基于物联网的能耗在线监测平台的构建与实施

2021-03-13刘晓燕姜沣恩

山东煤炭科技 2021年2期

马勇刘晓燕姜沣恩

（枣庄矿业（集团）柴里煤矿，山东滕州 277519）

1 引言

目前柴里煤矿能耗管理仍然依靠较为传统的人工操作方式，这种方式不仅速度慢，而且极易产生误差，同时无法对数据进行动态分析、动态预警、对标管理，只能事后控制，已经无法满足该矿自身对能耗管理的需要。

柴里煤矿年综合能源消费量 16 000 t 标准煤，属于国家重点用能单位，耗电4725 万kW·h，耗蒸汽293 478 万t，耗水21.89 万t，年折合价值分别达到2646 万元、1681 万元、32.84 万元。按照国家能源战略和《节约能源法》及国家发展改革委发布的《重点用能单位节能管理办法》的要求，作为重点用能单位，必须加强节能管理，提高能源利用效率，控制能源消费总量，促进生态文明建设。为达到上述目标，必须积极推进能源在线系统平台建设。

2 构建能耗在线监测平台的总体思路及技术

2.1 总体思路

该平台利用目前比较先进的lora 技术进行组网。lora 是一种基于扩频技术的远距离低功耗广域网无线传输方式，属于物联网通信技术之一，它的最大特点就是低功耗、远距离，可以有效地抗击干扰并实现加密。软件开发采用Java 语言进行设计，后台数据库采用Oracle 存储，整个系统采用B/S 架构。该平台利用物联网技术，结合自动采集、信息化管理、数据分析等现代化手段，构建适应柴里煤矿实际需要的能耗在线监测系统，并组织实施，从而逐步提升柴里煤矿能耗管理水平。

2.2 流程实现及主要架构

整个系统平台划分为三个层级：第一层级为能效数据采集层，第二层级为网络通信层，第三层级为中心管理层。能效数据采集层是对各种用能设备进行能耗数据在线监测，包括对耗水、耗电、耗汽等信息参数进行采集。网络传输层是通过网络通信方式，将现场采集到的各类参数数据传送到数据采集服务器。中心管理层由路由器、数据库服务器、数据采集服务器、WEB 服务器等设备组成。系统通过对柴里煤矿的整体用能信息处理、分析和展现，可以动态了解当前的能耗和生产情况，并客观地做出更好的能源管理决策、管理和调度，建立一种高效落实的生产能源管理体系。

2.3 系统软件设计思想及技术

根据能源管理系统实时性、分布式计算，以及与其他子系统互联的要求，采用了开放分布式的设计思想，采用国际标准 IEC 61970 CIM/CIS，面向柴里煤矿电、水、蒸汽等能源介质，对计量数据统一采集、处理、管理，并预留扩展功能，实现了基于Internet 的远程维护和网上浏览功能，为矿井能源管理实现全面信息化提供一套先进的、开放的、可扩展的、可靠的管理平台，并在此平台上支持对矿井各种能源数据的高级分析应用。

3 构建能耗在线监测平台数据采集系统

3.1 硬件设施

按照用能单位能源计量器具配备和管理要求，该平台的电气计量设施设备全部采用最新国网规范的国网表，精度为0.5s 级。该类型计量设备具有计量准确性高、数据格式符合国网规范等优点。用水设施采用外夹式超声波水表，该类型水表具有不需要切割原来的管道、不会对生产生活造成停水、安装方便快捷、计量准确等特点。蒸汽数据采用隔离器将三路输入信号一分为二，新增二次表计的方式，该方式不会对原来表的使用造成影响。

3.2 通讯与组网技术

该通信系统基于Lora 技术进行组网，实现各类参数与命令的下达、数据的采集及上传，主要由通信基站、计算机终端、集成通信模块的用户设备、具备通信功能的用户设备等组成，如图1。

