基于物聯(lián)網(wǎng)的火電碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)提出，作為我國(guó)碳排放量主要控制對(duì)象之一的火電企業(yè)，進(jìn)行綠色低碳產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型迫在眉睫，而碳排放量控制的前提是對(duì)碳排放量的有效監(jiān)測(cè)。目前，大多數(shù)火電企業(yè)在碳排放量監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)仍采用傳統(tǒng)總量估算方法，或依賴(lài)第三方監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行階段性監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)法雖然操作簡(jiǎn)單，但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差偏量大，而第三方監(jiān)測(cè)雖然階段性監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確，但無(wú)法提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，且費(fèi)用支出昂貴。因此，本文提出并設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的火電碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以期可遠(yuǎn)程無(wú)人監(jiān)測(cè)火電機(jī)組的實(shí)際碳排放量，智能化監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并預(yù)警，為火電企業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供助力。

一、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可有效提高火電機(jī)組碳排放量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，結(jié)合火電企業(yè)碳排放標(biāo)準(zhǔn)和要求，最終達(dá)到實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、智能、無(wú)人監(jiān)測(cè)火電企業(yè)碳排放量的目標(biāo)。基于此，本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的火電碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能可分為四部分：第一，碳指標(biāo)綜合，負(fù)責(zé)對(duì)碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，整合各項(xiàng)碳排放指標(biāo)，為火電企業(yè)提供一個(gè)全面的碳排放統(tǒng)計(jì)狀況；第二，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，即對(duì)碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得不同企業(yè)、不同時(shí)間段的碳排放數(shù)據(jù)具有可比性；第三，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)警，設(shè)置碳排放相關(guān)參數(shù)閾值，當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)；第四，趨勢(shì)數(shù)據(jù)預(yù)警，根據(jù)碳排放趨勢(shì)進(jìn)行分析，為企業(yè)提供未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的碳排放預(yù)警情況。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的火電碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為三個(gè)核心部分，即數(shù)據(jù)感知層，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)感知層是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集區(qū)域，其主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和在傳感器階段的數(shù)據(jù)解析，由碳排放監(jiān)測(cè)傳感器，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)集成器和數(shù)據(jù)信號(hào)增強(qiáng)器等組成，主要對(duì)碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集和數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)感知層是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和火電機(jī)組的物理關(guān)聯(lián)層，也是保障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集的源頭，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和傳感互聯(lián)的核心。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將多數(shù)電容傳感器分布在火電機(jī)組四周，通過(guò)藍(lán)牙增強(qiáng)和并行網(wǎng)關(guān)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)集中采集，同時(shí)將精度更高的電化學(xué)傳感器分布在排放口，將區(qū)域監(jiān)測(cè)效果更好的紅外傳感器按區(qū)域進(jìn)行劃分，采用射頻通信方式進(jìn)行網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)綜合，解析并篩選部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，并對(duì)傳感器設(shè)置采集周期，定時(shí)開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)增強(qiáng)器，為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用提供設(shè)備基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞區(qū)域，其主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)計(jì)算，依托物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算模式，由數(shù)據(jù)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和有源連接線(xiàn)等組成，通常布置在廠房和設(shè)備地點(diǎn)附近區(qū)域，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和進(jìn)一步解析計(jì)算，并通過(guò)CAN總線(xiàn)傳遞給火電企業(yè)控制中心。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承上啟下的數(shù)據(jù)交接層，主要完成遠(yuǎn)端無(wú)人智能監(jiān)測(cè)任務(wù)，其中數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)統(tǒng)一傳感器數(shù)據(jù)制式，解析完畢后傳遞數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息，數(shù)據(jù)終端設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)原始信息和數(shù)據(jù)處理信息進(jìn)行重新編碼，保障數(shù)據(jù)傳遞效率的同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)的信息安全，完成與火電企業(yè)控制中心的數(shù)據(jù)交互和部分指令響應(yīng)任務(wù)，為數(shù)據(jù)應(yīng)用層提供價(jià)值數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)應(yīng)用層是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)域，其主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的分析。在數(shù)據(jù)顯示中，可以通過(guò)顯示器或觀測(cè)屏幕實(shí)時(shí)顯示碳排放監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)閾值、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)值、數(shù)據(jù)比對(duì)值和數(shù)據(jù)指標(biāo)信息等，使火電企業(yè)管理者根據(jù)不同權(quán)限查閱相關(guān)數(shù)據(jù)信息。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，可以通過(guò)本地服務(wù)器存儲(chǔ)由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層傳遞的數(shù)據(jù)信息，保存原始數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和控制中心操作日志，按照一定的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)排列存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并將核心數(shù)據(jù)加密備份。在數(shù)據(jù)控制中，通過(guò)數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理和表示，對(duì)數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行多層次比對(duì)和預(yù)警設(shè)置，對(duì)警報(bào)信息進(jìn)行自動(dòng)控制，并采用深度學(xué)習(xí)的方式分析碳排放各類(lèi)指標(biāo)數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和數(shù)據(jù)分析提供技術(shù)支持。

三、系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的火電碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能按照實(shí)際使用情況可分為權(quán)限登錄、指標(biāo)綜合、閾值報(bào)警、趨勢(shì)預(yù)警和數(shù)據(jù)分析五部分組成。

（一）權(quán)限登錄設(shè)計(jì)

為了確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性，火電企業(yè)管理者在訪問(wèn)系統(tǒng)之前需要進(jìn)行權(quán)限登錄流程，不同的權(quán)限登錄可顯示信息不同。

