冯玉辉 李杰 尹遵义 / 山东省计量科学研究院

公共机构能源资源实时采集系统

冯玉辉 李杰 尹遵义 / 山东省计量科学研究院

0 引言

能源资源计量是统计、监测及管理能源资源消费的重要基础，是科学、合理评价公共机构节能管理水平和用能效率的根本保证。目前，公共机构对能源资源计量工作重要性认识不足、管理不到位、计量器具配备率低等问题已成为节能工作深入开展的制约性因素。通过采用先进通信手段和物联网技术建立公共机构能源资源实时采集系统，对公共机构的能耗数据实施在线实时采集，及时、准确掌握公共机构的能耗数据，是提高公共机构能源利用效率、发挥公共机构在全社会节能中表率作用的重要措施。

1 系统

公共机构能源资源实时采集系统是将公共机构的水、电、气等能源计量数据，通过通信网络实现能源计量数据采集、传输、处理和统计的信息系统，主要包括能源计量数据采集系统、传输系统、处理系统三个部分，见图1。

图1 公共机构能源资源实时采集系统

数据采集终端对能源计量器具的能耗数据进行采集、存储和上传；数据集中终端将若干个数据采集终端上传的能源计量数据或能源计量器具的能耗数据进行集中存储，并通过数据传输系统将数据上传到数据处理系统；最后数据处理系统将数据采集终端、数据集中终端上传的能源计量数据进行集中存储、处理、统计、分析、管理和发布。系统通过互联网、移动无线通信网络，利用在线监测监控、手工在线填报等方式建立公共机构能耗数据库和公共机构能耗动态监测与分析系统，实现对公共机构水、电、气等能源消耗状况的信息收集和能耗水平分析评价，帮助公共机构和社会实现节能和环保。

公共机构能源资源实时采集系统涉及计算机局域网和互联网技术，GPRS/CDMA无线通信技术，耗能设备及能耗计量仪表监测监控、数据采集技术，实时数据库技术、数据分析技术。此外，还涉及国内外用能单位能耗水平识别与评价等技术和方法。这些技术和方法为构建系统模型提供了十分重要的基础。

2 数据安全

数据的安全性包括数据保护、传输安全、访问安全和网络安全。

2.1 数据保护控制

如果遇到网络不通，数据可以暂存在缓存区，待网络通后，再继续发送之前的数据。如果遇到紧急停电，可以自动计时，并对数据进行掉电存贮，保存现场数据。

2.2 传输安全控制

对数据进行安全控制，包括数据的加密、解密以及数字签名、验签和数字证书的发放功能，支持SM2密码算法的数字证书安全认证。

实现物理身份和网络身份的绑定，从而保证数据的真实性；

对传送的信息进行校验，保证信息在传输过程中不被篡改或丢失，从而确保数据的完整性；

对信息加密，只有接收方才能阅读加密的信息，从而保证数据的机密性。

2.3 访问安全控制

本系统数据的采集、汇总、上报主要采用自动方式，数据分析结果将以登录系统方式查询，因此直接参与系统操作的人员较多。系统具有安全、完备的用户识别功能，针对用户的登录访问进行权限控制，涵盖功能权限和数据范围权限等两方面的内容。

身份认证：使用身份认证技术，对网络上的用户进行验证，以确认对方的真实身份。

授权：对角色进行管理，控制用户是否能够访问应用系统的信息，并约束用户具体操作权限，例如可以设定用户允许修改信息还是只能读取信息。

审计记录：系统记录包含网络活动在内的所有来访活动痕迹。这种记录针对用户进行。系统的用户可能分布在网络上的任何接入点，身份认证技术必须采用针对用户的认证方式，而不是针对地址或会话。

2.4 网络安全控制

随着攻击技术的不断发展，网络攻击对系统所构成的安全威胁也越来越大。攻击者利用系统或网络服务的漏洞，可能导致数据窃取、篡改甚至网络瘫痪等严重安全问题。

本系统遭受的攻击可能来自广域网其他节点和系统覆盖的相关单位，网络攻击对业务系统造成的负面影响较大，所以必须采用安全可靠的隔离技术，在智能仪表网络与在线实时采集系统网络之间建立数据传输通道。同时，系统还具有完备的异地定期备份机制和灾难恢复机制，以保证实时采集数据的安全性。

