摘要：隨著科學技術的發(fā)展，我國的物聯(lián)網技術有了很大進展。為了提升電力抄表服務的穩(wěn)定性，保障電力抄表數(shù)據(jù)的可靠性，本文提出并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網的智能電力抄表服務平臺，結合云計算、大數(shù)據(jù)等技術，提供電力集抄、能耗管理、電氣安全、預付費、智能運維等多種數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)監(jiān)控、告警、運維的信息化、自動化和智能化。
一、引言
隨著智能電網技術和物聯(lián)網技術的發(fā)展，使用2G/4G/NB-IOT網絡進行電網抄表數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務發(fā)展迅速。由于電網抄表終端分布區(qū)域廣，經常出現(xiàn)因終端斷電、終端異常、網絡弱覆蓋等問題，導致遠程電力抄表設備無法正常傳輸數(shù)據(jù)，影響抄表數(shù)據(jù)及時回傳[1-3]。為了提升電力抄表服務的穩(wěn)定性，保障電力抄表數(shù)據(jù)的可靠性，本文設計并實現(xiàn)一種基于物聯(lián)網的智能電力抄表服務平臺，運用大數(shù)據(jù)和云計算技術，建立上下行數(shù)據(jù)標準，提供電力集抄、能耗管理、電氣安全、預付費、智能運維、智能照明等多種數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)監(jiān)控、告警、運維的信息化、自動化和智能化。
二、關鍵技術
2.1物聯(lián)網技術
物聯(lián)網(internet of things，IoT)技術作為嵌入式技術、網絡技術和軟件技術的交叉領域，被定義為利用紅外線傳感器、射頻識別、GPS等通信技術按照一定協(xié)現(xiàn)智能交互的網絡[3]。
一般認為物聯(lián)網結構可分為感知層、網絡層與應用層3個層次：感知層主要包括計量傳感設備;網絡層包括網絡的協(xié)議棧及其軟硬件實現(xiàn);應用層包括集中式或分布式的云計算平臺以及用戶應用軟件等，是“物”與用戶直接進行交互的部分。
物聯(lián)網通信協(xié)議分為接入?yún)f(xié)議和傳輸協(xié)議。接入?yún)f(xié)議主要指底層感知層設備間進行通信的協(xié)議。傳輸協(xié)議基于互聯(lián)網的TCP/IP協(xié)議，面向應用層進行數(shù)據(jù)交換，常見的物聯(lián)網傳輸協(xié)議為MQTT協(xié)議。MQTT采用“推送”機制，減輕服務器短時并發(fā)接收數(shù)據(jù)請求的負擔，提供3種服務質量，能在資源受限的網絡中實現(xiàn)設備同遠方系統(tǒng)進行異步合理的通信，本文采用的協(xié)議就是這個。
2.2 MQTT協(xié)議
MQTT(消息隊列遠程傳輸協(xié)議)由IBM在1999年發(fā)布，該協(xié)議構建于TCP/IP協(xié)議上,一種基于發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的"輕量級"通訊協(xié)議,。MQTT的較大優(yōu)點是能夠以較少的代碼和有限的帶寬為遠程連接設備提供實時可靠的消息服務作為低開銷、低帶寬占用的即時通信協(xié)議使其在物聯(lián)網、小型設備、移動應用程序等廣泛的應用。MQTT是基于客戶端-服務器的消息傳遞/訂閱傳輸協(xié)議。QTT協(xié)議實現(xiàn)輕巧、簡單、開放、容易，這些特點使其適用范圍非常廣泛。
MQTT協(xié)議提供一對多的消息發(fā)布,可以降低應用程序的耦合性,用戶只需要編寫較少量的應用代碼就能完成一對多的消息發(fā)布與訂閱,該協(xié)議是基于<客戶端-服務器>模型,在協(xié)議中主要有三種身份：發(fā)布者(Publisher)、服務器(Broker)以及訂閱者(Subscriber)。其中，MQTT消息的發(fā)行者和訂閱者是客戶端服務器作為中繼的存在，只是將發(fā)布者發(fā)出的消息轉發(fā)給訂閱該主題的所有訂閱者，發(fā)布者可以發(fā)布該權限內的所有主題，消息發(fā)布者同時是訂閱者，實現(xiàn)生產者和消費者的解耦所發(fā)出的消息可以同時被多個訂閱者預訂。
三、系統(tǒng)整體方案設計
能源物聯(lián)網以能源供應、能源管理、設備管理、能耗分析的能源流向為主線，將能源生產加工、分配傳輸、消耗、節(jié)能各個環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，結合人與物的互聯(lián)，構成以安科瑞產品為媒介的能源物聯(lián)網生態(tài)圈，其中物聯(lián)網硬件和能源參與者分別以數(shù)據(jù)流形式和業(yè)務流的形式與平臺交互。
