浅谈物联网架构下的校园能耗监测系统设计方案
时间：2023-03-07 阅读：613
韩欢庆
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：针对目前校园电能监测现状，设计了一种基于物联网架构的校园电能监测系统。介绍了校园电能监测系统的各功能模块组成结构，并给出了后台工程管理模块的设计，即基于后台工程化管理，通过设备建模、组织建模的方式来管理整个电能监测系统。系统支持多种终端设备的远程访问，在软件设计和电能监测管理方面具有一定的先进性。
关键词：物联网架构：电能监测；设备建模
0.引言
目前大部分院校只能通过自动抄表系统查看校园整个用电能耗，并不能实时监测各建筑、房间电能消耗情况，无法适应节能型校园的发展要求，因此需要在校园中应用电能监测系统，科学的管理校园各区域及楼宇的用电情况。目前常见的电能监测的方式有两种：传统的手持式抄表机，这种仪表功能单一，携带方便，不能够连续监测，测量劳动强度大，多数不具备综合测量、分析、判断功能；电能远程监测系统采用zigBee、GPRS等无线通信方式，利用Internet网络对现场数据进行在线连续监测，但这种测量结果展示不够直观，且不具备报警、自动诊断等功能。
自从物联网概念提出以来，物联网技术已经广泛应用于能耗监测系统中。本文结合物联网技术，针对目前校园电能监测的现状，提出了一种基于物联网三层架构的校园电能监测系统，系统中感知层的电能采集终端从用电设备上采集电能参数；传输层中的智能数据网关完成R$485总线协议与以太网协议的协议转换，并通过校园网把数据上传给应用层；应用层的监测中心完成数据的存储、分析处理，并向客户端提供Web服务。系统设计融入工程化、模块化的设计思想。后台完成设备建模方法实现检测设备的管理，以组织建模的方法完成设备所属组织关系的管理，满足系统对设备多维化、精细化管理需求。同时后台利用设备模板、组织模板的扩展功能属性和复用属性，实现后台数智能化存储。科学的工程化后台管理是整个系统的核心，是稳定、极速、人性化的前台根本保障。
1.系统架构设计
一个完整的电能监测系统可以对电力系统中各项参数进行监测和远程发布，本文设计的监测系统基于物联网架构主要分为感知层、传输层和应用层三个层次，其网络拓扑如图1所
图1系统网络拓扑图
感知层的电能采集终端的作用是将原始电压、电流信号采集并转变为数字信号，完成电能参数数据的采集，并通过RS485总线将数据上传到智能网关。本设计的电能采集终端可以支持多种电表，如三相四线电子式有功电能表、单相远程费控智能电表、智能电网多功能电表等。系统中一些功能是建立在特定表具上的，例如：电流、电压的趋势分析，对应的表具要存在供采集的电流、电压参数；功率趋势分析也需要可提供功率变量的表具。
传输层的功能是把来自感知层的信息进行接入和传输，通过校园网上传给应用层。智能数据网关通过RS485总线接收数据，完成RS485总线协议与以太网协议之间的转换，将终端电表上传来的实时数据进行本地分析，并通过校园网将数据压缩打包上传至应用层。网关根据系统策略分整点数据上报、异常数据上报与修复、网关离线处理等，同时网关还可以实现短时间的数据储存，当网关与服务器断开连接时，电表上报的数据将暂时存储在网关中，当连接正常后再将这些数据上报上去。
应用层的监测中心由平台服务器、数据库服务器和客户端组成。监测中心使用以太网通信协议接收智能数据网关采集上来的数据包，并将数据包存储到数据库服务器中。应用服务层采用B/S开发架构，平台服务器完成与智能数据网关的通信、数据采集、数据解析、数据保存工作，并向客户端提供Web服务。数据库服务器提供数据的可靠存储和查询等任务。客户端供用户方便地完成Web浏览。本系统支持多种客户端终端设备如计算机、平板电脑、智能手机等，可供用户随时监测校园内的用电情况。同时，平台服务器还可以把数据存储在云端，提供云服务，方便用户的远程访问。
