一种基于可视化界面和物联网技术的智能用能需求侧管理平台

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中图分类号：TN915 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 (2012) 03-0011-005

摘要：文章提出了一种智能的基于可视化和物联网技术的用能需求侧管理平台。平台在探索物联网在用能需求侧管理中的具体应用，搭建基于物联网与可视化界面的用能智能分析及控制环境，采集智能终端及传感器传导的用能信息的基础上，通过各种实时网络分析等高级应用软件对采集数据进行分析和处理，实现了重点耗能设备与客户或电网企业间进行实时高效的信息交互，可为客户提供全面、多维的用能管理辅助决策支持，也可为变频设备、同步调相机、无功补偿装置等设备的一体化运行提供数据支持和接入策略等优化方案。

关键词： 物联网；可视化界面；用能管理平台；优化方案

Abstract:In this paper, we propose a platform for exploring power consumption on the customer side of IoT. The platform collects power information from smart terminals and sensors and creates a smart power analysis and control environment based on IoT and visual interface. Collected data is analyzed and processed by advanced software so that information about key power-consuming equipment can be shared with grid enterprises and customers. The platform provides comprehensive, multidimensional power management as well as data support and access strategies for the integration of inverter equipment, synchronous condenser, and reactive power compensation.

Key words:Internet of things; visual interface; power consumption management platform; optimization

1 平台概述

目前，中国面临着能源紧张、环境恶化以及节能、减排、低碳等指标低的巨大压力。工业企业每年8%的能源损耗源于没有能源监测及维护计划，每年12%的能源损耗源于没有用能管理及控制系统。可见能源耗损的比例很大。

节能环保已列为中国“十二五”规划中的七大战略性新兴产业。近期中国国家发改委在电力需求侧规划中也提出加强技术支撑平台的建设，鼓励运用智能电网、物联网技术等监测、控制重点用能设备的使用，优化运行方式，减少高峰电力需求。政府迫切需要用科学的技术手段去采集、监测、分析、管理各地、各企业的用能状况。同时人们通过一些实践逐渐达成共识：用科学的技术手段可以有效地提高能源使用效率，建设一套完整的能耗监测、管理、控制系统可以量化地监测、管理和统计用能企业的用能状况。这是目前降低能源消耗、提高能源利用率的主要手段之一。

面对需求形势，我们根据各级政府部门和电网公司节能减排工作的目标，结合重点电力用能企业业务实际和信息化现状以及国际上对智能电网、物联网在配、用电环节的普遍建设思路，通过技术创新自主研发了具有全面、智能的基于可视化和物联网技术的用能需求侧管理平台。对用能企业进行用能监测管理，开发客户用能智能分析及控制信息用能管控平台，可为用户科学管理用能、提高能源使用效率、控制能源成本提供科学依据和优化建议[1-3]。

2 平台架构及工作原理

用能需求侧管理平台是指用能单位的管理人员通过计算机、物联网(传感网)等技术实时采集和记录主要耗能设备的能耗数据(电、水、气、油、煤等)信息，并传递、贮存、加工及使用的完整体系。平台根据用能单位实时采集的能源消耗过程中的数据资源，应用专业的数据分析模型和方法，结合现代科学管理方法和先进技术手段，实现用能信息的可视化管理、能耗成本分析和关键指标分析，制订节能改造计划和评估体系，实现用能规划和绩效考核管理等，为管理者和决策者提供能源管理和决策支持，使用能管理更加智能化、标准化、精细化和数字化。

通过运行用能管理平台，可为能源审计工作提供真实、准确的第一手用能数据；可从多个角度为企业及相关企业等进行纵向、横向对比统计、分析、评判；可对企业提供的实时用能信息预测、预警，并对耗能超标耗能设备、建筑或区域制订出用能运行管理、节能改造(空调、照明、电梯、外墙围护等)、节能管理等方案。该平台可促使企业的节能改造对症下药，可改进不合理的耗能设备，为优化生产环节服务。该平台是辅助用能单位更好地完成资源调配、生产组织、部门结算、成本核算、节能管理和用能分析的信息化综合应用平台。

用能需求侧管理监控平台主要由4个部分组成：底层数据采集与控制、数据及控制信息传输、信息可视化实时显示、数据分析和用能管理数据库系统。平台结构如图1所示。平台技术原理如图2所示。