3.1組網結構
Acrel-EIoT能源物聯(lián)網云平臺采用分層分布式結構，主要由感知層(終端采集設備)、網絡層(通訊管理終端)和平臺層(能源物聯(lián)網云平臺)三個部分組成。
● 感知層：連接于網絡中的各類傳感器，包括多功能儀表、預付費電表、多回路儀表、物聯(lián)網電表、物聯(lián)網水表、電瓶車充電樁、汽車充電樁、路燈控制器等。
● 網絡層：智能網關，采集感知層的數(shù)據(jù)，進行規(guī)約轉換及存儲之后將數(shù)據(jù)上傳至能源物聯(lián)網云平臺。
● 平臺層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，可在PC端或移動端實現(xiàn)應用。
3.2平臺架構
Acrel-EIoT能源物聯(lián)網云平臺的系統(tǒng)網絡結構采用分層分布式的結構，系統(tǒng)包括：感知層、數(shù)據(jù)層、應用層、表現(xiàn)層和運營層。系統(tǒng)架構圖如圖所示。
傳感器層包括了我司的各類產品，是整個系統(tǒng)的較底層，也是構建該能源物聯(lián)網云平臺必要的基本組成元素，主要有多功能儀表、預付費電表、多回路儀表、物聯(lián)網電表、物聯(lián)網水表、電瓶車充電樁、汽車充電樁、路燈控制器等設備。
中間的數(shù)據(jù)處理平臺主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)交互的工作，為了保證整個綜合平臺的數(shù)據(jù)處理能力，我們將實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)分別存儲在不同的庫中，并提供多種接口實現(xiàn)與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。
上層的應用層是指Acrel-EIoT能源物聯(lián)網云平臺，主要實現(xiàn)各種功能應用，平臺按照能源的流向分為能源供應、能源管理、設備管理和能耗分析4大板塊，其中能源供應包括電力集抄、智能運維子模塊，能源管理包括安全用電、電能質量子模塊，設備管理包括智能照明、預付費、充電樁子模塊，能耗分析包括能源管理、增值服務子模塊。平臺通過web和app的方式為用戶提供人機交互的界面，運營層的各類用戶可以通過這兩種方式實現(xiàn)平臺的訪問與操作。
四、平臺功能
4.1、能源供應
4.1.1 電力集抄功能模塊
隨著信息網絡技術的不斷發(fā)展，各類規(guī)模大小不等，設備種類、數(shù)量不同的含網絡設備機房廣泛分布于用戶各分支機構所在地域，由于欠缺與運行網絡的規(guī)模體系相對稱的監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)量眾多的無人值守機房的物理運行環(huán)境狀況、設備運行狀況、人員活動狀況以及消防狀況的變化包括可能出現(xiàn)的危急狀況，均無法得到及時的發(fā)現(xiàn)和處理，也就很難被合理預見、防范和避免。因此在配電室內安裝環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)配電室內環(huán)境的在線監(jiān)測，保障配電室設備的穩(wěn)定運行很有必要。
電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理;在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設備運行(包括歷史和實時參數(shù))，并根據(jù)實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。
4.1.2 智能運維功能模塊
據(jù)統(tǒng)計全國高供高計的工商業(yè)用戶數(shù)量達到200多萬戶，規(guī)模巨大，但是大部分日常的運行維護工作比較傳統(tǒng)，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障搶修時間長、風險預防薄弱等問題。國網公司和眾多電力運維公司正在搶占這塊巨大的市場，這是一個千億級別的市場。
智能運維模塊采用多功能電力儀表、無線通信、邊緣計算網關及大數(shù)據(jù)分析技術，通過智能網關采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并存儲在本地，再定時向云平臺推送數(shù)據(jù)。平臺可同時接入數(shù)以千計的用戶變電站數(shù)據(jù)。平臺采集的數(shù)據(jù)包括變電所電氣參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，包括電流電壓功率、開關狀態(tài)、變壓器溫度、環(huán)境溫濕度、煙霧、浸水、視頻、門禁等信息，有異常發(fā)生10S內通過短信和APP發(fā)出告警信號。平臺通過手機APP下發(fā)運維任務到運維人員手機上，并通過GPS跟蹤運維執(zhí)行過程進行閉環(huán)，提高運維效率，即時發(fā)現(xiàn)運行缺陷并做消缺處理。
