基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力抄表服務(wù)平臺

摘要：隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有了很大進(jìn)展。為了提升電力抄表服務(wù)的穩定性，保障電力抄表數據的可靠性，本文提出并實(shí)現了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力抄表服務(wù)平臺，結合云計算、大數據等技術(shù)，提供電力集抄、能耗管理、電氣安全、預付費、智能運維等多種數據服務(wù)，實(shí)現監控、告警、運維的信息化、自動(dòng)化和智能化。

 

關(guān)鍵詞：能源物聯(lián)網(wǎng)；APP電表；數據服務(wù)

 

一、引言

 

        隨著(zhù)智能電網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使用2G/4G/NB-IOT網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行電網(wǎng)抄表數據傳輸業(yè)務(wù)發(fā)展迅速。由于電網(wǎng)抄表終端分布區域廣，經(jīng)常出現因終端斷電、終端異常、網(wǎng)絡(luò )弱覆蓋等問(wèn)題，導致遠程電力抄表設備無(wú)法正常傳輸數據，影響抄表數據及時(shí)回傳[1-3]。為了提升電力抄表服務(wù)的穩定性，保障電力抄表數據的可靠性，本文設計并實(shí)現一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力抄表服務(wù)平臺，運用大數據和云計算技術(shù)，建立上下行數據標準，提供電力集抄、能耗管理、電氣安全、預付費、智能運維、智能照明等多種數據服務(wù)，實(shí)現監控、告警、運維的信息化、自動(dòng)化和智能化。

 

二、關(guān)鍵技術(shù)

 

2.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

        物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）技術(shù)作為嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和軟件技術(shù)的交叉領(lǐng)域，被定義為利用紅外線(xiàn)傳感器、射頻識別、GPS等通信技術(shù)按照一定協(xié)現智能交互的網(wǎng)絡(luò )［3］。 

        一般認為物聯(lián)網(wǎng)結構可分為感知層、網(wǎng)絡(luò )層與應用層3個(gè)層次：感知層主要包括計量傳感設備；網(wǎng)絡(luò )層包括網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議棧及其軟硬件實(shí)現；應用層包括集中式或分布式的云計算平臺以及用戶(hù)應用軟件等，是“物"與用戶(hù)直接進(jìn)行交互的部分。 

        物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議分為接入協(xié)議和傳輸協(xié)議。接入協(xié)議主要指底層感知層設備間進(jìn)行通信的協(xié)議。傳輸協(xié)議基于互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，面向應用層進(jìn)行數據交換，常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議為MQTT協(xié)議。MQTT采用“推送"機制，減輕服務(wù)器短時(shí)并發(fā)接收數據請求的負擔，提供3種服務(wù)質(zhì)量，能在資源受限的網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現設備同遠方系統進(jìn)行異步通信，本文采用的協(xié)議就是這個(gè)。 

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的優(yōu)點(diǎn)是能夠以很少的代碼和有限的帶寬為遠程連接設備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)作為低開(kāi)銷(xiāo)、低帶寬占用的即時(shí)通信協(xié)議使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動(dòng)應用程序等廣泛的應用。MQTT是基于客戶(hù)端-服務(wù)器的消息傳遞/訂閱傳輸協(xié)議。QTT協(xié)議實(shí)現輕巧、簡(jiǎn)單、開(kāi)放、容易，這些特點(diǎn)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(hù)只需要編寫(xiě)很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(hù)端-服務(wù)器>模型,在協(xié)議中主要有三種身份：發(fā)布者（Publisher）、服務(wù)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(hù)端服務(wù)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(shí)是訂閱者，實(shí)現生產(chǎn)者和消費者的解耦所發(fā)出的消息可以同時(shí)被多個(gè)訂閱者預訂。

 

 

 

三、系統整體方案設計

 

        能源物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)，將能源生產(chǎn)加工、分配傳輸、消耗、節能各個(gè)環(huán)節串聯(lián)起來(lái)，結合人與物的互聯(lián)，構成以安科瑞產(chǎn)品為媒介的能源物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，其中物聯(lián)網(wǎng)硬件和能源參與者分別以數據流形式和業(yè)務(wù)流的形式與平臺交互。

 

 

3.1組網(wǎng)結構

        Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )層（通訊管理終端）和平臺層（能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺）三個(gè)部分組成。

