馮玉輝 李杰 尹遵義 / 山東省計(jì)量科學(xué)研究院

公共機(jī)構(gòu)能源資源實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

馮玉輝 李杰 尹遵義 / 山東省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

能源資源計(jì)量是統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)及管理能源資源消費(fèi)的重要基礎(chǔ)，是科學(xué)、合理評(píng)價(jià)公共機(jī)構(gòu)節(jié)能管理水平和用能效率的根本保證。目前，公共機(jī)構(gòu)對(duì)能源資源計(jì)量工作重要性認(rèn)識(shí)不足、管理不到位、計(jì)量器具配備率低等問(wèn)題已成為節(jié)能工作深入開(kāi)展的制約性因素。通過(guò)采用先進(jìn)通信手段和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立公共機(jī)構(gòu)能源資源實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，對(duì)公共機(jī)構(gòu)的能耗數(shù)據(jù)實(shí)施在線(xiàn)實(shí)時(shí)采集，及時(shí)、準(zhǔn)確掌握公共機(jī)構(gòu)的能耗數(shù)據(jù)，是提高公共機(jī)構(gòu)能源利用效率、發(fā)揮公共機(jī)構(gòu)在全社會(huì)節(jié)能中表率作用的重要措施。

1 系統(tǒng)

公共機(jī)構(gòu)能源資源實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)是將公共機(jī)構(gòu)的水、電、氣等能源計(jì)量數(shù)據(jù)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和統(tǒng)計(jì)的信息系統(tǒng)，主要包括能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、處理系統(tǒng)三個(gè)部分，見(jiàn)圖1。

圖1 公共機(jī)構(gòu)能源資源實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集終端對(duì)能源計(jì)量器具的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和上傳；數(shù)據(jù)集中終端將若干個(gè)數(shù)據(jù)采集終端上傳的能源計(jì)量數(shù)據(jù)或能源計(jì)量器具的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；最后數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)集中終端上傳的能源計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)、處理、統(tǒng)計(jì)、分析、管理和發(fā)布。系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，利用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、手工在線(xiàn)填報(bào)等方式建立公共機(jī)構(gòu)能耗數(shù)據(jù)庫(kù)和公共機(jī)構(gòu)能耗動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)公共機(jī)構(gòu)水、電、氣等能源消耗狀況的信息收集和能耗水平分析評(píng)價(jià)，幫助公共機(jī)構(gòu)和社會(huì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保。

公共機(jī)構(gòu)能源資源實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)涉及計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，耗能設(shè)備及能耗計(jì)量?jī)x表監(jiān)測(cè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)。此外，還涉及國(guó)內(nèi)外用能單位能耗水平識(shí)別與評(píng)價(jià)等技術(shù)和方法。這些技術(shù)和方法為構(gòu)建系統(tǒng)模型提供了十分重要的基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)安全

數(shù)據(jù)的安全性包括數(shù)據(jù)保護(hù)、傳輸安全、訪(fǎng)問(wèn)安全和網(wǎng)絡(luò)安全。

2.1 數(shù)據(jù)保護(hù)控制

如果遇到網(wǎng)絡(luò)不通，數(shù)據(jù)可以暫存在緩存區(qū)，待網(wǎng)絡(luò)通后，再繼續(xù)發(fā)送之前的數(shù)據(jù)。如果遇到緊急停電，可以自動(dòng)計(jì)時(shí)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行掉電存貯，保存現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

2.2 傳輸安全控制

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全控制，包括數(shù)據(jù)的加密、解密以及數(shù)字簽名、驗(yàn)簽和數(shù)字證書(shū)的發(fā)放功能，支持SM2密碼算法的數(shù)字證書(shū)安全認(rèn)證。

實(shí)現(xiàn)物理身份和網(wǎng)絡(luò)身份的綁定，從而保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性；

對(duì)傳送的信息進(jìn)行校驗(yàn)，保證信息在傳輸過(guò)程中不被篡改或丟失，從而確保數(shù)據(jù)的完整性；

對(duì)信息加密，只有接收方才能閱讀加密的信息，從而保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性。

