馮玉輝 李杰 尹遵義 / 山東省計量科學(xué)研究院

公共機(jī)構(gòu)能源資源實時采集系統(tǒng)

馮玉輝 李杰 尹遵義 / 山東省計量科學(xué)研究院

0 引言

能源資源計量是統(tǒng)計、監(jiān)測及管理能源資源消費的重要基礎(chǔ)，是科學(xué)、合理評價公共機(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)對能源資源計量工作重要性認(rèn)識不足、管理不到位、計量器具配備率低等問題已成為節(jié)能工作深入開展的制約性因素。通過采用先進(jìn)通信手段和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立公共機(jī)構(gòu)能源資源實時采集系統(tǒng)，對公共機(jī)構(gòu)的能耗數(shù)據(jù)實施在線實時采集，及時、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)能源資源實時采集系統(tǒng)是將公共機(jī)構(gòu)的水、電、氣等能源計量數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)能源計量數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和統(tǒng)計的信息系統(tǒng)，主要包括能源計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、處理系統(tǒng)三個部分，見圖1。

圖1 公共機(jī)構(gòu)能源資源實時采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集終端對能源計量器具的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和上傳；數(shù)據(jù)集中終端將若干個數(shù)據(jù)采集終端上傳的能源計量數(shù)據(jù)或能源計量器具的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲，并通過數(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量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲、處理、統(tǒng)計、分析、管理和發(fā)布。系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)、移動無線通信網(wǎng)絡(luò)，利用在線監(jiān)測監(jiān)控、手工在線填報等方式建立公共機(jī)構(gòu)能耗數(shù)據(jù)庫和公共機(jī)構(gòu)能耗動態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)，實現(xiàn)對公共機(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價，幫助公共機(jī)構(gòu)和社會實現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保。

公共機(jī)構(gòu)能源資源實時采集系統(tǒng)涉及計算機(jī)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，GPRS/CDMA無線通信技術(shù)，耗能設(shè)備及能耗計量儀表監(jiān)測監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)。此外，還涉及國內(nèi)外用能單位能耗水平識別與評價等技術(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、訪問安全和網(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，可以自動計時，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行掉電存貯，保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

2.2 傳輸安全控制

對數(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、驗簽和數(shù)字證書的發(fā)放功能，支持SM2密碼算法的數(shù)字證書安全認(rèn)證。

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

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

對信息加密，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 訪問安全控制

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、匯總、上報主要采用自動方式，數(shù)據(jù)分析結(jié)果將以登錄系統(tǒng)方式查詢，因此直接參與系統(tǒng)操作的人員較多。系統(tǒng)具有安全、完備的用戶識別功能，針對用戶的登錄訪問進(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)，對網(wǎng)絡(luò)上的用戶進(jìn)行驗證，以確認(rèn)對方的真實身份。

授權(quán)：對角色進(jìn)行管理，控制用戶是否能夠訪問應(yīng)用系統(tǒng)的信息，并約束用戶具體操作權(quán)限，例如可以設(shè)定用戶允許修改信息還是只能讀取信息。

審計記錄：系統(tǒng)記錄包含網(wǎng)絡(luò)活動在內(nèi)的所有來訪活動痕跡。這種記錄針對用戶進(jìn)行。系統(tǒng)的用戶可能分布在網(wǎng)絡(luò)上的任何接入點，身份認(rèn)證技術(shù)必須采用針對用戶的認(rèn)證方式，而不是針對地址或會話。

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)攻擊對系統(tǒng)所構(gòu)成的安全威脅也越來越大。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)重安全問題。

本系統(tǒng)遭受的攻擊可能來自廣域網(wǎng)其他節(jié)點和系統(tǒng)覆蓋的相關(guān)單位，網(wǎng)絡(luò)攻擊對業(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)與在線實時采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間建立數(shù)據(jù)傳輸通道。同時，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，以保證實時采集數(shù)據(jù)的安全性。

3 難點

3.1 現(xiàn)場情況復(fù)雜多樣

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

針對以上問題，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、原有計量器具相關(guān)信息，熟悉計量器具，設(shè)備復(fù)雜的還要去廠家進(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，爭取不影響單位的正常生產(chǎn)運作。

3.2 傳輸方式個性化

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

對于辦公面積大的公共機(jī)構(gòu)，如果進(jìn)行有線傳輸，電纜敷設(shè)工作量大，維護(hù)成本高。采用GPRS無線網(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。

在無線網(wǎng)絡(luò)信號良好的現(xiàn)場環(huán)境下，現(xiàn)場儀器儀表接一個RS485接口的ZigBee無線模塊作為無線路由器（從機(jī)）。

在無線網(wǎng)絡(luò)信號較差的現(xiàn)場環(huán)境下，現(xiàn)場儀器儀表接一個RS485接口的ZigBee無線模塊。在樓梯等信號減弱的地方，再裝一個ZigBee無線模塊作為中繼模塊。通過不斷增加模塊，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無障礙傳輸。

現(xiàn)場儀器儀表計量出來的數(shù)據(jù)，通過RS485總線傳輸?shù)絑igBee無線模塊（從機(jī)），然后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集終端連接的ZigBee無線模塊（主控）。

對于有些公共機(jī)構(gòu)，無線網(wǎng)絡(luò)信號較差，所需中繼模塊較多，可以直接和局域網(wǎng)的計算機(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)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接，采用統(tǒng)一的網(wǎng)線，減少了布線成本和難度，避免多種總線并存。

4 技術(shù)創(chuàng)新

4.1 采集系統(tǒng)拓?fù)鋱D的繪制

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

4.2 加入碳排放量計量

2011年10月，國家發(fā)改委辦公廳下發(fā)了《關(guān)于開展碳排放權(quán)交易試點工作的通知》（發(fā)改辦氣候（2011-2601號），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省市開展碳排放權(quán)交易試點工作。通過試點工作建立中國特色的碳排放權(quán)交易制度，為響應(yīng)國家號召、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，從而實現(xiàn)碳資源的最優(yōu)配置和我國經(jīng)濟(jì)的全面可持續(xù)發(fā)展。本系統(tǒng)加入碳排放量計量功能，可以根據(jù)采集到的公共機(jī)構(gòu)能源消費量自動計算出能源消費過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，為全國碳排放權(quán)交易市場法制建設(shè)提供了經(jīng)驗，同時也在未來的碳交易市場競爭中處于主動地位。

5 結(jié)語

公共機(jī)構(gòu)能源資源實時采集系統(tǒng)的研究可以為政府相關(guān)部門及時、準(zhǔn)確掌握各地區(qū)公共機(jī)構(gòu)節(jié)能情況，切實把加強(qiáng)計量工作作為推進(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)識別和評價能耗水平，推動公共機(jī)構(gòu)做好能源資源計量基礎(chǔ)工作；可以為社會提供節(jié)能信息服務(wù)，最終促進(jìn)社會節(jié)能降耗、減少對環(huán)境的污染，促進(jìn)新型經(jīng)濟(jì)以及和諧社會發(fā)展。

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