構(gòu)建能源物聯(lián)網(wǎng)，助力電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)，大步邁進工業(yè)4.0時代

王蘭

(安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801)

摘要：EIoT是安科瑞推出的基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺的能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺，本文結(jié)合F5G和EIoT，為分布廣泛的互聯(lián)網(wǎng)用戶提供PAAS服務(wù)的平臺。用戶完成安科瑞物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品安裝之后，可通過手機掃碼便捷地實現(xiàn)產(chǎn)品接入平臺，無需關(guān)注調(diào)試和平臺運作過程，并可選擇平臺功能，獲得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù), 更好地實現(xiàn)了電網(wǎng)可靠、經(jīng)濟、高效、綠色的目標(biāo)和各種電力終端的全面感知和互聯(lián)。

關(guān)鍵詞：F5G；EIoT；能源物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)服務(wù)

       隨著互聯(lián)網(wǎng)固定網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的代際演進，F(xiàn)5G悄然來臨。在數(shù)字中國、智慧社會的數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，帶寬、聯(lián)接、體驗的第五代提升將更好的實現(xiàn)人與人之間的情感傳遞，更全面的賦能新業(yè)務(wù)模式。

       對電力行業(yè)來說，過去傳統(tǒng)粗放、低效的能源生產(chǎn)和管理模式已經(jīng)不能滿足整個行業(yè)的快速發(fā)展訴求。實現(xiàn)電網(wǎng)可靠、經(jīng)濟、高效、綠色的目標(biāo)和各種電力終端的全面感知和互聯(lián)，通信技術(shù)是基礎(chǔ)支撐。

       同時隨著電力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求呈爆炸式增長，亟待超大帶寬的新技術(shù)賦能，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足需求，全面光纖化成為大勢所趨。

       Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺的客戶群體分為兩類：第一類是互聯(lián)網(wǎng)用戶；第二類是智慧城市?；ヂ?lián)網(wǎng)用戶一般包括如下幾個類型：

       （1）某個出租戶有三五間公寓出租，需要計量收取水電費；

       （2）有幾間連鎖小超市，想要做能源管理、遠程控制和電氣安全管理；

       （3）某個小區(qū)的物業(yè)，想購買幾臺充電樁作為集中充電管理，需要收費運營；

       （4）某棟樓樓管，僅需幾塊表，對樓層進行能源計量管理；

       （5）某個小工廠，想要管理自家小工廠的電力計量；

       （6）某個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成商想要直接獲取物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，需要一個統(tǒng)一的管理平臺；

       傳統(tǒng)的商業(yè)模式對這類互聯(lián)網(wǎng)用戶的弊端有一下幾個方面：

       （1）數(shù)據(jù)系統(tǒng)價格偏高

       （2）需要多樣化數(shù)據(jù)服務(wù)

       （3）調(diào)試過于專業(yè)

       （5）系統(tǒng)硬件選型過于專業(yè)

       （6）服務(wù)繳費不便捷

       智慧城市的需求如下：

       （1）需要接入各種類型的海量硬件

       （2）需要提取領(lǐng)導(dǎo)層關(guān)注的監(jiān)管信息，結(jié)合GIS、BIM等數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)宏觀監(jiān)管

       （3）提供統(tǒng)一的運營服務(wù)平臺，向終端用戶提供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)

       能源物聯(lián)網(wǎng)以能源供應(yīng)、能源管理、設(shè)備管理、能耗分析的能源流向為主線，將能源生產(chǎn)加工、分配傳輸、消耗、節(jié)能各個環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，結(jié)合人與物的互聯(lián)，構(gòu)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(shù)據(jù)流形式和業(yè)務(wù)流的形式與平臺交互。

（1）組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

       Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由感知層（終端采集設(shè)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）三個部分組成。

       ① 感知層：連接于網(wǎng)絡(luò)中的各類傳感器，包括多功能儀表、預(yù)付費電表、多回路儀表、物聯(lián)網(wǎng)電表、物聯(lián)網(wǎng)水表、電瓶車充電樁、汽車充電樁、路燈控制器等。

       ② 網(wǎng)絡(luò)層：智能網(wǎng)關(guān)，采集感知層的數(shù)據(jù)，進行規(guī)約轉(zhuǎn)換及存儲之后將數(shù)據(jù)上傳至能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

       ③平臺層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，可在PC端或移動端實現(xiàn)應(yīng)用。

（2）平臺架構(gòu)

        Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分層分布式的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包括：感知層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層和運營層。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖所示。

       傳感器層包括了我司的各類產(chǎn)品，是整個系統(tǒng)的底層，也是構(gòu)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(yù)付費電表、多回路儀表、物聯(lián)網(wǎng)電表、物聯(lián)網(wǎng)水表、電瓶車充電樁、汽車充電樁、路燈控制器等設(shè)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(wù)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(yīng)用層是指Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺，主要實現(xiàn)各種功能應(yīng)用，平臺按照能源的流向分為能源供應(yīng)、能源管理、設(shè)備管理和能耗分析4大板塊，其中能源供應(yīng)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(shè)備管理包括智能照明、預(yù)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。

（1）能源供應(yīng)

