淺談基于LoRa的園區(qū)能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

時(shí)間：2022-06-24作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：182

【摘要】能耗管理系統(tǒng)是減少能源消耗、提高能源利用效率的有效途徑，是園區(qū)實(shí)現(xiàn)整體節(jié)能減排的必要手段。文中提出一種基于LoRa技術(shù)的園區(qū)能耗管理系統(tǒng)。LoRa技術(shù)的低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，為其在能耗管理系統(tǒng)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。管理系統(tǒng)由感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層組成。該系統(tǒng)建立了從能源供應(yīng)到用能終端的能源管控平臺(tái)，為能耗數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析和能源調(diào)度等提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：低功耗廣域網(wǎng)；LoRa技術(shù)；園區(qū)能耗管理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)
0  引言
研究表明，我國(guó)能源利用效率為33%，相比發(fā)達(dá)國(guó)家低10個(gè)百分點(diǎn)。能源問題給社會(huì)發(fā)展和環(huán)境資源帶來了巨大壓力，節(jié)能減排形式嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的粗放式能源管理方式和舉措難以滿足管理需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，尤其是低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術(shù)的興起，借助新興技術(shù)，搭建園區(qū)能源管理系統(tǒng)已成為推進(jìn)節(jié)能降耗和實(shí)現(xiàn)用能精細(xì)化管理的必然趨勢(shì)。園區(qū)能耗管理系統(tǒng)綜合運(yùn)用現(xiàn)代通信技術(shù)、能源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及需求側(cè)管理措施等，對(duì)園區(qū)內(nèi)各單位的耗能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)分析和集中管理，提升園區(qū)能源管理水平，降低能源成本。
目前，能耗管理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用 WiFi，ZigBee，存在信號(hào)衰減快、易受到其他信號(hào)干擾的問題。本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa（LongRange，LoRa）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱@區(qū)能耗管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)耗能的實(shí)時(shí)采集及科學(xué)預(yù)警。LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)的一種長(zhǎng)距離通信技術(shù)，解決了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸距離與低功耗不能兼得的問題。園區(qū)能耗管理系統(tǒng)利用園區(qū)內(nèi)各種傳感器采集耗能信息，實(shí)現(xiàn)采集、顯示、分析、診斷等功能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)的控制和優(yōu)化管理。
1  園區(qū)能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
園區(qū)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要水、暖、電、氣等多種能源供給，各種能源消耗具有范圍廣、時(shí)間不規(guī)律、消耗量大等特點(diǎn)。通過園區(qū)耗能數(shù)據(jù)采集、傳輸、數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了園區(qū)能源調(diào)配與優(yōu)化運(yùn)維。園區(qū)能源管理平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，由四部分組成，如圖 1 所示。

（1）感知層
作為整個(gè)能耗管理系統(tǒng)基礎(chǔ)重要的部分，由各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)組成。根據(jù)用能性質(zhì)，各傳感器節(jié)點(diǎn)部署在不同區(qū)域，監(jiān)測(cè)園區(qū)各種耗能數(shù)據(jù)。
（2）傳輸層
針對(duì)園區(qū)特點(diǎn)，從數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)采用 LoRa 技術(shù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，免去了綜合布線，降低了施工難度 ；從網(wǎng)關(guān)到數(shù)據(jù)中心，可采用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或 LoRa 技術(shù)。
（3）數(shù)據(jù)處理層
通過建立能耗評(píng)估模型，并利用數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、多維分析等手段對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為功能應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐。
（4）應(yīng)用層
能耗管理平臺(tái)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能耗地圖、能效管理、能效分析、能效診斷、輔助決策等功能，通過多維度、可視化的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與用戶的信息互動(dòng)。
 
