王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對目前校園電能監(jiān)測現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的校園電能監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了校園電能監(jiān)測系統(tǒng)的各功能模塊組成結(jié)構(gòu)，并給出了后臺工程管理模塊的設(shè)計，即基于后臺工程化管理，通過設(shè)備建模、組織建模的方式來管理整個電能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)支持多種終端設(shè)備的遠程訪問，在軟件設(shè)計和電能監(jiān)測管理方面具有一定的先進性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)：電能監(jiān)測；設(shè)備建模

0.引言

   目前大部分院校只能通過自動抄表系統(tǒng)查看校園整個用電能耗，并不能實時監(jiān)測各建筑、房間電能消耗情況，無法適應(yīng)節(jié)能型校園的發(fā)展要求，因此需要在校園中應(yīng)用電能監(jiān)測系統(tǒng)，科學(xué)的管理校園各區(qū)域及樓宇的用電情況。目前常見的電能監(jiān)測的方式有兩種：傳統(tǒng)的手持式抄表機，這種儀表功能單一，攜帶方便，不能夠連續(xù)監(jiān)測，測量勞動強度大，多數(shù)不具備綜合測量、分析、判斷功能；電能遠程監(jiān)測系統(tǒng)采用zigBee、GPRS等無線通信方式，利用Internet網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行在線連續(xù)監(jiān)測，但這種測量結(jié)果展示不夠直觀，且不具備報警、自動診斷等功能。

    自從物聯(lián)網(wǎng)概念提出以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于能耗監(jiān)測系統(tǒng)中。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對目前校園電能監(jiān)測的現(xiàn)狀，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的校園電能監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)中感知層的電能采集終端從用電設(shè)備上采集電能參數(shù)；傳輸層中的智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)完成R$485總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并通過校園網(wǎng)把數(shù)據(jù)上傳給應(yīng)用層；應(yīng)用層的監(jiān)測中心完成數(shù)據(jù)的存儲、分析處理，并向客戶端提供Web服務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計融入工程化、模塊化的設(shè)計思想。后臺完成設(shè)備建模方法實現(xiàn)檢測設(shè)備的管理，以組織建模的方法完成設(shè)備所屬組織關(guān)系的管理，滿足系統(tǒng)對設(shè)備多維化、精細化管理需求。同時后臺利用設(shè)備模板、組織模板的擴展功能屬性和復(fù)用屬性，實現(xiàn)后臺數(shù)智能化存儲?？茖W(xué)的工程化后臺管理是整個系統(tǒng)的核心，是穩(wěn)定、極速、人性化的前臺根本保障。

1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

    一個完整的電能監(jiān)測系統(tǒng)可以對電力系統(tǒng)中各項參數(shù)進行監(jiān)測和遠程發(fā)布，本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個層次，其網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

    感知層的電能采集終端的作用是將原始電壓、電流信號采集并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，完成電能參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，并通過RS485總線將數(shù)據(jù)上傳到智能網(wǎng)關(guān)。本設(shè)計的電能采集終端可以支持多種電表，如三相四線電子式有功電能表、單相遠程費控智能電表、智能電網(wǎng)多功能電表等。系統(tǒng)中一些功能是建立在特定表具上的，例如：電流、電壓的趨勢分析，對應(yīng)的表具要存在供采集的電流、電壓參數(shù)；功率趨勢分析也需要可提供功率變量的表具。

    傳輸層的功能是把來自感知層的信息進行接入和傳輸，通過校園網(wǎng)上傳給應(yīng)用層。智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通過RS485總線接收數(shù)據(jù)，完成RS485總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，將終端電表上傳來的實時數(shù)據(jù)進行本地分析，并通過校園網(wǎng)將數(shù)據(jù)壓縮打包上傳至應(yīng)用層。網(wǎng)關(guān)根據(jù)系統(tǒng)策略分整點數(shù)據(jù)上報、異常數(shù)據(jù)上報與修復(fù)、網(wǎng)關(guān)離線處理等，同時網(wǎng)關(guān)還可以實現(xiàn)短時間的數(shù)據(jù)儲存，當(dāng)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器斷開連接時，電表上報的數(shù)據(jù)將暫時存儲在網(wǎng)關(guān)中，當(dāng)連接正常后再將這些數(shù)據(jù)上報上去。

    應(yīng)用層的監(jiān)測中心由平臺服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶端組成。監(jiān)測中心使用以太網(wǎng)通信協(xié)議接收智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)采集上來的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。應(yīng)用服務(wù)層采用B/S開發(fā)架構(gòu)，平臺服務(wù)器完成與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存工作，并向客戶端提供Web服務(wù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供數(shù)據(jù)的可靠存儲和查詢等任務(wù)。客戶端供用戶方便地完成Web瀏覽。本系統(tǒng)支持多種客戶端終端設(shè)備如計算機、平板電腦、智能手機等，可供用戶隨時監(jiān)測校園內(nèi)的用電情況。同時，平臺服務(wù)器還可以把數(shù)據(jù)存儲在云端，提供云服務(wù)，方便用戶的遠程訪問。