2.系统功能模块组成
本设计的功能模块分为数据采集与存储模块、前台展示模块和后台工程管理模块三个部分，系统功能模块图如图2所示。后台的工程管理模块支持前台的展示和管理整个电能计量监测系统。
图2系统功能模块图
2.1数据采集与存储模块
数据采集模块完成与智能数据网关的通信、数据采集、解析和保存工作，采用自动、手动相结合的采集方式，并对通信过程提供完善的日志管理、事件管理和故障检测机制。数据存储模块根据上报来的数据进行分类、分项存储，根据存储策略，平台服务器将数据存储至本地数据库服务器和远程(云存储)数据中心。客户端将请求信息发送给平台服务器，平台服务器在和数据库服务器之间交互后，将处理结果返回给客户端。
2.2前台展示模块
前台展示模块设计为实时数据展示、用电明细、用电统计、用电分析、电能定额管理、综合信息管
理六大模块。
1)实时数据展示
电能实时数据展示以秒为单位对监测电表和参数实时显示。数据展示采用可缩放矢量图形(SVG)技术设计表头和24h数据实时展示。展示效果更逼真、直观。表头模仿真实表头，功能、液晶屏效果。表头液晶屏功能轮显方式。多页多条数据可上下翻页显示等功能。24h实时数据设计根据参数不同，分为柱状图展示、饼图显示和曲线图展示。
2)用电明细
建筑用电明细可以提供每栋楼及其各房间的用电明细。用户可以根据条件查询房间所属部门、电表起始示数、电表终止示数、用电度数、用电类型(性质)、表地址(倍率)及通信时间等明细信息，并根据需要导出查询明细，导出格式为PDF、CVS等。部门能耗明细可以提供各组织部门的用电明细。用户可以根据条件查询部门所在房间、电表起始示数、电表终止示数、用电度数、用电类型(性质)、表地址(倍率)及通信时间等明细信息，并根据需要导出查询明细，导出格式为PDF、CvS等。
3)用电统计
用电统计是为了让用户更好地了解能耗的使用情况，为节能提供良好的保障。从使用者角度考虑系统分为建筑用电统计和部门用电统计两种统计方式。建筑用电统计是以设备物理原始位置为统计方式，部门用电统计是根据后台系统的用电属性，按组织划分的统计方式，主要包括用电年度台账、用电月度台账、用电年度汇总、用电月度汇总等。
4)用电分析
建筑能耗分析和部门用电分析中通过图文结合的方式提供查询分析，包括按建筑比较、按建筑逐日、按建筑逐月、按用电性质、按用电分项几个分项，使数据显示更为直观。
5)电能定额管理
电能定额管理是通过配置定额信息对能源进行定额管理的一个过程。包括定额一览、定额使用明细和能耗结构分析三部分。定额管理中包括上一级部门信息、本部门信息和定额信息，是通过对部门基本信息的管理进行能源的定额分配；定额分配明细是本年度部门能源分配和使用的明细情况；能耗结构分析体现了各能耗类型在总耗能内的分布比例。
6)综合信息管理
系统对能耗的综合管理，包括综合信息预览、基础信息管理两个部分。综合信息预览中显示实时用电电表分布、本年部门用电排名等信息。基础信息管理中显示用电分项配置列表、电表倍率查询列表等信息。
2.3后台工程管理模块
后台工程管理是系统运行的核心和基础，软件通过设备模板建模，组织机构建模实现设备的管理和组织机构的管理，系统通过软件建模实现公用接口，可向第三方提供接口，进行二次开发和对接服务。后台工程管理模块分为设备模板、设备管理、组织机构、系统维护四个部分。
3.后台工程管理模块设计
后台工程管理完成从数据网关数据接收、数据整理、采集设备的管理、设备模板的配置、组织管 理、系统使用者的权限分配、系统维护等。设备管理、组织管理好坏直接影响到前台数据展示的合理性、科学性，及数据展示的效果。设备管理、组织管理的核心又是设备管理建模的设计和组织管理模板建模的设计。
3.1设备模板
设备模板功能属性及方法设计如图3所示。
图3设备模板功能属性及方法设计图
设备模板是设备管理的基础，也是整个工程管理的焦点。设备模板设计的是否合理、是否全面，关系到整个系统的科学合理性。设备模板的设计核心又是设备模板建模、设备变量的设计。本设备模板变量设计分4个主要模块：