2.3 訪(fǎng)問(wèn)安全控制

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、匯總、上報(bào)主要采用自動(dòng)方式，數(shù)據(jù)分析結(jié)果將以登錄系統(tǒng)方式查詢(xún)，因此直接參與系統(tǒng)操作的人員較多。系統(tǒng)具有安全、完備的用戶(hù)識(shí)別功能，針對(duì)用戶(hù)的登錄訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行權(quán)限控制，涵蓋功能權(quán)限和數(shù)據(jù)范圍權(quán)限等兩方面的內(nèi)容。

身份認(rèn)證：使用身份認(rèn)證技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的用戶(hù)進(jìn)行驗(yàn)證，以確認(rèn)對(duì)方的真實(shí)身份。

授權(quán)：對(duì)角色進(jìn)行管理，控制用戶(hù)是否能夠訪(fǎng)問(wèn)應(yīng)用系統(tǒng)的信息，并約束用戶(hù)具體操作權(quán)限，例如可以設(shè)定用戶(hù)允許修改信息還是只能讀取信息。

審計(jì)記錄：系統(tǒng)記錄包含網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)在內(nèi)的所有來(lái)訪(fǎng)活動(dòng)痕跡。這種記錄針對(duì)用戶(hù)進(jìn)行。系統(tǒng)的用戶(hù)可能分布在網(wǎng)絡(luò)上的任何接入點(diǎn)，身份認(rèn)證技術(shù)必須采用針對(duì)用戶(hù)的認(rèn)證方式，而不是針對(duì)地址或會(huì)話(huà)。

2.4 網(wǎng)絡(luò)安全控制

隨著攻擊技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)攻擊對(duì)系統(tǒng)所構(gòu)成的安全威脅也越來(lái)越大。攻擊者利用系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的漏洞，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)竊取、篡改甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓等嚴(yán)重安全問(wèn)題。

本系統(tǒng)遭受的攻擊可能來(lái)自廣域網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)覆蓋的相關(guān)單位，網(wǎng)絡(luò)攻擊對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)造成的負(fù)面影響較大，所以必須采用安全可靠的隔離技術(shù)，在智能儀表網(wǎng)絡(luò)與在線(xiàn)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間建立數(shù)據(jù)傳輸通道。同時(shí)，系統(tǒng)還具有完備的異地定期備份機(jī)制和災(zāi)難恢復(fù)機(jī)制，以保證實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的安全性。

3 難點(diǎn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多樣

由于每個(gè)公共機(jī)構(gòu)的計(jì)量器具安裝情況不同，在實(shí)施數(shù)據(jù)采集過(guò)程中遇到很多困難，例如公共機(jī)構(gòu)原有計(jì)量器具不支持通信；有的計(jì)量器具上標(biāo)識(shí)了支持通信，但實(shí)際沒(méi)有配置相關(guān)通信模塊；安裝新購(gòu)計(jì)量器具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，可能影響公共機(jī)構(gòu)的正常工作。

針對(duì)以上問(wèn)題，主抓源頭，在施工前做好充分準(zhǔn)備，做好情況調(diào)研和施工人員的培訓(xùn)，包括收集公共機(jī)構(gòu)工作情況、用能特點(diǎn)、原有計(jì)量器具相關(guān)信息，熟悉計(jì)量器具，設(shè)備復(fù)雜的還要去廠(chǎng)家進(jìn)行安裝使用培訓(xùn)。另外，根據(jù)調(diào)研情況做好施工方案，盡量小施工、不施工，爭(zhēng)取不影響單位的正常生產(chǎn)運(yùn)作。

3.2 傳輸方式個(gè)性化

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)不同，采用GPRS、WIFI等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)行傳輸。

對(duì)于辦公面積大的公共機(jī)構(gòu)，如果進(jìn)行有線(xiàn)傳輸，電纜敷設(shè)工作量大，維護(hù)成本高。采用GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，安裝方便，使用靈活，傳輸距離最高可達(dá)1 600 m。

