李杰 傅爾權(quán) 李宇宸 周云騰 馬海峰

摘要：文章詳細分析了能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)過程中基于安全隔離的能源計量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)的作用和實際價值。

Abstract： The article analyses the role and value of energy measurement data information switch system based on security isolation during construction of energy consumption online monitoring system.

關(guān)鍵詞：能耗在線監(jiān)測;能源計量數(shù)據(jù);信息交換系統(tǒng)

Key words： energy consumption online monitoring;energy measurement data;information switch system

中圖分類號：TP274+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）15-0145-03

0 ?引言

黨的“十九大”強調(diào)推動綠色發(fā)展、壯大節(jié)能環(huán)保、清潔生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，同時要求政府部門增強執(zhí)政本領(lǐng)，善于運用互聯(lián)網(wǎng)和信息化的手段開展工作，建設(shè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，一方面通過設(shè)計、研發(fā)、咨詢、運營等各個環(huán)節(jié)，有利于培養(yǎng)和發(fā)展節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)，另一方面，不斷降低生產(chǎn)過程中的能耗，減少污染的排放，推動清潔生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與節(jié)能減排、生態(tài)文明建設(shè)的深度融合，提高我國節(jié)能減排信息化管理水平。

用能單位通過能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)及時獲得準(zhǔn)確的能源計量數(shù)據(jù)信息，這不僅限于本企業(yè)的數(shù)據(jù)信息，在信息安全、保密的前提下也可通過系統(tǒng)獲得橫向的、本行業(yè)的領(lǐng)先的數(shù)據(jù)信息，可幫助企業(yè)發(fā)現(xiàn)自身存在的問題，開展對標(biāo)工作，通過優(yōu)化節(jié)能管理，進一步挖掘節(jié)能潛力減少能源消耗，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高效益，同時提高企業(yè)節(jié)能管理的信息化水平，實現(xiàn)智能化、精細化管理，這是今后一段時期重點用能單位節(jié)能管理的趨勢和方向。能源計量數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域示意圖見圖1。

1 ?用能單位能源管理信息化現(xiàn)狀

目前我國用能單位能源管理信息化主要通過以下方式實現(xiàn)：

——對接分布式控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）;

——企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP， Enterprise Resources Planning）;

——可編程邏輯控制器（PLC， Programmable Logic Controller）;

——智能電子設(shè)備（IED）;

——監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng);

——運動控制（MC）系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)（PCS）;

——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）;

——過程控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)（SIS）及相關(guān)的信息系統(tǒng)，例如先進控制或者多變量控制、在線優(yōu)化器、專用設(shè)備監(jiān)視器、圖形界面、過程歷時記錄、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和現(xiàn)場智能儀表等。

以上信息系統(tǒng)在采集、分析、匯總、上傳用能單位能耗數(shù)據(jù)方面都存有不同的缺點。如：集散控制系統(tǒng)（DCS）表現(xiàn)在首先是系統(tǒng)開放性不夠：各公司的集散控制系統(tǒng)之間、集散控制系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)之間不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的信息互訪、信息交換。其次是系統(tǒng)采用常規(guī)儀表輸出4～20mA的模擬信號。需要進行數(shù)字轉(zhuǎn)換。第三是控制功能靈活、適應(yīng)程度差：DCS系統(tǒng)使管理與控制相分離，它是先將現(xiàn)場各種控制設(shè)備連接至控制柜中然后通過電腦人機界面實現(xiàn)進行控制;

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是連接現(xiàn)場所有控制柜通過總線型式連接到中控室進行控制。但FCS是通過現(xiàn)場總線連接各控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線的協(xié)議比較亂，不像目前DCS都差不多是TCP/IP協(xié)議了，今后的擴展會有問題，種種因素造成了不可能普及。

可編程邏輯控制器PLC，為不開放的封閉結(jié)構(gòu)，各可編程邏輯控制器生產(chǎn)廠家的硬件不能相互兼容，其語言指令迥異，如果客戶選擇了某一個廠家的產(chǎn)品，在系統(tǒng)的控制程序、編程語言等方面都需要額外特定學(xué)習(xí)。

究其上述諸多原因，為保證能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、互聯(lián)互通、信息共享的建設(shè)原則，就需在企業(yè)端建設(shè)具備能夠兼容主流協(xié)議和主流接口，提供實現(xiàn)與主流儀器儀表、DCS、能源管理系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)通訊功能和具備信息安全隔離功能的一種能源計量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)，以完成數(shù)據(jù)采集、處理、匯集、上傳能源計量數(shù)據(jù)的任務(wù)。

2 ?能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)基本架構(gòu)

重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)采用“國家平臺+省級平臺+重點用能單位端系統(tǒng)”的架構(gòu)，為各部委、各地節(jié)能主管部門節(jié)能監(jiān)管及為“百千萬”重點用能單位節(jié)能改造予以必要支持，促進重點用能單位能效提升。重點用能單位需按照《用能單位能源計量器具配置和管理通則》（GB 17167）配備計量儀表。