● 感知層：連接于網(wǎng)絡(luò )中的各類(lèi)傳感器，包括多功能儀表、預付費電表、多回路儀表、物聯(lián)網(wǎng)電表、物聯(lián)網(wǎng)水表、電瓶車(chē)充電樁、汽車(chē)充電樁、路燈控制器等。

● 網(wǎng)絡(luò )層：智能網(wǎng)關(guān)，采集感知層的數據，進(jìn)行規約轉換及存儲之后將數據上傳至能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

● 平臺層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，可在PC端或移動(dòng)端實(shí)現應用。

 

 

3.2平臺架構

        Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺的系統網(wǎng)絡(luò )結構采用分層分布式的結構，系統包括：感知層、數據層、應用層、表現層和運營(yíng)層。系統架構圖如圖所示。

        傳感器層包括了我司的各類(lèi)產(chǎn)品，是整個(gè)系統的最底層，也是構建該能源物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)電表、物聯(lián)網(wǎng)水表、電瓶車(chē)充電樁、汽車(chē)充電樁、路燈控制器等設備。

        中間的數據處理平臺主要完成數據處理、數據存儲和數據交互的工作，為了保證整個(gè)綜合平臺的數據處理能力，我們將實(shí)時(shí)數據、歷史數據和業(yè)務(wù)數據分別存儲在不同的庫中，并提供多種接口實(shí)現與第三方系統的數據交互。

上層的應用層是指Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺，主要實(shí)現各種功能應用，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(zhì)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(wù)子模塊。平臺通過(guò)web和app的方式為用戶(hù)提供人機交互的界面，運營(yíng)層的各類(lèi)用戶(hù)可以通過(guò)這兩種方式實(shí)現平臺的訪(fǎng)問(wèn)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(zhù)信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，各類(lèi)規模大小不等，設備種類(lèi)、數量不同的含網(wǎng)絡(luò )設備機房廣泛分布于用戶(hù)各分支機構所在地域，由于欠缺與運行網(wǎng)絡(luò )的規模體系相對稱(chēng)的監控系統，數量眾多的無(wú)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(dòng)狀況以及消防狀況的變化包括可能出現的危急狀況，均無(wú)法得到及時(shí)的發(fā)現和處理，也就很難被有效預見(jiàn)、防范和避免。因此在配電室內安裝環(huán)境監控系統，實(shí)現配電室內環(huán)境的在線(xiàn)監測，保障配電室設備的穩定運行很有必要。

        電力集抄模塊可以實(shí)現對各種監測數據的查詢(xún)、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(shí)現供配電監控系統的遙測、遙信、遙控控制，對系統進(jìn)行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢(xún)供配電室內各設備運行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數），并根據實(shí)際情況進(jìn)行日報、月報和年報查詢(xún)或打印，提高工作效率，節約人力資源。

 

 

4.1.2 智能運維功能模塊

        據統計全國高供高計的工商業(yè)用戶(hù)數量達到200多萬(wàn)戶(hù)，規模巨大，但是大部分日常的運行維護工作比較傳統，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障搶修時(shí)間長(cháng)、風(fēng)險預防薄弱等問(wèn)題。國網(wǎng)公司和眾多電力運維公司正在搶占這塊巨大的市場(chǎng)，這是一個(gè)千億級別的市場(chǎng)。

        智能運維模塊采用多功能電力儀表、無(wú)線(xiàn)通信、邊緣計算網(wǎng)關(guān)及大數據分析技術(shù)，通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)采集現場(chǎng)數據并存儲在本地，再定時(shí)向云平臺推送數據。平臺可同時(shí)接入數以千計的用戶(hù)變電站數據。平臺采集的數據包括變電所電氣參數和環(huán)境數據，包括電流電壓功率、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、變壓器溫度、環(huán)境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門(mén)禁等信息，有異常發(fā)生10S內通過(guò)短信和APP發(fā)出告警信號。平臺通過(guò)手機APP下發(fā)運維任務(wù)到人員手機上，并通過(guò)GPS跟蹤運維執行過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)，提高運維效率，即時(shí)發(fā)現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

        據應急管理部網(wǎng)站數據，2016~2018年期間因為電氣原因導致的火災占總數的30%~34%左右，其中2018年全國共接報火災23.7萬(wàn)起，因違反電氣安裝使用規定引發(fā)的火災占總數的34.6%，較大和重大火災事故中，電氣火災的比例更高。國務(wù)院、公安部消防局以及各省市自治區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，現安全用電管理平臺已在九小場(chǎng)所、三合一場(chǎng)所、養老福利院、醫療場(chǎng)所、學(xué)校、金融網(wǎng)點(diǎn)等人員密集場(chǎng)所廣泛開(kāi)展。

