、壓縮及預處理，以去除冗余，減少數據傳輸量。

網關與就地設備之間，一般通過現場總線或局域網進行數據傳輸，對于需要進行遠程控制的設備，其控制指令鏈路采取加密認證與傳輸的方式，以保證設備操作的安全性。常用的工業現場通訊的總線協議包括基于RS485或RS232的串口協議，以及基于串口的Mosbus，Profibus，CC-link等協議，也包括基于以太網的Modbus-TCP，Profinet等標準協議。對于分散的小型無線智能傳感器（例如用于環境溫度測量的傳感器），也可通過藍牙、Zigbee、Wi-Fi、Lora等近場通訊協議無線接入網關。

網關一般采用有線網絡或者4G/5G的無線通訊方式接入電信運營商網絡。經運營商網絡將數據傳輸至云端服務器。

3.3 數據應用

分布式能源在線監測系統的數據應用層采用現代的基于云原生的架構，采用云服務器進行數據的存儲與分析，以及向用戶提供基于標準HTTP服務的多平臺自適應應用服務。用戶通過電腦、平板電腦、手機瀏覽器訪問指定地址，經過身份驗證后可以訪問各自權限內的站點。用戶也可以在電腦或手機端安裝客戶端進行訪問，與瀏覽器相比，客戶端支持在本地建立數據庫并與遠程同步，以便在離線狀態下進行進一步的數據、報表查詢等操作。

用戶可接觸到的所有上述監測、控制以及報表、報警等可視化信息，均通過數據應用層向用戶展示，在用戶看不到的后臺，數據應用層需要包含的功能主要有以下幾方面：

a）安全機制 包括用戶認證，物聯網設備認證，數據傳輸加密等與網絡安全相關的安全機制。

b）數據轉存 對于客戶端傳輸到服務器的海量數據，需要服務器快速有效地進行處理與轉存。為提高數據存儲效率，可通過非關系型的時序數據庫進行數據存儲。

c）數據處理 數據處理包括了根據用戶要求，對數據進行不同維度的分類、匯總以及分析與處理，并最終以用戶便于理解、閱讀的形式進行展示。

4 結論

本文以山西省高速公路分布式能源系統案例為基礎，對一種基于物聯網的分布式能源在線監測系統進行介紹，該系統可以為用戶提供監測、分析、控制、評估、維護等技術服務，集數據采集與處理、運行監測、實時分析、信息展示等功能于一體，在保證網絡安全的前提下，為用戶進行能源監測、控制與調度優化以及設備運維提供了手段。

隨著分布式能源在線監測系統的設計與實施，高速公路分布式能源系統產生的海量數據將不斷產生并上傳到服務器，在線監測系統的人工智能引擎也隨即通過數據進行建模與分析。而隨著數據的不斷積累，人工智能引擎的分析與預測結果也將日趨精確，不斷從能源預測、能源調度與預測運維方面為用戶提供更多有參考價值的信息。