(1)底层数据采集与控制

在底层安装有多类型智能数据传感器与采集模块组成的传感网，采集用能设备的用电参数和非电参数。采集的用电参数主要有：实时电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、谐波、有功电量、无功电量等数据；采集的非电参数主要有：用水量、用气量、热量、投料量、产量、实时水流量、温湿度、环境亮度等生产与环境参数。采集模块将根据现场系统应用的需求及条件灵活配置。采集的数据上传至可视化界面或后台进行显示、存储、统计。

例如：使用LED灯控制器、流量控制器、无功补偿控制器等控制设备，控制LED灯亮度、生产泵转速、空调水流量等生产底层设备进行谐波抑制与无功补偿的控制，从而实现设备与设备之间、人与设备之间、人与人之间物联网的数据通信以及控制联系。

(2)数据及控制信息传输

传输方式多种多样，根据不同的应用环境选择更加合理的传输方式，支持RS-485/RS-232总线、以太网接口等，传输协议采用传输控制协议/网际协议(TCP/IP)、MODBUS协议等多种方式，根据物联网信息采集环境和主站平台监控的物理距离，可选择无线、有线、塑料光纤等多种远/近程信息传输方式。

(3)信息可视化实时显示

现场的管理主站采用中国先进的人机界面(HMI)可视化显示生产设备、环境条件等实时的现场参数，人性化的触摸屏查看及控制操作，支持权限修改分段自动运行方式，并配有多种安全的报警功能。

用能消费的“可视化”也是企业有效管理用能的手段之一。由于企业一般很难快速地了解自身的用电、用能情况，而通过用能需求侧管理平台可以以日、周、月为单位观察用能消费，可以实时看到各种设备的用电情况以及由于分时电价、阶梯电价等的变化而提升的相关设备利用效率和效益。

(4)数据分析和用能管理数据库系统

一个可以收集各车间或工厂组成部分的各种用能及生产环境参数的高效数据库，可方便用户查询各个时段的数据。系统软件对生产环境的重要数据、报警信息、故障信息等数据进行分析、统计，可为用户提供全面的数据统计图表及用能改造方案，为决策层提供丰富的能源使用情况资料及有效的用能改造建议。

3 平台功能

3.1 能耗过程的可视、可控

目前，中国大多数企业是用人工定时抄表的方式统计用电及能源消耗状况，这种方式存在数据滞后、时效性差、数据单一等问题，不能及时掌握企业的实时能耗数据，不便实时发现问题及时管理。用能需求侧管理控制平台可以在线监测整个企业(集团)的生产能耗动态信息，并将这些能耗数据与相对应的设备、车间、班组生产数据相结合。车间现场的管理人员通过先进的人机界面(HMI)可视化界面可清楚地了解和掌握生产环节和重点设备的实时能耗状况、单位能耗数据、能耗变化趋势和实时运行参数等信息。方便的查看操作，实现了管理人员完全的远程监控生产现场。现场操作者可进行有权限的修改各类可控设备的自动运行方式，为生产自动化提供灵活的配置。平台主要提供了包括分时段不同负荷运行、根据参数智能优化调节等自动化控制过程，实现了用户智能化控制，提高了企业的监管能力和效果。

3.2 配电系统的动态无功补偿

电力电子技术在电气化铁路、电解工厂、电弧炉冶炼和电机变频调速等领域的广泛应用，在提高企业生产效率的同时也产生了大量的谐波污染电网，导致电能质量下降，损耗增大，电网的负载能力下降等问题的发生。用能需求侧管理监控平台为企业的配电系统配置无功补偿装置、变频设备、同步调相机等设备的集成，提供高精度数据采集，显示有功无功、功率因素、谐波分量等重要电力参数，使用户能及时了解实时用电状态，并及时提供技术支持和接入策略方案。平台实现用户自动动态无功补偿，并可根据用户需要设置功率因数门限、谐波门限，智能地进行谐波抑制与无功补偿控制，优化电能质量，减少电能损耗，使企业功率因数达到要求，不仅能节约电力资源，还可提高企业的用电效率。

3.3 通信模式配置

平台的多种通信模式给用户提供快捷、可靠的通信路径。平台可以根据用户环境条件配置不同的通信模式，在无线干扰较小、距离较短的地方选择快捷、方便、可靠的无线通信模式；在雷电和电磁干扰较大的恶劣环境和便于施工的地方可以使用性价比较高、传输可靠、布线方便、通信快速可靠(100 Mbit/s～10 Gbit/s)、抗干扰能力极强的塑料光纤进行信息传输。