4.2、能源管理
4.2.1 安全用電功能模塊
據(jù)應急管理部網站數(shù)據(jù)，2016~2018年期間因為電氣原因導致的火災占總數(shù)的30%~34%左右，其中2018年全國共接報火災23.7萬起，因違反電氣安裝使用規(guī)定引發(fā)的火災占總數(shù)的34.6%，較大和重大火災事故中，電氣火災的比例更高。國務院、公安部消防局以及各省市自治區(qū)直轄市紛紛出臺文件推廣使用智慧用電，從源頭上預防電氣火災的發(fā)生，現(xiàn)安全用電管理平臺已在九小場所、三合一場所、養(yǎng)老福利院、醫(yī)療場所、學校、金融網點等人員密集場所廣泛開展。
安全用電管理模塊對電氣引發(fā)火災的主要因素(線纜溫度、漏電電流、負荷電流、電壓)進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，通過2G/NB-IOT/4G方式采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實時發(fā)現(xiàn)電氣線路和用電設備存在的安全隱患(如：線纜溫度異常、過載、過壓、欠壓及漏電等)并通過短信、APP推送、自動語音呼叫等方式及時預警，合理防止電氣火災的發(fā)生。系統(tǒng)可以顯示所有監(jiān)測點位的漏電電流等電氣參數(shù)和線纜溫度，并支持巡檢記錄和派單操作，提供安全隱患分析報告，實時評估企業(yè)用電安全狀態(tài)。
4.2.2 電能質量功能模塊
電能質量問題越來越受到關注，已成為電力系統(tǒng)的研究熱點之一。一方面，隨著科學技術的發(fā)展，各種復雜用電設備的廣泛應用，這些設備很大部分對電能質量非常敏銳;另一方面，電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和用電需求的快速增加，導致電能質量變的非常不穩(wěn)定。對電能質量分析的主要目的是確定電能信號擾動的類型和范圍，并對相應的擾動源進行合理的調節(jié)和補償。因此，改良和提高電能質量的關鍵在于及時、準確地獲取各種擾動信號源的信息。
電能質量監(jiān)測，包括三項不平衡度、諧波、功率因數(shù)，以矢量圖的形式展示三相不平衡度。三項不平衡或功率因數(shù)過低時產生報警，觸發(fā)APP、手機短信、郵件、釘釘、語音等多種方式提醒。
4.3、設備管理
4.3.1 智能照明功能模塊
隨著人們生活水平的不斷提高，人們對工作和生活環(huán)境的要求越來越高，同時對照明系統(tǒng)的要求也越來越高。照明領域的能源消耗在總的能源消耗中占了相當大的比例，節(jié)約能源和提高照明質量是當務之急。照明用電作為電力消耗的重要部分，已經占到了電力消耗的10%左右，并隨著我國國民經濟的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，照明用電還將不斷增加。
智能照明通過物聯(lián)網技術對安裝在城市各區(qū)域照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測。平臺通過監(jiān)測照明線路的電流和電壓值來判斷燈具的工作情況，任何不正常的工作狀態(tài)，平臺都能進行監(jiān)測，預警和報警，預警和報警信息通過手機APP推送，短信，語音外呼、郵件、微信小程序、微信公眾號、釘釘?shù)龋焖俚竭_責任人的身邊，提醒運行人員接觸器跳閘，電源失壓等等。
4.3.2 預付費水電功能模塊
預付費水電功能可以針對各商業(yè)綜合體、小區(qū)、寫字樓、辦公樓、酒店式公寓等物業(yè)，學校、工廠宿舍的后勤管理部門以及連鎖超市、大型物業(yè)分布式財務操作，在線支付，總部財務扎口等。目前預付費水電已經成功在上述各場景得到廣泛的應用并已經穩(wěn)定運行多年，適用于物業(yè)公司對小區(qū)、辦公和商鋪租戶的水電預付費管理，或者學校對學生宿舍的用電預付費和用電安全管控系統(tǒng)。
4.3.3 汽車/電瓶車收費運營功能模塊
電動汽車現(xiàn)已成為廣泛使用的綠色能源交通工具，同時電動自行車數(shù)量越來越多，解決了老百姓短距離出行問題，但是和電動自行車相關的安全和火災事故新聞也屢見不鮮，有逐年增長的趨勢，給社會帶來了很大的損失，成為人民生命和財產安全的一個隱患。基于電動自行車火災的危害和特點，各級政府部門發(fā)文對電動自行車火災的整治對象都放在規(guī)范停放和充電行為上。汽車/電瓶車收費運營功能模塊通過物聯(lián)網技術對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警;用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網，配合加密技術和秘鑰分發(fā)技術，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進行直連。
