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淺談物聯網架構下的校園能耗監測系統設計方案

更新時間：2023-03-08

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胡冠楠

上海嘉定安科瑞電氣股份有限公司

摘要：針對目前校園電能監測現狀，設計了一種基于物聯網架構的校園電能監測系統。介紹了校園電能監測系統的各功能模塊組成結構，并給出了后臺工程管理模塊的設計，即基于后臺工程化管理，通過設備建模、組織建模的方式來管理整個電能監測系統。系統支持多種終端設備的遠程訪問，在軟件設計和電能監測管理方面具有一定的先進性。

關鍵詞：物聯網架構：電能監測；設備建模

0.引言

目前大部分院校只能通過自動抄表系統查看校園整個用電能耗，并不能實時監測各建筑、房間電能消耗情況，無法適應節能型校園的發展要求，因此需要在校園中應用電能監測系統，科學的管理校園各區域及樓宇的用電情況。目前常見的電能監測的方式有兩種：傳統的手持式抄表機，這種儀表功能單一，攜帶方便，不能夠連續監測，測量勞動強度大，多數不具備綜合測量、分析、判斷功能；電能遠程監測系統采用zigBee、GPRS等無線通信方式，利用Internet網絡對現場數據進行在線連續監測，但這種測量結果展示不夠直觀，且不具備報警、自動診斷等功能。

自從物聯網概念提出以來，物聯網技術已經廣泛應用于能耗監測系統中。本文結合物聯網技術，針對目前校園電能監測的現狀，提出了一種基于物聯網三層架構的校園電能監測系統，系統中感知層的電能采集終端從用電設備上采集電能參數；傳輸層中的智能數據網關完成R$485總線協議與以太網協議的協議轉換，并通過校園網把數據上傳給應用層；應用層的監測中心完成數據的存儲、分析處理，并向客戶端提供Web服務。系統設計融入工程化、模塊化的設計思想。后臺完成設備建模方法實現檢測設備的管理，以組織建模的方法完成設備所屬組織關系的管理，滿足系統對設備多維化、精細化管理需求。同時后臺利用設備模板、組織模板的擴展功能屬性和復用屬性，實現后臺數智能化存儲?？茖W的工程化后臺管理是整個系統的核心，是穩定、極速、人性化的前臺根本保障。

1.系統架構設計

一個完整的電能監測系統可以對電力系統中各項參數進行監測和遠程發布，本文設計的監測系統基于物聯網架構主要分為感知層、傳輸層和應用層三個層次，其網絡拓撲如圖1所

圖1系統網絡拓撲圖

感知層的電能采集終端的作用是將原始電壓、電流信號采集并轉變為數字信號，完成電能參數數據的采集，并通過RS485總線將數據上傳到智能網關。本設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、智能電網多功能電表等。系統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，對應的表具要存在供采集的電流、電壓參數；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，通過校園網上傳給應用層。智能數據網關通過RS485總線接收數據，完成RS485總線協議與以太網協議之間的轉換，將終端電表上傳來的實時數據進行本地分析，并通過校園網將數據壓縮打包上傳至應用層。網關根據系統策略分整點數據上報、異常數據上報與修復、網關離線處理等，同時網關還可以實現短時間的數據儲存，當網關與服務器斷開連接時，電表上報的數據將暫時存儲在網關中，當連接正常后再將這些數據上報上去。

應用層的監測中心由平臺服務器、數據庫服務器和客戶端組成。監測中心使用以太網通信協議接收智能數據網關采集上來的數據包，并將數據包存儲到數據庫服務器中。應用服務層采用B/S開發架構，平臺服務器完成與智能數據網關的通信、數據采集、數據解析、數據保存工作，并向客戶端提供Web服務。數據庫服務器提供數據的可靠存儲和查詢等任務?？蛻舳斯┯脩舴奖愕赝瓿蒞eb瀏覽。本系統支持多種客戶端終端設備如計算機、平板電腦、智能手機等，可供用戶隨時監測校園內的用電情況。同時，平臺服務器還可以把數據存儲在云端，提供云服務，方便用戶的遠程訪問。

2.系統功能模塊組成

本設計的功能模塊分為數據采集與存儲模塊、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測系統。

圖2系統功能模塊圖

2.1數據采集與存儲模塊

數據采集模塊完成與智能數據網關的通信、數據采集、解析和保存工作，采用自動、手動相結合的采集方式，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。數據存儲模塊根據上報來的數據進行分類、分項存儲，根據存儲策略，平臺服務器將數據存儲至本地數據庫服務器和遠程(云存儲)數據中心?？蛻舳藢⒄埱笮畔l送給平臺服務器，平臺服務器在和數據庫服務器之間交互后，將處理結果返回給客戶端。