2.系統(tǒng)功能模塊組成

   本設(shè)計的功能模塊分為數(shù)據(jù)采集與存儲模塊、前臺展示模塊和后臺工程管理模塊三個部分，系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。后臺的工程管理模塊支持前臺的展示和管理整個電能計量監(jiān)測系統(tǒng)。圖2系統(tǒng)功能模塊圖

2.1數(shù)據(jù)采集與存儲模塊

   數(shù)據(jù)采集模塊完成與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的通信、數(shù)據(jù)采集、解析和保存工作，采用自動、手動相結(jié)合的采集方式，并對通信過程提供完善的日志管理、事件管理和故障檢測機制。數(shù)據(jù)存儲模塊根據(jù)上報來的數(shù)據(jù)進行分類、分項存儲，根據(jù)存儲策略，平臺服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲至本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和遠程(云存儲)數(shù)據(jù)中心。客戶端將請求信息發(fā)送給平臺服務(wù)器，平臺服務(wù)器在和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間交互后，將處理結(jié)果返回給客戶端。

2.2前臺展示模塊

   前臺展示模塊設(shè)計為實時數(shù)據(jù)展示、用電明細、用電統(tǒng)計、用電分析、電能定額管理、綜合信息管

理六大模塊。

1)實時數(shù)據(jù)展示

   電能實時數(shù)據(jù)展示以秒為單位對監(jiān)測電表和參數(shù)實時顯示。數(shù)據(jù)展示采用可縮放矢量圖形(SVG)技術(shù)設(shè)計表頭和24h數(shù)據(jù)實時展示。展示效果更逼真、直觀。表頭模仿真實表頭，功能、液晶屏效果。表頭液晶屏功能輪顯方式。多頁多條數(shù)據(jù)可上下翻頁顯示等功能。24h實時數(shù)據(jù)設(shè)計根據(jù)參數(shù)不同，分為柱狀圖展示、餅圖顯示和曲線圖展示。

2)用電明細

   建筑用電明細可以提供每棟樓及其各房間的用電明細。用戶可以根據(jù)條件查詢房間所屬部門、電表起始示數(shù)、電表終止示數(shù)、用電度數(shù)、用電類型(性質(zhì))、表地址(倍率)及通信時間等明細信息，并根據(jù)需要導(dǎo)出查詢明細，導(dǎo)出格式為PDF、CVS等。部門能耗明細可以提供各組織部門的用電明細。用戶可以根據(jù)條件查詢部門所在房間、電表起始示數(shù)、電表終止示數(shù)、用電度數(shù)、用電類型(性質(zhì))、表地址(倍率)及通信時間等明細信息，并根據(jù)需要導(dǎo)出查詢明細，導(dǎo)出格式為PDF、CvS等。

3)用電統(tǒng)計

    用電統(tǒng)計是為了讓用戶更好地了解能耗的使用情況，為節(jié)能提供良好的保障。從使用者角度考慮系統(tǒng)分為建筑用電統(tǒng)計和部門用電統(tǒng)計兩種統(tǒng)計方式。建筑用電統(tǒng)計是以設(shè)備物理原始位置為統(tǒng)計方式，部門用電統(tǒng)計是根據(jù)后臺系統(tǒng)的用電屬性，按組織劃分的統(tǒng)計方式，主要包括用電年度臺賬、用電月度臺賬、用電年度匯總、用電月度匯總等。

4)用電分析

    建筑能耗分析和部門用電分析中通過圖文結(jié)合的方式提供查詢分析，包括按建筑比較、按建筑逐日、按建筑逐月、按用電性質(zhì)、按用電分項幾個分項，使數(shù)據(jù)顯示更為直觀。

5)電能定額管理

   電能定額管理是通過配置定額信息對能源進行定額管理的一個過程。包括定額一覽、定額使用明細和能耗結(jié)構(gòu)分析三部分。定額管理中包括上一級部門信息、本部門信息和定額信息，是通過對部門基本信息的管理進行能源的定額分配；定額分配明細是本年度部門能源分配和使用的明細情況；能耗結(jié)構(gòu)分析體現(xiàn)了各能耗類型在總耗能內(nèi)的分布比例。

6)綜合信息管理

   系統(tǒng)對能耗的綜合管理，包括綜合信息預(yù)覽、基礎(chǔ)信息管理兩個部分。綜合信息預(yù)覽中顯示實時用電電表分布、本年部門用電排名等信息。基礎(chǔ)信息管理中顯示用電分項配置列表、電表倍率查詢列表等信息。

2.3后臺工程管理模塊

   后臺工程管理是系統(tǒng)運行的核心和基礎(chǔ)，軟件通過設(shè)備模板建模，組織機構(gòu)建模實現(xiàn)設(shè)備的管理和組織機構(gòu)的管理，系統(tǒng)通過軟件建模實現(xiàn)公用接口，可向第三方提供接口，進行二次開發(fā)和對接服務(wù)。后臺工程管理模塊分為設(shè)備模板、設(shè)備管理、組織機構(gòu)、系統(tǒng)維護四個部分。