         安全用電管理模塊對電氣引發(fā)火災的主要因素（線(xiàn)纜溫度、漏電電流、負荷電流、電壓）進(jìn)行不間斷的數據跟蹤與統計分析，通過(guò)2G/NB-IOT/4G方式采集現場(chǎng)數據，實(shí)時(shí)發(fā)現電氣線(xiàn)路和用電設備存在的安全隱患（如：線(xiàn)纜溫度異常、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓及漏電等）并通過(guò)短信、APP推送、自動(dòng)語(yǔ)音呼叫等方式及時(shí)預警，有效防止電氣火災的發(fā)生。系統可以顯示所有監測點(diǎn)位的漏電電流等電氣參數和線(xiàn)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(shí)時(shí)評估企業(yè)用電安全狀態(tài)。

 

 

4.2.2 電能質(zhì)量功能模塊

        電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，已成為電力系統的研究熱點(diǎn)之一。一方面，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種精密復雜用電設備的廣泛應用，這些設備很大部分對電能質(zhì)量非常敏感；另一方面，電力系統規模的不斷擴大和用電需求的快速增加，導致電能質(zhì)量變的非常不穩定。對電能質(zhì)量分析的主要目的是確定電能信號擾動(dòng)的類(lèi)型和范圍，并對相應的擾動(dòng)源進(jìn)行有效的調節和補償。因此，改善和提高電能質(zhì)量的關(guān)鍵在于及時(shí)、準確地獲取各種擾動(dòng)信號源的信息。

        電能質(zhì)量監測，包括三項不平衡度、諧波、功率因數，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過(guò)低時(shí)產(chǎn)生報警，觸發(fā)APP、手機短信、郵件、釘釘、語(yǔ)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(zhù)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(lái)越高，同時(shí)對照明系統的要求也越來(lái)越高。照明領(lǐng)域的能源消耗在總的能源消耗中占了相當大的比例，節約能源和提高照明質(zhì)量是當務(wù)之急。照明用電作為電力消耗的重要部分，已經(jīng)占到了電力消耗的10%左右，并隨著(zhù)我國國民經(jīng)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(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區域照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地數據監測。平臺通過(guò)監測照明線(xiàn)路的電流和電壓值來(lái)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(jìn)行監測，預警和報警，預警和報警信息通過(guò)手機APP推送，短信，語(yǔ)音外呼、郵件、微信小程序、微信公眾號、釘釘等，快速到達責任人的身邊，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、寫(xiě)字樓、辦公樓、酒店式公寓等物業(yè)，學(xué)校、工廠(chǎng)宿舍的后勤管理部門(mén)以及連鎖超市、大型物業(yè)分布式財務(wù)操作，在線(xiàn)支付，總部財務(wù)扎口等。目前預付費水電已經(jīng)成功在上述各場(chǎng)景得到廣泛的應用并已經(jīng)穩定運行多年，適用于物業(yè)公司對小區、辦公和商鋪租戶(hù)的水電預付費管理，或者學(xué)校對學(xué)生宿舍的用電預付費和用電安全管控系統。

 

 

4.3.3 汽車(chē)/電瓶車(chē)收費運營(yíng)功能模塊

        電動(dòng)汽車(chē)現已成為廣泛使用的綠色能源交通工具，同時(shí)電動(dòng)自行車(chē)數量越來(lái)越多，解決了老百姓短距離出行問(wèn)題，但是和電動(dòng)自行車(chē)相關(guān)的安全和火災事故新聞也屢見(jiàn)不鮮，有逐年增長(cháng)的趨勢，給社會(huì )帶來(lái)了很大的損失，成為人民生命和財產(chǎn)安全的一個(gè)隱患?；陔妱?dòng)自行車(chē)火災的危害和特點(diǎn)，各級政府部門(mén)發(fā)文對電動(dòng)自行車(chē)火災的整治對象都放在規范停放和充電行為上。汽車(chē)/電瓶車(chē)收費運營(yíng)功能模塊通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警；用戶(hù)通過(guò)微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動(dòng)汽車(chē)的充電過(guò)程。充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數據交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。