能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)基本架構(gòu)圖見圖2。

國家平臺部署在國家電子政務(wù)外網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，由國家節(jié)能中心實施建設(shè)，其主要作用為接收并分析各地方能源信息平臺或“百千萬”重點用能單位的能耗數(shù)據(jù)，為國家能耗監(jiān)管及“百千萬”重點用能單位節(jié)能管理提供服務(wù)。國家平臺達到國家信息安全等級保護三級要求，可以為相關(guān)部委提供數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)信息共享。

省級平臺是監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)域性公共服務(wù)平臺，也稱“省級能源計量數(shù)據(jù)中心”。部署在各?。▍^(qū)、市）電子政務(wù)外網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，用于接收、存儲、匯總、分析本地區(qū)內(nèi)重點用能單位能耗在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，支持接入市級平臺上傳的能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)，并具備向國家平臺發(fā)送能耗數(shù)據(jù)的功能。

市級平臺部署在市（自治州）相關(guān)部門，接收、存儲、匯總、分析、上傳本地區(qū)內(nèi)重點用能單位能耗在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，為本地相關(guān)政府部門、用能單位提供應(yīng)用服務(wù)，也稱“市級能源計量數(shù)據(jù)中心”。

重點用能單位端系統(tǒng)一般由能源計量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)、計量器具、工業(yè)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的管理軟件等組成，部署在重點用能單位內(nèi)部，由重點用能單位負(fù)責(zé)建設(shè)，主要為用能單位提供能源管理服務(wù)。

?。ㄊ校┘壠脚_與重點用能單位之間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：用能企業(yè)側(cè)安裝能源計量器具，通過在企業(yè)內(nèi)部安裝能源計量數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、智能電表等多種方式，通過網(wǎng)絡(luò)把相關(guān)的能源數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞。ㄊ校┢脚_。不同類型及規(guī)模的企業(yè)涉及的數(shù)據(jù)采集及傳輸方式有所不同，如圖3企業(yè)能耗數(shù)據(jù)采集傳輸方式示意圖所示。

3 ?能源計量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)

①定義：指放置在重點用能單位，用于采集、分析、匯總用能單位能耗數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)平臺的設(shè)備總稱。

②作用：在企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最外端放置能源計量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)，不打破企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)有信息安全等級結(jié)構(gòu)。通過內(nèi)網(wǎng)主機與現(xiàn)有信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，建立數(shù)據(jù)訪問通道，從企業(yè)數(shù)字化平臺的中間數(shù)據(jù)庫中獲取上報數(shù)據(jù)，內(nèi)網(wǎng)主機通過安全通道將數(shù)據(jù)單向擺渡到外網(wǎng)主機。在中間數(shù)據(jù)庫增加數(shù)據(jù)審核維護功能以提高企業(yè)上報數(shù)據(jù)質(zhì)量。外網(wǎng)主機主要負(fù)責(zé)基于CA證書的安全身份認(rèn)證，與上級平臺建立基于https的安全通道，進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（服務(wù)內(nèi)容）的下載和定期上傳能耗在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。外網(wǎng)主機獲取到由內(nèi)網(wǎng)主機發(fā)送的數(shù)據(jù)后，會進行處理和暫存，按照設(shè)定的時間和頻率將數(shù)據(jù)上傳至上級平臺。能源計量數(shù)據(jù)采集與上傳示意圖見圖4。

1）可為用能單位提供節(jié)能信息、行業(yè)能效信息等數(shù)據(jù)服務(wù);2）可通過有線或無線方式采集重點用能單位的能耗相關(guān)數(shù)據(jù);3）對數(shù)據(jù)進行匯總，驗證、篩選、整理打包，對接上級平臺;4）對生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)進行物理隔離。

③系統(tǒng)實施要點。

1）內(nèi)外網(wǎng)連接和端口映射。內(nèi)外網(wǎng)主機不要連接到同一個網(wǎng)段上，并且數(shù)據(jù)總是通過內(nèi)網(wǎng)主機向外網(wǎng)主機擺渡。2）用戶管理。用戶登錄密碼設(shè)置為長密碼和字母數(shù)字、特殊字符混合密碼，增強安全性。普通用戶應(yīng)設(shè)置有效期。超級用戶和普通用戶權(quán)限不交叉。3）基礎(chǔ)信息配置。企業(yè)基礎(chǔ)信息包括用能單位社會統(tǒng)一信用代碼、所屬地區(qū)、所屬行業(yè)、地理位置、年能耗水平，耗用能源和生產(chǎn)產(chǎn)品等;用能單位耗能層級結(jié)構(gòu)信息包括全廠、生產(chǎn)工序、工序單位、重點用能設(shè)備等。4）能源計量器具臺賬和能源計量器具層級設(shè)置。建立企業(yè)能源計量器具臺帳，對計量器具檔案信息進行維護，包括計量器具核心信息、屬性參數(shù)、檢定/校準(zhǔn)、安裝信息。構(gòu)建計量器具的層級關(guān)系，便于企業(yè)更好的管理維護能源計量儀表。5）采集變量和上報指標(biāo)配置。配置采集變量與計量器具之間的關(guān)系是配置上報指標(biāo)的基礎(chǔ)，包括自動采集變量和手工采集變量。上報指標(biāo)配置包括實時指標(biāo)配置、日指標(biāo)配置和月指標(biāo)配置。6）數(shù)據(jù)交換路徑配置。數(shù)據(jù)交換路徑包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)下載地址、平臺版本校驗地址、用能單位基礎(chǔ)信息上傳和下載地址、用能單位采集數(shù)據(jù)上傳和下載地址，可配置為同時向國家級、省級、市級數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。7）數(shù)據(jù)交換路徑配置。數(shù)據(jù)交換路徑包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)下載地址、平臺版本校驗地址、用能單位基礎(chǔ)信息上傳和下載地址、用能單位采集數(shù)據(jù)上傳和下載地址，可配置為同時向國家級、省級、市級數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。