(1)变量基本信息设计如表1所示。
(2)变量通信参数设计如表2所示。
(3)变量报警参数设计如表3所示。
(4)变量滤波参数设计如表4所示。
3.2设备管理
设备管理功能属性及方法设计如图4所示。
设备管理是基于物理节点建立的树形结构树，用于管理现实中的组织机构。如同设备管理是现实校园的工程或管理人员只需要根据实际工程建立目录树，添加相应设备，选择相应设备模板即可。
3.3组织机构
组织机构中的设备在系统中的映射，组织机构是现实中的组织机构(学院、部门、科室等)在系统中的映射。通过组织机构的建立，可以对不同的组织分配不同的权限，管理相应的设备。
3.4系统维护
系统维护选项用于维护系统。校园的系统管理者查看在线网关、在线设备等，观察其运行信息，及时发现问题并及时解决；查看在线用户，观察用户的登录状态信息；查看在线设备和在线网关的实时报文，以判断这些网关或设备所处的状态，可以在平台上调试数据库信息，查看数据库状态。
4.安科瑞建筑能耗分析系统
4.1概述
Acrel-5000web建筑能耗分析系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。用户可按照国家有关规定实施能源计算，分析现状，查找问题，挖掘节能潜力，提出切实可行的节能措施，并向县级以上管理节能工作的部门报送能源计算报告。
4.2应用场所
适用于公共建筑、集团公司、工业园区、大型物业、学校、医院、企业等不同行业的能耗监测与管理的系统设计、施工和运行维护。
4.3系统功能
4.3.1系统概况
平台运行状态，当月能耗折算、地图导航，各能耗逐时、逐月曲线，当日，当月能耗同比分析滚动显示。
4.3.2用能概况
对建筑、部门、区域、支路、分类分项等用能进行对比，支持当日逐时趋势、当月逐日趋势曲线、分时段能耗统计对比、总能耗同环比对比。
4.3.3用能统计
对建筑、区域、分项、支路等结构按日、月、年报表的形式统计对分类能源用能进行统计，支持报表数据导出EXCEL，支持选择建筑数据进行生成柱状图。
4.3.4复费率统计
复费率报表按日、月、年统计对单栋建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析。支持数据导出到EXCEL。
4.3.5同比分析
对建筑、分项、区域、支路等用能按日、月、年以图形和报表结合的方式进行用能数据同比分析。
4.3.6能源流向图
能源流向图展示单栋建筑时段内各类能源从源头到末端的的能源流向，支持按原始值和折标值查看。
4.3.7夜间能耗分析
夜间能耗以表格、曲线、饼图等形式对选择支路分类能源在时段工作时间与非工作时间用能统计对比，支持导出报表。
4.3.8设备管理
设备管理包括，设备类型、设备台账、维保记录等功能。辅助用户合理管理设备，确保设备的运行。
4.3.9用户报告
用户报告针对选定的建筑自动统计各能源的月使用的同环比趋势，并提供简单的能耗分析结果，针对用电提供单独的复费率用能分析，报告可编辑。
5.系统硬件配置
6.结语
文中提出了一种基于物联网架构的校园电能监测系统解决方案，该方案重点以基于后台工程化管理，用设备建模、组织建模的方式来管理整个电能监测系统，供施工单位、管理人员使用。前台页面用于展示和数据分析供系统管理者分析使用。本方案在软件设计的角度和电能监测管理的角度上具有一定的先进性和科学性。
参考文献
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[6]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.
作者介绍：
韩欢庆，女，本科，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为建筑能耗系统的设计与应用