2.2前臺展示模塊

前臺展示模塊設計為實時數據展示、用電明細、用電統計、用電分析、電能定額管理、綜合信息管

理六大模塊。

1)實時數據展示

電能實時數據展示以秒為單位對監測電表和參數實時顯示。數據展示采用可縮放矢量圖形(SVG)技術設計表頭和24h數據實時展示。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。多頁多條數據可上下翻頁顯示等功能。24h實時數據設計根據參數不同，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。用戶可以根據條件查詢房間所屬部門、電表起始示數、電表終止示數、用電度數、用電類型(性質)、表地址(倍率)及通信時間等明細信息，并根據需要導出查詢明細，導出格式為PDF、CVS等。部門能耗明細可以提供各組織部門的用電明細。用戶可以根據條件查詢部門所在房間、電表起始示數、電表終止示數、用電度數、用電類型(性質)、表地址(倍率)及通信時間等明細信息，并根據需要導出查詢明細，導出格式為PDF、CvS等。

3)用電統計

用電統計是為了讓用戶更好地了解能耗的使用情況，為節能提供良好的保障。從使用者角度考慮系統分為建筑用電統計和部門用電統計兩種統計方式。建筑用電統計是以設備物理原始位置為統計方式，部門用電統計是根據后臺系統的用電屬性，按組織劃分的統計方式，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、按用電分項幾個分項，使數據顯示更為直觀。

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構分析三部分。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；能耗結構分析體現了各能耗類型在總耗能內的分布比例。

6)綜合信息管理

系統對能耗的綜合管理，包括綜合信息預覽、基礎信息管理兩個部分。綜合信息預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運行的核心和基礎，軟件通過設備模板建模，組織機構建模實現設備的管理和組織機構的管理，系統通過軟件建模實現公用接口，可向第三方提供接口，進行二次開發和對接服務。后臺工程管理模塊分為設備模板、設備管理、組織機構、系統維護四個部分。

3.后臺工程管理模塊設計

后臺工程管理完成從數據網關數據接收、數據整理、采集設備的管理、設備模板的配置、組織管理、系統使用者的權限分配、系統維護等。設備管理、組織管理好壞直接影響到前臺數據展示的合理性、科學性，及數據展示的效果。設備管理、組織管理的核心又是設備管理建模的設計和組織管理模板建模的設計。

3.1設備模板

設備模板功能屬性及方法設計如圖3所示。

圖3設備模板功能屬性及方法設計圖

設備模板是設備管理的基礎，也是整個工程管理的焦點。設備模板設計的是否合理、是否全面，關系到整個系統的科學合理性。設備模板的設計核心又是設備模板建模、設備變量的設計。本設備模板變量設計分4個主要模塊：

(1)變量基本信息設計如表1所示。

(2)變量通信參數設計如表2所示。

(3)變量報警參數設計如表3所示。

(4)變量濾波參數設計如表4所示。

3.2設備管理

設備管理功能屬性及方法設計如圖4所示。

設備管理是基于物理節點建立的樹形結構樹，用于管理現實中的組織機構。如同設備管理是現實校園的工程或管理人員只需要根據實際工程建立目錄樹，添加相應設備，選擇相應設備模板即可。

3.3組織機構

組織機構中的設備在系統中的映射，組織機構是現實中的組織機構(學院、部門、科室等)在系統中的映射。通過組織機構的建立，可以對不同的組織分配不同的權限，管理相應的設備。

3.4系統維護

系統維護選項用于維護系統。校園的系統管理者查看在線網關、在線設備等，觀察其運行信息，及時發現問題并及時解決；查看在線用戶，觀察用戶的登錄狀態信息；查看在線設備和在線網關的實時報文，以判斷這些網關或設備所處的狀態，可以在平臺上調試數據庫信息，查看數據庫狀態。

4.安科瑞建筑能耗分析系統

4.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系統是用戶端能源管理分析系統，在電能管理系統的基礎上增加了對水、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計，以直觀的數據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慣，有效節約能源，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶可按照國家有關規定實施能源計算，分析現狀，查找問題，挖掘節能潛力，提出切實可行的節能措施，并向縣級以上管理節能工作的部門報送能源計算報告。

4.2應用場所

適用于公共建筑、集團公司、工業園區、大型物業、學校、醫院、企業等不同行業的能耗監測與管理的系統設計、施工和運行維護。

4.3系統功能

4.3.1系統概況

平臺運行狀態，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時、逐月曲線，當日，當月能耗同比分析滾動顯示。

4.3.2用能概況

對建筑、部門、區域、支路、分類分項等用能進行對比，支持當日逐時趨勢、當月逐日趨勢曲線、分時段能耗統計對比、總能耗同環比對比。