2   LoRa 數(shù)據(jù)通信技術(shù)
LoRa 是美國(guó) Semtech 公司發(fā)布的一種基于擴(kuò)頻調(diào)制的解調(diào)技術(shù)，其特點(diǎn)是**遠(yuǎn)距離和低功耗。該技術(shù)主要針對(duì)小數(shù)據(jù)量、長(zhǎng)距離傳輸?shù)挠脩魣?chǎng)景。LoRa 具有的低功耗、遠(yuǎn)距離、大容量和穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠減少開發(fā)成本和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，適用于園區(qū)能耗管理系統(tǒng)。
LoRa 具有典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，架構(gòu)如圖 2 所示，主要由終端、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器三部分組成，終端設(shè)備應(yīng)用 LoRa 技術(shù)采用單跳模式，實(shí)現(xiàn)與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)的雙向通信。網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明的中繼，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP與服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)終端與服務(wù)器數(shù)據(jù)的交互。

 
3   基于LoRa 的園區(qū)能耗設(shè)計(jì)
通過需求分析，園區(qū)主要用能形式有水、暖、電、氣，主要監(jiān)測(cè)量有電量、流量、壓力、溫濕度、供回水溫差等。園區(qū)存在占地面積大，建筑分布廣、數(shù)量多、類型多樣，用能情況復(fù)雜的問題。目前工業(yè)園區(qū)耗能統(tǒng)計(jì)上普遍存在計(jì)量表不全或采用人工抄表方式，造成能耗數(shù)據(jù)不完整、不全等問題。由于缺乏準(zhǔn)確而詳實(shí)的能耗數(shù)據(jù)作為依據(jù)，因而無法進(jìn)行能源定量分析、能耗動(dòng)態(tài)趨勢(shì)分析，以及節(jié)能潛力的挖掘、節(jié)能效益的評(píng)價(jià)等方面的工作。例如，采用有線傳輸方式，存在園區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)位分布廣，數(shù)據(jù)傳輸面臨空間跨度大，網(wǎng)關(guān)、中繼設(shè)置地點(diǎn)選擇困難等問題。
LoRa 技術(shù)具有的遠(yuǎn)距離低功耗特點(diǎn)非常適用于園區(qū)能耗監(jiān)測(cè)。通過 LoRa 通信將能耗數(shù)據(jù)集中到服務(wù)器，管理層終端可通過云端讀取數(shù)據(jù)分析，并對(duì)整個(gè)能耗管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而形成良性循環(huán)，得出能耗管理的較好方案， 大大地提升能源利用效率，改善能源浪費(fèi)現(xiàn)象，達(dá)到節(jié)能減排的目的。
以某工業(yè)園區(qū)為例，根據(jù)能耗管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，將系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器 3 層。采用 LoRa 技術(shù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，免去綜合布線，降低施工成本。
針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過各類智能表計(jì)自動(dòng)化采集能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)能耗的分類、分項(xiàng)、分戶計(jì)量。園區(qū)中選擇帶有遠(yuǎn)傳功能的電度表、水表和冷熱計(jì)量表等，與 LoRa 模塊相連接，采用 Modbus RTU 協(xié)議并采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳輸至LoRa 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中上傳和統(tǒng)一管理。LoRa 網(wǎng)關(guān)程序流程框圖如圖 3 所示。

 
4   平臺(tái)功能
能耗管理平臺(tái)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能耗地圖、能效管理、能效分析、能效診斷、輔助決策等功能，從而實(shí)現(xiàn)能源調(diào)度、能耗動(dòng)態(tài)趨勢(shì)分析、能效分析診斷，節(jié)能潛力挖掘、節(jié)能效益評(píng)價(jià)等功能。能耗管理平臺(tái)如圖 4 所示。
 



5  安科瑞能耗管理云平臺(tái)功能
5.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)
 

 
5.2 平臺(tái)功能
 




 
5.3 設(shè)備選型
 


 
6  結(jié)語
本文針對(duì)LoRa技術(shù)低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，將其應(yīng)用于園區(qū)能耗管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了園區(qū)能耗的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析。后續(xù)將基于平臺(tái)積累的能源數(shù)據(jù)，為能源大數(shù)據(jù)模型的建立提供數(shù)據(jù)支撐，為較準(zhǔn)確的能源調(diào)度和優(yōu)化提供有力支撐。

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