該功能模塊為汽車/電瓶車充電樁客戶提供充電安全管理、資產管理和交易管理的一攬子解決方案，解決充電難、管理難和收費難的問題，可應用于商業(yè)樓宇、小區(qū)、學校、醫(yī)院等場所設置的電動自行車充電場所的運營管理。
4.4、能源分析
4.4.1 能源管理功能模塊
為了穩(wěn)步推進雙碳目標，在能源消費強度和消費總量的“雙控”背景下，企業(yè)需要考慮如何應對能耗雙控以保障正常生產。現(xiàn)有大部分企業(yè)依然采用電、水、氣、冷、熱等各種能源供應系統(tǒng)“單獨規(guī)劃、單獨設計、獨立運行”的模式。普遍存在計量檢測到配備不足;計量設備計量精度不高、計量數(shù)據(jù)不準確;人工抄表可靠性低;難以合理監(jiān)測和評估主要耗能設備的用能效率;缺少決策數(shù)據(jù)支持，對于節(jié)能評估無法提供可靠參考數(shù)據(jù);缺乏合理的企業(yè)能效評估指標體系，能耗管理措施難以落地等情況。
能源管理模塊采用自動化、信息化技術，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產以及使用的全過程結合起來，運用先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術，進行離線生產分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調度，優(yōu)化能源介質平衡、合理利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。
4.4.2 增值服務功能模塊
(1)工業(yè)組態(tài)
傳統(tǒng)的工業(yè)自動化組態(tài)應用開發(fā)方式要求開發(fā)人員具備代碼編寫的能力、理解相關的開發(fā)框架的概念和使用方式，這種開發(fā)方式開發(fā)周期長、對開發(fā)人員要求非常高。同時，傳統(tǒng)的工業(yè)自動化組態(tài)應用部署在工業(yè)現(xiàn)場，部署便捷性和可訪問性都很低。
伴隨著工業(yè)互聯(lián)網的快速發(fā)展，應用需求往往更新迭代非常快，而設備廠商往往沒有相關的工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)背景，使得工業(yè)組態(tài)軟件的開發(fā)和更新速度非常緩慢，往往無法滿足快速業(yè)務增長的需要。同時，對于工業(yè)組態(tài)軟件的訪問不再止于工業(yè)現(xiàn)場，來自于工業(yè)現(xiàn)場外部的訪問需求也在日益增長。
Acrel-EIoT能源物聯(lián)網云平臺中的工業(yè)組態(tài)模塊解決了傳統(tǒng)工業(yè)自動化組態(tài)應用的部署和可訪問性低的問題，通過用戶在開發(fā)工具中使用鼠標拖拽的方式調整組態(tài)畫面元件的屬性、位置、尺寸等，并內置豐富的組態(tài)元件庫，使得用戶無需代碼的編寫能力，無需工業(yè)自動化組態(tài)軟件開發(fā)的技術背景，也可以方便的開發(fā)出工業(yè)組態(tài)界面，同時也支持數(shù)據(jù)展示、遠程控制等功能。
(2)3D可視化
3D可視化技術通過虛擬仿真實現(xiàn)多維度可視化，為客戶提供數(shù)字化服務，助力企業(yè)能源經濟雙向管理，提升能源管理水平。可以實現(xiàn)的功能主要有：各區(qū)域信息實時同步;全局掌握各區(qū)域能源消耗情況;可視化監(jiān)視設備運行狀態(tài);智能巡檢，自動分析巡檢路徑上的設備運行、電能質量、電氣安全、用能異常等情況，并記錄巡檢結果。
五、總結
隨著4G廣泛應用，5G快速推進，以NB-IoT等為代表的新一代物聯(lián)網技術順勢而生。當前，物與物連接規(guī)模急劇擴張，連接應用日新月異，物聯(lián)網技術可以說已深深嵌入多個垂直行業(yè)。但物聯(lián)網終端往往分布較為分散，不僅安裝環(huán)境復雜，而且網絡信號往往難以得到保障，物聯(lián)網業(yè)務日常管理和異常問題排查及其困難。本文設計并實現(xiàn)一種基于物聯(lián)網的智能電力抄表服務平臺，運用大數(shù)據(jù)和云計算技術，建立上下行數(shù)據(jù)標準，提供電力集抄、能耗管理、電氣安全、預付費、智能運維、智能照明等多種數(shù)據(jù)服務，提升了電力抄表服務的穩(wěn)定性，保障了電力抄表數(shù)據(jù)的可靠性，實現(xiàn)監(jiān)控、告警、運維的信息化、自動化和智能化。
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