系统采用了分时间片的组网方式，解决了无线串口收发模块可以一发多收，不能同时多发一收的障碍。

如图2，这种组网方式是先由主机发起广播时间，从机收到后，首先校对并同步本地时间，然后根据配置的编号进行陆续上传，从而实现多发一收的功能。这种组网方式收发数据节约大量时间，并且能够防止同时收发造成的系统冲突。

图1 基于Lora 的组网通信系统组成示意图

图2 分时间片组网图

4 构建能耗在线监测平台数据监测终端

4.1 监测系统

所有电、水、蒸汽等计量设备的数据传输采用全新的基于Lora 技术的无线模块来完成。该技术是一种低功耗局域网无限标准，改变了计量设备的有线数据传输方式，每一处采集点采集到的数据汇总到lora 无线模块，而后，此模块以lora 协议将数据传输至服务器端的无线接收模块，接收模块再将数据送至数据集中器。该设备替代了本该在每个采集点放置的数据集中器，并且省去很多的485 通讯线等辅材及潜在的施工工时，在保证数据稳定的情况下，数据质量完全达到了项目要求。该方案的实施，一是极大地降低了成本，由于本项目表计众多，位置复杂，旧表走线复杂，安装分散，无线模块在不改变旧表通讯线走线的情况下直接将数据送至服务器，可以节约大量成本；二是缩短了施工时间，确保了该项目如期完成并通过上级主管部门验收；三是极大地避免了重复施工问题和很多潜在的施工安全隐患。

4.2 通信设计

本系统组网通信主要是有线485 方式和无线Lora 方式，通信方式为RTU，通讯协议为MODBUS，确保可以实现点对点通信和点（基站）对多（模块）通信。

5 构建能耗在线监测平台信息管理系统

5.1 软件功能设计

能源在线监测系统平台总体架构遵循SOA 设计理念，采用多层分布式体系架构，在具体实现技术的选择上，针对本项目的功能需求，系统采用C++和JAVA 混合的技术路线。其中系统的采集计算平台主要面向采集设备，对于系统的性能、实时性、稳定性和可靠性要求较高，采用 C++技术实现；系统中的数据应用主要面向操作人员实现管理分析功能，对于系统的易用性、易维护性和功能的可扩展性要求较高，采用Java EE 技术实现。

5.2 软件系统功能特点

5.2.1 能耗在线监测系统功能

通过采集安装在现场的各种智能表计、DCS/ERP 等系统提供的能耗数据、生产过程数据、设备状态数据、质量数据等，上送至系统主站中，包含电、水、汽、热等能源数据的采集和手工补录、集中器电表等设备的运行状态、越限告警、异常告警等。

5.2.2 实时监测功能

可根据实际配电系统组态模拟高压系统图、低压线路图，对高压、低压回路进行实时监控，监测电度、电流、电压、有功功率、无功功率、功率因素等参数。

5.2.3 能源数据的分析功能

通过对不同对象的数据及趋势曲线分析，有助于管理者了解各个能源系统的工作状态，并迅速做出决策。

5.2.4 能耗报警管理功能

通过能耗分析系统智能感知，将能耗异常（用能定额超标、待机能耗、夜间常流水等）通知相关责任人。

5.2.5 报表打印功能

该系统不单能够实现标准模板的打印，同时可以实现自定义数据功能。客户可以对各类报表进行自定义管理、显示，并能够实现全图形、全汉化的显示和打印功能，人机界面较好。系统采用交互式、多窗口技术，可以方便快捷进行窗口调用。

5.2.6 后台管理功能

包含档案维护、权限管理、设备管理等功能。

6 实施效果

能耗在线监测平台在柴里煤矿实现自动化操作以来，不仅减少人工投入，还大大提高数据的时效性和准确性，据测算，每年可节省电、汽、水抄录、汇总等人工费用90 余万元。

2020 年综合能耗6.02 kgce/t，较去年同期（8.50 kgce/t）下降2.48 kgce/t，能源消费量5404 tce，较去年同期（6380 tce）下降976 tce，初步测算节能效率达15%，节约能源消耗成本70 余万元。日常对水、电、蒸汽费用的消耗情况进行实时预警，有效地降低了各项成本费用的支出，合计降低557.75万元。