3 难点

3.1 现场情况复杂多样

由于每个公共机构的计量器具安装情况不同，在实施数据采集过程中遇到很多困难，例如公共机构原有计量器具不支持通信；有的计量器具上标识了支持通信，但实际没有配置相关通信模块；安装新购计量器具进行数据采集时，可能影响公共机构的正常工作。

针对以上问题，主抓源头，在施工前做好充分准备，做好情况调研和施工人员的培训，包括收集公共机构工作情况、用能特点、原有计量器具相关信息，熟悉计量器具，设备复杂的还要去厂家进行安装使用培训。另外，根据调研情况做好施工方案，尽量小施工、不施工，争取不影响单位的正常生产运作。

3.2 传输方式个性化

根据现场环境和网络不同，采用GPRS、WIFI等无线网络、企业内部网络、互联网等进行传输。

对于办公面积大的公共机构，如果进行有线传输，电缆敷设工作量大，维护成本高。采用GPRS无线网络进行传输，安装方便，使用灵活，传输距离最高可达1 600 m。

在无线网络信号良好的现场环境下，现场仪器仪表接一个RS485接口的ZigBee无线模块作为无线路由器（从机）。

在无线网络信号较差的现场环境下，现场仪器仪表接一个RS485接口的ZigBee无线模块。在楼梯等信号减弱的地方，再装一个ZigBee无线模块作为中继模块。通过不断增加模块，最终实现数据的无障碍传输。

现场仪器仪表计量出来的数据，通过RS485总线传输到ZigBee无线模块（从机），然后通过无线网络传输到数据采集终端连接的ZigBee无线模块（主控）。

对于有些公共机构，无线网络信号较差，所需中继模块较多，可以直接和局域网的计算机互连而不要增加额外的硬件设备，方便数据在局域网的共享，可以和现有基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接，采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。

4 技术创新

4.1 采集系统拓扑图的绘制

通过本系统内置算法，初步完成了公共机构能源计量拓扑图的绘制，实现每种能源1个拓扑图，包括电能计量拓扑图、蒸汽计量拓扑图、水资源计量拓扑图等。故障报警与拓扑图相结合，故障能在拓扑图上直接体现出来。当监测采集网络不通或设备故障时，拓扑图监测采集点显示红色报警信息，显示直观，一目了然。

4.2 加入碳排放量计量

2011年10月，国家发改委办公厅下发了《关于开展碳排放权交易试点工作的通知》（发改办气候（2011-2601号），批准北京、天津、上海、重庆4大直辖市，外加湖北（武汉）、广东（广州）、深圳等7省市开展碳排放权交易试点工作。通过试点工作建立中国特色的碳排放权交易制度，为响应国家号召、促进低碳经济的发展和温室效应的控制提供有效可行的政策建议，从而实现碳资源的最优配置和我国经济的全面可持续发展。本系统加入碳排放量计量功能，可以根据采集到的公共机构能源消费量自动计算出能源消费过程中排放的温室气体排放量，让公共机构更加直观了解碳排放情况，为全国碳排放权交易市场法制建设提供了经验，同时也在未来的碳交易市场竞争中处于主动地位。

5 结语

公共机构能源资源实时采集系统的研究可以为政府相关部门及时、准确掌握各地区公共机构节能情况，切实把加强计量工作作为推进节能工作的重要内容；可以帮助公共机构科学识别和评价能耗水平，推动公共机构做好能源资源计量基础工作；可以为社会提供节能信息服务，最终促进社会节能降耗、减少对环境的污染，促进新型经济以及和谐社会发展。

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［2］何俊杰. 基于能耗统计数据的公共机构节能管理的探讨——以浙江省青田县为例［J］. 统计与管理，2014（12）：37-38.

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