在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)良好的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表接一個(gè)RS485接口的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊作為無(wú)線(xiàn)路由器（從機(jī)）。

在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表接一個(gè)RS485接口的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊。在樓梯等信號(hào)減弱的地方，再裝一個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊作為中繼模塊。通過(guò)不斷增加模塊，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)障礙傳輸。

現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表計(jì)量出來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485總線(xiàn)傳輸?shù)絑igBee無(wú)線(xiàn)模塊（從機(jī)），然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集終端連接的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊（主控）。

對(duì)于有些公共機(jī)構(gòu)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差，所需中繼模塊較多，可以直接和局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)互連而不要增加額外的硬件設(shè)備，方便數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)的共享，可以和現(xiàn)有基于局域網(wǎng)的ERP數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，采用統(tǒng)一的網(wǎng)線(xiàn)，減少了布線(xiàn)成本和難度，避免多種總線(xiàn)并存。

4 技術(shù)創(chuàng)新

4.1 采集系統(tǒng)拓?fù)鋱D的繪制

通過(guò)本系統(tǒng)內(nèi)置算法，初步完成了公共機(jī)構(gòu)能源計(jì)量拓?fù)鋱D的繪制，實(shí)現(xiàn)每種能源1個(gè)拓?fù)鋱D，包括電能計(jì)量拓?fù)鋱D、蒸汽計(jì)量拓?fù)鋱D、水資源計(jì)量拓?fù)鋱D等。故障報(bào)警與拓?fù)鋱D相結(jié)合，故障能在拓?fù)鋱D上直接體現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)監(jiān)測(cè)采集網(wǎng)絡(luò)不通或設(shè)備故障時(shí)，拓?fù)鋱D監(jiān)測(cè)采集點(diǎn)顯示紅色報(bào)警信息，顯示直觀，一目了然。

4.2 加入碳排放量計(jì)量

2011年10月，國(guó)家發(fā)改委辦公廳下發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展碳排放權(quán)交易試點(diǎn)工作的通知》（發(fā)改辦氣候（2011-2601號(hào)），批準(zhǔn)北京、天津、上海、重慶4大直轄市，外加湖北（武漢）、廣東（廣州）、深圳等7省市開(kāi)展碳排放權(quán)交易試點(diǎn)工作。通過(guò)試點(diǎn)工作建立中國(guó)特色的碳排放權(quán)交易制度，為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召、促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和溫室效應(yīng)的控制提供有效可行的政策建議，從而實(shí)現(xiàn)碳資源的最優(yōu)配置和我國(guó)經(jīng)濟(jì)的全面可持續(xù)發(fā)展。本系統(tǒng)加入碳排放量計(jì)量功能，可以根據(jù)采集到的公共機(jī)構(gòu)能源消費(fèi)量自動(dòng)計(jì)算出能源消費(fèi)過(guò)程中排放的溫室氣體排放量，讓公共機(jī)構(gòu)更加直觀了解碳排放情況，為全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)法制建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也在未來(lái)的碳交易市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于主動(dòng)地位。

5 結(jié)語(yǔ)

公共機(jī)構(gòu)能源資源實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的研究可以為政府相關(guān)部門(mén)及時(shí)、準(zhǔn)確掌握各地區(qū)公共機(jī)構(gòu)節(jié)能情況，切實(shí)把加強(qiáng)計(jì)量工作作為推進(jìn)節(jié)能工作的重要內(nèi)容；可以幫助公共機(jī)構(gòu)科學(xué)識(shí)別和評(píng)價(jià)能耗水平，推動(dòng)公共機(jī)構(gòu)做好能源資源計(jì)量基礎(chǔ)工作；可以為社會(huì)提供節(jié)能信息服務(wù)，最終促進(jìn)社會(huì)節(jié)能降耗、減少對(duì)環(huán)境的污染，促進(jìn)新型經(jīng)濟(jì)以及和諧社會(huì)發(fā)展。

［1］林進(jìn)鵬. 基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 廣州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014（4）：65-68.

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