① 電力集抄功能模塊

       隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類規(guī)模大小不等，設(shè)備種類、數(shù)量不同的含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機房廣泛分布于用戶各分支機構(gòu)所在地域，由于欠缺與運行網(wǎng)絡(luò)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(shè)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，也就很難被有效預(yù)見、防范和避免。因此在配電室內(nèi)安裝環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)配電室內(nèi)環(huán)境的在線監(jiān)測，保障配電室設(shè)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(yù)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(nèi)各設(shè)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。

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(fēng)險預(yù)防薄弱等問題。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，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(wǎng)關(guān)及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過智能網(wǎng)關(guān)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(guān)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(nèi)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(wù)到固定人員手機上，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。

（2）能源管理

① 安全用電功能模塊

       據(jù)應(yīng)急管理部網(wǎng)站數(shù)據(jù)，2016~2018年期間因為電氣原因?qū)е碌幕馂?zāi)占總數(shù)的30%~34%左右，其中2018年全國共接報火災(zāi)23.7萬起，因違反電氣安裝使用規(guī)定引發(fā)的火災(zāi)占總數(shù)的34.6%，較大和重大火災(zāi)事故中，電氣火災(zāi)的比例更高。國務(wù)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(yù)防電氣火災(zāi)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(xué)校、金融網(wǎng)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(zāi)的主要因素（線纜溫度、漏電電流、負(fù)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(shè)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(yù)警，有效防止電氣火災(zāi)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)。

②電能質(zhì)量功能模塊

       電能質(zhì)量問題越來越受到關(guān)注，已成為電力系統(tǒng)的研究熱點之一。一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種精密復(fù)雜用電設(shè)備的廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備很大部分對電能質(zhì)量非常敏感；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(dǎo)致電能質(zhì)量變的非常不穩(wěn)定。對電能質(zhì)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(yīng)的擾動源進行有效的調(diào)節(jié)和補償。因此，改善和提高電能質(zhì)量的關(guān)鍵在于及時、準(zhǔn)確地獲取各種擾動信號源的信息。

       電能質(zhì)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(chǎn)生報警，觸發(fā)APP、手機短信、郵件、釘釘、語音等多種方式提醒。

（3）設(shè)備管理

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(lǐng)域的能源消耗在總的能源消耗中占了相當(dāng)大的比例，節(jié)約能源和提高照明質(zhì)量是當(dāng)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。

       智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(yù)警和報警，預(yù)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)?，快速到達責(zé)任人的身邊，提醒運行人員接觸器跳閘，電源失壓等等。

② 預(yù)付費水電功能模塊

       預(yù)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(xué)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(wù)操作，在線支付，總部財務(wù)扎口等。目前預(yù)付費水電已經(jīng)成功在上述各場景得到廣泛的應(yīng)用并已經(jīng)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(yù)付費管理，或者學(xué)校對學(xué)生宿舍的用電預(yù)付費和用電安全管控系統(tǒng)。

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(guān)的安全和火災(zāi)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(chǎn)安全的一個隱患?；陔妱幼孕熊嚮馂?zāi)的危害和特點，各級部門發(fā)文對電動自行車火災(zāi)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(wǎng)技術(shù)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(yù)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(yīng)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(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，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(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題，可應(yīng)用于商業(yè)樓宇、小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院等場所設(shè)置的電動自行車充電場所的運營管理。

（4）能源分析

① 能源管理功能模塊

       為了穩(wěn)步推進雙碳目標(biāo)，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(yīng)對能耗雙控以保障正常生產(chǎn)?，F(xiàn)有大部分企業(yè)依然采用電、水、氣、冷、熱等各種能源供應(yīng)系統(tǒng)“單獨規(guī)劃、單獨設(shè)計、獨立運行"的模式。普遍存在計量檢測到配備不足；計量設(shè)備計量精度不高、計量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；人工抄表可靠性低；難以有效監(jiān)測和評估主要耗能設(shè)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)；缺乏有效的企業(yè)能效評估指標(biāo)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(shù)，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機結(jié)合起來，運用先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)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(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

① 增值服務(wù)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(yīng)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(guān)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(yīng)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(wǎng)的快速發(fā)展，應(yīng)用需求往往更新迭代非?？?，而設(shè)備廠商往往沒有相關(guān)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(wù)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(wǎng)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(yīng)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(biāo)拖拽的方式調(diào)整組態(tài)畫面元件的屬性、位置、尺寸等，并內(nèi)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(shù)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?jǐn)?shù)據(jù)展示、遠程控制等功能。

（2）3D可視化

       3D可視化技術(shù)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(wù)，助力企業(yè)能源經(jīng)濟雙向管理，提升能源管理水平?？梢詫崿F(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(shè)備運行狀態(tài)；智能巡檢，自動分析巡檢路徑上的設(shè)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(jié)果。

       梅特卡夫定律告訴我們，一個網(wǎng)絡(luò)的價值等于該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點數(shù)的平方，而且該網(wǎng)絡(luò)的價值與聯(lián)網(wǎng)的用戶數(shù)的平方成正比。這代表著，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備越多，網(wǎng)絡(luò)的價值就會越大。所以，F(xiàn)5G也意味著能源物聯(lián)網(wǎng)未來將會承載更大的經(jīng)濟價值。F5G的光路更寬、更廣，讓接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備更多，智慧也就更多。F5G作為新一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，為能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供一張面向未來的智慧光路。