        該功能模塊為汽車(chē)/電瓶車(chē)充電樁客戶(hù)提供充電安全管理、資產(chǎn)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(wèn)題，可應用于商業(yè)樓宇、小區、學(xué)校、醫院等場(chǎng)所設置的電動(dòng)自行車(chē)充電場(chǎng)所的運營(yíng)管理。

 

 

4.4、能源分析

4.4.1 能源管理功能模塊

       為了穩步推進(jìn)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(chǎn)?，F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“單獨規劃、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、計量數據不準確；人工抄表可靠性低；難以有效監測和評估主要耗能設備的用能效率；缺少決策數據支持，對于節能評估無(wú)法提供可靠參考數據；缺乏有效的企業(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(dòng)化、信息化技術(shù)，實(shí)現從能源數據采集、過(guò)程監控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過(guò)程的自動(dòng)化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過(guò)程有機結合起來(lái)，運用先進(jìn)的數據處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線(xiàn)生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現全廠(chǎng)能源系統的統一調度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達到節能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

 

 

4.4.2 增值服務(wù)功能模塊

（1）工業(yè)組態(tài)

        傳統的工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)應用開(kāi)發(fā)方式要求開(kāi)發(fā)人員具備代碼編寫(xiě)的能力、理解相關(guān)的開(kāi)發(fā)框架的概念和使用方式，這種開(kāi)發(fā)方式開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、對開(kāi)發(fā)人員要求非常高。同時(shí)，傳統的工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)應用部署在工業(yè)現場(chǎng)，部署便捷性和可訪(fǎng)問(wèn)性都很低。

        伴隨著(zhù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，應用需求往往更新迭代非?？?，而設備廠(chǎng)商往往沒(méi)有相關(guān)的工業(yè)組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)背景，使得工業(yè)組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)和更新速度非常緩慢，往往無(wú)法滿(mǎn)足快速業(yè)務(wù)增長(cháng)的需要。同時(shí)，對于工業(yè)組態(tài)軟件的訪(fǎng)問(wèn)不再止于工業(yè)現場(chǎng)，來(lái)自于工業(yè)現場(chǎng)外部的訪(fǎng)問(wèn)需求也在日益增長(cháng)。

         Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺中的工業(yè)組態(tài)模塊解決了傳統工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)應用的部署和可訪(fǎng)問(wèn)性低的問(wèn)題，通過(guò)用戶(hù)在開(kāi)發(fā)工具中使用鼠標拖拽的方式調整組態(tài)畫(huà)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(hù)無(wú)需代碼的編寫(xiě)能力，無(wú)需工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的技術(shù)背景，也可以方便的開(kāi)發(fā)出工業(yè)組態(tài)界面，同時(shí)也支持數據展示、遠程控制等功能。

 

 

（2）3D可視化

3D可視化技術(shù)通過(guò)虛擬仿真實(shí)現多維度可視化，為客戶(hù)提供數字化服務(wù)，助力企業(yè)能源經(jīng)濟雙向管理，提升能源管理水平?？梢詫?shí)現的功能主要有：各區域信息實(shí)時(shí)同步；全局掌握各區域能源消耗情況；可視化監視設備運行狀態(tài)；智能巡檢，自動(dòng)分析巡檢路徑上的設備運行、電能質(zhì)量、電氣安全、用能異常等情況，并記錄巡檢結果。

 

 

 

五、總結

 

        隨著(zhù)4G廣泛應用，5G快速推進(jìn)，以NB-IoT等為代表的新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)順勢而生。當前，物與物連接規模急劇擴張，連接應用日新月異，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以說(shuō)已深度嵌入多個(gè)垂直行業(yè)。但物聯(lián)網(wǎng)終端往往分布較為分散，不僅安裝環(huán)境復雜，而且網(wǎng)絡(luò )信號往往難以得到保障，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)日常管理和異常問(wèn)題排查及其困難。本文設計并實(shí)現一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力抄表服務(wù)平臺，運用大數據和云計算技術(shù)，建立上下行數據標準，提供電力集抄、能耗管理、電氣安全、預付費、智能運維、智能照明等多種數據服務(wù)，提升了電力抄表服務(wù)的穩定性，保障了電力抄表數據的可靠性，實(shí)現監控、告警、運維的信息化、自動(dòng)化和智能化。

 

參考文獻

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