3.4 分析统计

用能需求侧管理平台建成后，可为用户提供以下信息及管理：

?能耗状况在线监测：采集能源消耗的数量与构成，分布与流向。

?用能水平综合管理：用能损失情况、设备效率、能源利用率、综合能耗。

?用能运行管理：管理、设备、工艺操作中的能源利用效率。

?节能潜力的能源成本管理：余能回收的数量、品种、参数、性质。

?节能效果的能源审计管理：技术改进、设备更新、工艺改革等的经济效益、节能量。

?节能目标：工艺节能改造、产品节能改造、制订技改方案、措施等。

用能需求侧管理数据库系统可自动生成多种能耗信息统计图形、曲线和报表，如以日、周、月、年为周期的能耗统计报表，报表类型分为整个企业、单个车间、重要耗能设备等多个层次，为用户提供能源消耗结构和能源消耗成本分析依据，评估节能措施的效果和关联影响。提供综合能耗/用能统计图表，可快捷、直观地反映企业、生产车间、班组和重要生产环节实时和历史能耗/用能信息。系统还具有强大的历史能耗数据追溯和分析功能。

企业用能管理及生产工艺分析人员可按不同需要灵活设置工作点参数，在不同时段下生成各种能耗数据报表与能耗曲线，如设备单耗、生产线和班组单耗等；可用多种方法对主要能耗设备和生产线的能耗数据进行查询和追溯；对多种参量的变化趋势进行对比、分析，从而发现能源消耗结构和过程中存在的深层次问题，对企业能源消耗结构和方式的改进、优化提出方案和建议。通过动态的单位产量能耗曲线和数据，可以直观地比较企业生产能耗与中国及国际标准的差距，从而对生产、管理、工艺及时进行指导和调整，使企业生产过程的单位能耗和能源效率保持在科学、合理的水平。

4 用能需求侧管理平台特点

4.1 技术特点

(1)采用可视化界面和物联网传感技术使系统结合为一个有机的可监管整体。从底层设备的参数采集到上层平台界面的可视化对话，系统与终端紧密结合，各个设备的信息通信网络链路之间的同步通信实现运行情况的实时更新与控制。

(2)以用能管理为主题，在系统的构架上要全面地考虑用能环节，从源头的无功补偿，到底层设备的智能控制，都融入提高用能效率的措施与机制，并在设备的具体用能上提供了可操作性，方便企业用能建设与企业用能改造。

(3)对企业现场实现可视化和智能控制，构建结构模块化、对象化的实时数据库，方便用户实时掌握总体用能状况和底层重点用能设备用能情况，提高信息的实时、准确性。

(4)以企业的生产工艺过程为对象现场实现可视化和智能控制，后台用能管理数据库系统实现数据同步及控制同步，构建结构化、对象化的实时数据库，使用开发出强大的分析统计软件，方便用户及时清楚的了解企业整体和具体设备的用能情况，大大提高了信息的实时性、准确性以及具体性。让企业参与互动和管理。

(5)采用先进的IE模式，可方便客户侧的使用，不必进行繁琐的客户端软件安装，只需计算机可以连接Internet，即可通过权限验证登陆监控系统，可极大提升平台的附加价值。

(6)支持多种通信协议，可直接读取现场数据采集设备存储的数据，同时具备良好的开放性和灵活性；支持RS-232/422/485、以太网口等接口标准；支持ModBus、TCP/IP等协议，支持无线、有线、Zigbee、Wi-Fi、塑料光纤的传感网络模块与网关。

在多种协议、多种通信模式(如塑料光纤)、多种类传感器的运行环境下，实现信息的自动互联、互通，直接读取现场数据采集设备存储的数据，具备良好的开放性和灵活性。

4.2 应用特点

(1)基于物联网(传感网)技术的用能需求侧管理数据中心平台，充分利用专业用能分析模型建模分析各种能源的能耗水平，有效突破了以前单一的能耗监测系统分析功能较弱、用能分析系统由于数据局限导致应用性较差的缺点。

(2)用能需求侧管理信息平台应用于企业，可有效管理现有能耗资源，通过数据分析，帮助企业合理有效地利用设备，减少不必要设备添置，避免了资源浪费，可以节约大量资金，具有明显的经济效益。

(3)实时监管能源供应的质量，及时发现潜在威胁，减少设备故障和维护费用，延长设备使用寿命。

(4)Web介绍。采用先进的网络技术，客户可以方便的在任意连接网络的计算机上面打开监控系统，通过权限验证后可浏览设备运行情况，方便有效的进行报表统计，趋势曲线分析和能耗对比情况分析便于相关部门人员及时掌握能源的分布与流动信息，快速制订能源政策，进一步挖掘节能潜力，降低企业的运行成本和完善用能理制度，为进一步提升节能空间提供充分的数据分析和决策。