3.后臺工程管理模塊設(shè)計

   后臺工程管理完成從數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)整理、采集設(shè)備的管理、設(shè)備模板的配置、組織管 理、系統(tǒng)使用者的權(quán)限分配、系統(tǒng)維護等。設(shè)備管理、組織管理好壞直接影響到前臺數(shù)據(jù)展示的合理性、科學(xué)性，及數(shù)據(jù)展示的效果。設(shè)備管理、組織管理的核心又是設(shè)備管理建模的設(shè)計和組織管理模板建模的設(shè)計。

3.1設(shè)備模板

    設(shè)備模板是設(shè)備管理的基礎(chǔ)，也是整個工程管理的焦點。設(shè)備模板設(shè)計的是否合理、是否全面，關(guān)系到整個系統(tǒng)的科學(xué)合理性。設(shè)備模板的設(shè)計核心又是設(shè)備模板建模、設(shè)備變量的設(shè)計。本設(shè)備模板變量設(shè)計分4個主要模塊：

(1)變量基本信息設(shè)計如表1所示。

(2)變量通信參數(shù)設(shè)計如表2所示。

(3)變量報警參數(shù)設(shè)計如表3所示。

(4)變量濾波參數(shù)設(shè)計如表4所示。

3.2設(shè)備管理

   設(shè)備管理功能屬性及方法設(shè)計如圖4所示。

   設(shè)備管理是基于物理節(jié)點建立的樹形結(jié)構(gòu)樹，用于管理現(xiàn)實中的組織機構(gòu)。如同設(shè)備管理是現(xiàn)實校園的工程或管理人員只需要根據(jù)實際工程建立目錄樹，添加相應(yīng)設(shè)備，選擇相應(yīng)設(shè)備模板即可。

3.3組織機構(gòu)

   組織機構(gòu)中的設(shè)備在系統(tǒng)中的映射，組織機構(gòu)是現(xiàn)實中的組織機構(gòu)(學(xué)院、部門、科室等)在系統(tǒng)中的映射。通過組織機構(gòu)的建立，可以對不同的組織分配不同的權(quán)限，管理相應(yīng)的設(shè)備。

3.4系統(tǒng)維護

   系統(tǒng)維護選項用于維護系統(tǒng)。校園的系統(tǒng)管理者查看在線網(wǎng)關(guān)、在線設(shè)備等，觀察其運行信息，及時發(fā)現(xiàn)問題并及時解決；查看在線用戶，觀察用戶的登錄狀態(tài)信息；查看在線設(shè)備和在線網(wǎng)關(guān)的實時報文，以判斷這些網(wǎng)關(guān)或設(shè)備所處的狀態(tài)，可以在平臺上調(diào)試數(shù)據(jù)庫信息，查看數(shù)據(jù)庫狀態(tài)。

4.安科瑞建筑能耗分析系統(tǒng)

4.1概述

   Acrel-5000web建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國家有關(guān)規(guī)定實施能源計算，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計算報告。

4.2應(yīng)用場所

   適用于公共建筑、集團公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測與管理的系統(tǒng)設(shè)計、施工和運行維護。

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1系統(tǒng)概況

  平臺運行狀態(tài)，當(dāng)月能耗折算、地圖導(dǎo)航，各能耗逐時、逐月曲線，當(dāng)日，當(dāng)月能耗同比分析滾動顯示。

4.3.2用能概況

  對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項等用能進行對比，支持當(dāng)日逐時趨勢、當(dāng)月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計對比、總能耗同環(huán)比對比。

4.3.3用能統(tǒng)計

  對建筑、區(qū)域、分項、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進行統(tǒng)計，支持報表數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進行生成柱狀圖。

4.3.4復(fù)費率統(tǒng)計

   復(fù)費率報表按日、月、年統(tǒng)計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析。支持數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。

4.3.5同比分析

  對建筑、分項、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結(jié)合的方式進行用能數(shù)據(jù)同比分析。

4.3.6能源流向圖

   能源流向圖展示單棟建筑規(guī)定時段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標值查看。

4.3.7夜間能耗分析

  夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在規(guī)定時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，支持導(dǎo)出報表。

4.3.8設(shè)備管理

   設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運行。

4.3.9用戶報告

   用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結(jié)果，針對用電提供單獨的復(fù)費率用能分析，報告可編輯。

5.系統(tǒng)硬件配置

6.結(jié)語

   文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的校園電能監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，該方案重點以基于后臺工程化管理，用設(shè)備建模、組織建模的方式來管理整個電能監(jiān)測系統(tǒng)，供施工單位、管理人員使用。前臺頁面用于展示和數(shù)據(jù)分析供系統(tǒng)管理者分析使用。本方案在軟件設(shè)計的角度和電能監(jiān)測管理的角度上具有一定的先進性和科學(xué)性。

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