④優(yōu)點。

部署在重點用能單位端的能源計量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)，基于設(shè)計理念的優(yōu)勢其具備以下優(yōu)點：

第一是高適用性：交換系統(tǒng)關(guān)注于工業(yè)控制領(lǐng)域的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議處理，通過內(nèi)網(wǎng)主機配備的隔離RS485總線接口以及8路千兆以太網(wǎng)接口，可以與包括但不限于工業(yè)領(lǐng)域最通用的通訊協(xié)議Modbus RTU、Modbus TCP、智能電表普遍采用的DL/T 645-1997/2007協(xié)議;智能水表、冷熱量表、燃氣表等常用的CJ/T 188-2004通訊協(xié)議;分布式控制系統(tǒng)（DCS）、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）等對外通訊的標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議OPC等實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集通訊。更加符合重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)中對能源數(shù)據(jù)的獲取與傳輸。交換系統(tǒng)接口圖見圖5。

第二是高可靠性：硬件結(jié)構(gòu)上采用了智能化變電站領(lǐng)域通訊管理機的專用平臺，硬件配置方面通過冗余電源輸入、低功耗無風(fēng)扇處理器、模塊化設(shè)計等技術(shù)，進一步強化整機系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行能力。

第三是冗余電源輸入：配備冗余可在線插拔的電源供電模塊，支持交直流輸入，交流寬電壓范圍達85～370V，完全可以過濾來自電網(wǎng)的電壓波動對主機系統(tǒng)的運行干擾。在單電源掉電情況系統(tǒng)自動告警并保持繼續(xù)穩(wěn)定運行。更換故障電源模塊時無需系統(tǒng)停機斷電，有效保障設(shè)備的穩(wěn)定可靠運行。

第四是高電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)：系統(tǒng)主機的外露千兆以太網(wǎng)口、通訊串口、電源輸入模塊等都采用了電源和信號隔離措施，確保設(shè)備供電來源及通訊總線不被通訊諧波、浪涌、靜電、電快速瞬變脈沖群干擾破壞。

第五是高便利性：充分考慮到用戶現(xiàn)場需要接入的設(shè)備種類多，差異大，通訊協(xié)議復(fù)雜多變的應(yīng)用場景，為提高數(shù)據(jù)配置效率及準(zhǔn)確度，專門配置了一套參數(shù)配置工具軟件。

第六是擴展彈性：模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實際項目需求情況對現(xiàn)有“2+1”架構(gòu)進行升級，增加一片主機板卡，用于防火墻或VPN軟件集成，輕松實現(xiàn)“3+1”架構(gòu);還可以根據(jù)實際項目需要擴展8/16路具備信號隔離設(shè)計的RS485總線板卡，實現(xiàn)對各種計量器具通訊接口的直接接入。

第七是該系統(tǒng)主要由內(nèi)、外網(wǎng)主機單元與數(shù)據(jù)交換單元（隔離交換芯片）三部分組成，基于多核多線程專用SUOS安全操作系統(tǒng)，采用類似船閘擺渡的工作原理在內(nèi)、外主機之間擺渡應(yīng)用數(shù)據(jù)，安全隔離網(wǎng)絡(luò)的同時做實時的數(shù)據(jù)交換。通過端設(shè)備的隔離功能和CA書字?jǐn)?shù)證書身份驗證滿足安全性要求;另外，為了保證數(shù)據(jù)的安全，建立SLL VPN虛擬專用網(wǎng)絡(luò)加密通道，進一步的保證數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的安全。

4 ?結(jié)束語

能源計量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)融合信息化、智能化、自動化等多項技術(shù)，可用于對水、點、氣、熱、油、動力等能耗的生產(chǎn)和使用情況進行實時監(jiān)測和統(tǒng)計分析，實現(xiàn)能源的全方位優(yōu)化管理。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，在線實時數(shù)據(jù)的采集與交換應(yīng)用越來越廣泛，基于安全隔離的能源計量數(shù)據(jù)信息交換系統(tǒng)，可滿足各行各業(yè)的能源計量數(shù)據(jù)實時在線采集和上報的需求，并對保證數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)質(zhì)量起著舉足輕重的作用。

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