(5)提高能源供应的可靠性，缩短停电检修时间，延长运行周期；通过预警，可减少火灾、人员伤亡等严重事故的发生，降低事故和检修带来的停机损失。

(6)提供用能单位精细化能耗管理的手段，评估节能技改和运行效果，提高节能运行管理效率，减少运行维护人员工作量，降低运维成本。

5 平台研发的预期目标

通过对电、水、气、热、油、温、光等用能信息进行分项计量、双向计量、动态预警、实时监控；从而获取企业综合动态能耗信息，提高需求侧电能质量和供电可靠性，同时也为合同能源管理项目的推广应用以及政府部门的政策制订提供决策支持、数据支撑和技术平台。系统集数据采集、通信传输、数据统计、指标监测、用户能源审计、能效项目方案及评价、节能策略库、设备智能控制于一体，为客户用能管理和节能改造提供详实数据统计和改造策略方案，监测客户重点耗能设备、实时预警，防止因电网末端故障导致的电网安全事故；为智能电网建设、物联网的应用提供实际应用的平台。

平台为面向多能源和资源消耗的(电、水、空气、天然气和蒸汽等)企业的综合管理平台。通过高效数据采集，科学、清晰分析和报表，可帮助客户提高整体能源使用效率和能源供应可靠性。

6 平台效果展示

平台的模拟系统结构如图3所示。图3模拟了包括生产、空调、照明的3个工艺子系统以及配电监控系统。生产环节以泵的智能控制运转为例，空调系统以循环水制冷为例，照明系统以节能型的LED灯控制为例，配电系统以三相四线制的低压220/380 V的配电为例。

主控制器是模拟现场的总控制器，显示各个子系统的参数，并对子系统进行紧急控制。配电系统用动态无功补偿器进行电力参数实时采集显示及自主研发的动态无功补偿控制，生产子系统主要包括泵的生产料的流速采集、手动流量控制、可编程自动流量控制，空调子系统包括循环水的流速、进出口水温、室内温度等参数的采集和水流量手动与可编程控制，照明子系统包括环境亮度采集、感人控制、可编程与手动控制LED灯亮度。可编程控制主要提供分时段控制、曲线循环控制、恒定参数实时动态控制3种方式。并且各系统均设有特定参数过限报警功能。后台的用能需求侧管理数据库系统提供多种分析统计图表及改造方案。图3是为模拟系统部分主控器的运行界面，图4是模拟系统可视化运行界面。

7 结束语

智能用能需求侧管理平台暨能源管理一体化解决方案，由于采用先进的物联网传感技术采集客户区域能源网络内的实时状态信息，运用数据挖掘和商业智能分析软件对海量数据进行分析和处理，通过可视化界面技术为企业提供科学有效的节能辅助决策支持；为变频设备、动态电压恢复器、无功补偿装置等的有效集成提供数据支持和控制策略，从而可显著提高用户的用能效率和降低能耗、优化负载负荷特性，降低能源使用费用。

用能管理工作不仅是对某个设备和工艺的改造，而是对企业全系统用能过程的优化。从全球的用能管理实践来看，保证能源质量、实时监测数据、实时控制、及时制订方案都是提高能效的重要环节。用能需求侧管理控制平台用HMI可视化界面实时显示设备的用能、使用、环境参数，实时智能控制设备运行，后台用能管理数据库系统对企业能源效率水平进行全面监测、分析、评估和控制，找出生产过程中能耗问题根源所在，通过科学、合理地制订生产工艺流程、建设能耗考核标准和体系，有针对性地制订节能改造方案。用能需求侧管理控制平台全面、智能、有效，可以广泛应用于各种企业的改造与建设。

8 参考文献

[1] 周昭茂. 电力需求侧管理技术支持系统 [M]. 北京: 中国电力出版社, 2007.

[2] 国家发展和改革委员会经济运行调节局. 电力需求侧管理项目实施指导手册: 工业篇 [M]. 北京: 中国电力出版社, 2010.

[3] 张晶, 郝为民, 周昭茂, 等. 电力负荷管理系统技术及应用 [M]. 北京: 中国电力出版社, 2009.

收稿日期：2012-03-05

作者简介

郝为民，中国电力科学研究院信息与通信研究所副总工程师，中国电机工程学会电力系统自动化专委会供用电管理自动化学科组委员，中国电工仪器仪表标准化技术委员会委员；长期从事电力信息与通信、用电自动化、电力需求侧管理工作；已18篇、著作3部。