在權(quán)限登錄時(shí)，加密技術(shù)必不可少，本文采用SHA-256Hash+salt的方式來(lái)加密用戶(hù)密碼，這樣采用隨機(jī)信息摘要的方式可有效加強(qiáng)數(shù)據(jù)信息登錄的安全性，即使有人在傳輸過(guò)程中截獲了用戶(hù)的賬號(hào)和密碼，也無(wú)法輕易解讀其真實(shí)含義，當(dāng)然在服務(wù)器端，需要對(duì)加密后的信息進(jìn)行解密，以便進(jìn)行后續(xù)的比對(duì)操作。同時(shí)，服務(wù)器在接收到用戶(hù)提交的登錄信息后，會(huì)將其與用戶(hù)信息表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，這一步是登錄成功的關(guān)鍵，只有當(dāng)輸入的賬號(hào)和密碼與服務(wù)器上的記錄完全一致時(shí)，用戶(hù)才能成功登錄系統(tǒng)，在這個(gè)過(guò)程中，服務(wù)器還需要定期對(duì)用戶(hù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新和維護(hù)，確保數(shù)據(jù)的完整性。

（二）指標(biāo)綜合設(shè)計(jì)

火電機(jī)組碳排放量、實(shí)時(shí)排放強(qiáng)度、碳排放閾值和碳排放動(dòng)態(tài)是構(gòu)成火電碳排放管理指標(biāo)的重要內(nèi)容。

首先，火電機(jī)組碳排放量詳細(xì)展示了當(dāng)前碳排放量、當(dāng)前排放量配額盈余、當(dāng)前排放指標(biāo)變化等信息，這一指標(biāo)設(shè)計(jì)目的在于讓火電企業(yè)能夠全面了解自身的碳排放狀況，從而有針對(duì)性地在全局過(guò)程中開(kāi)展碳排放減少工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)碳排放異常情況。其次，實(shí)時(shí)排放強(qiáng)度是當(dāng)日碳排放強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)值，這一指標(biāo)設(shè)計(jì)可以幫助企業(yè)實(shí)時(shí)掌握碳排放變化趨勢(shì)，以便根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整生產(chǎn)策略，降低碳排放強(qiáng)度，同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)照自身排放情況可明確改進(jìn)方向。再次，碳排放閾值負(fù)責(zé)提醒企業(yè)管理者注意報(bào)警信息，當(dāng)碳排放量出現(xiàn)異常超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，促使管理者迅速采取合適措施，降低碳排放量。最后，碳排放動(dòng)態(tài)指標(biāo)提供了企業(yè)實(shí)際的動(dòng)態(tài)碳排放量情況，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，火電企業(yè)可以直觀地看到自身在碳排放控制效果，為改進(jìn)碳排放管理提供數(shù)據(jù)支持。

（三）閾值報(bào)警設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中閾值報(bào)警設(shè)計(jì)旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碳排放量是否超標(biāo)，并對(duì)異常數(shù)據(jù)提供自動(dòng)報(bào)警功能，通過(guò)閾值規(guī)則設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳排放參數(shù)的智能監(jiān)控，確保“雙碳”環(huán)境保護(hù)工作的順利進(jìn)行。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，顯示中心將立即展示報(bào)警變化信息，當(dāng)異常數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)信息，并將報(bào)警信息推送給當(dāng)值人員的終端設(shè)備，當(dāng)值人員可以根據(jù)實(shí)際情況解除報(bào)警，同時(shí)錄入和存儲(chǔ)故障處理措施及結(jié)果，確保問(wèn)題得到有效解決。同時(shí)，閾值報(bào)警涵蓋了報(bào)警查詢(xún)、報(bào)警統(tǒng)計(jì)、報(bào)警推送等方面，從而滿(mǎn)足不同場(chǎng)景下碳排放監(jiān)測(cè)的需求。

（四）趨勢(shì)預(yù)警設(shè)計(jì)

趨勢(shì)預(yù)警的主要功能是預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)火電機(jī)組的碳排放量和配額量。首先，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)碳排放數(shù)據(jù)分析，可對(duì)年度碳排放量進(jìn)行預(yù)測(cè)，幫助火電企業(yè)滿(mǎn)足需求的同時(shí)，降低碳排放量。該設(shè)計(jì)可根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、燃料類(lèi)型等多種因素，根據(jù)趨勢(shì)精確預(yù)測(cè)機(jī)組的碳排放量，同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碳排放濃度、煙氣流量等參數(shù)，以規(guī)定格式進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，精確計(jì)算出企業(yè)自身的碳排放量，當(dāng)碳排放量超過(guò)配額時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警，提醒相關(guān)人員采取措施降低排放量。

（五）數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)分析，對(duì)機(jī)組碳排放強(qiáng)度、配額量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以便了解火電機(jī)組的排放表現(xiàn)和節(jié)能減排潛力，推動(dòng)火電的低碳轉(zhuǎn)型，同時(shí)，數(shù)據(jù)分析專(zhuān)注于分析碳排放量、配額量等關(guān)鍵指標(biāo)的變化規(guī)律，有助于管理人員把握碳排放的動(dòng)態(tài)變化，為制定碳排放減少目標(biāo)提供數(shù)據(jù)支持。此外，數(shù)據(jù)分析通過(guò)深入研究碳排放相關(guān)指標(biāo)之間的關(guān)系，以圖形化方式呈現(xiàn)，幫助企業(yè)更直觀地了解各指標(biāo)之間的相互關(guān)聯(lián)，有助于管理人員全面掌握碳排放的內(nèi)在規(guī)律，為碳減排策略的制定提供依據(jù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的火電碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有信息化、智能化、高效化監(jiān)測(cè)碳排放量的特點(diǎn)，滿(mǎn)足火電企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求，在“雙碳”目標(biāo)下，企業(yè)更需要重視碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，為綠色低碳生產(chǎn)提供助力。

作者單位： 陜西省能源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所