基于能源管理的智慧能源网关技术分析

　　摘要：为了推动新能源电器领域的发展，文章针对能源管理基础上的智慧能源网关技术展开分析。以北京凯昆广胜新能源电器有限公司为例，介绍智慧能源管理的作用，分析3种关键技术的实际应用，最后从系统框架设计、网关设计方案两个方面提出建议，以期能够发挥智慧能源网关技术优势，提高能源管理水平。

　　0　引言

　　智慧能源作为当前推动社会发展的新能源，为各个行业的发展提供了动力。尤其是新能源电器的开发，通过能源管理研发智能家居，有利于实现智能技术在电器行业的普及。但是目前能源管理过程中，为了满足信息共享与节能等多方面要求，采用智慧能源网关技术，已经成为新能源电器开发与设计的关键内容。

　　1　能源管理的智慧能源网关技术研究背景

　　1.1　案例分析

　　北京凯昆广胜新能源电器有限公司成立于2010年1月，主要业务是生产、研发、销售、维护环保设备。从2018年开始，凯昆广胜公司为了尽快适应经济发展趋势，着手企业内部的产业结构优化，并且明确了多方向综合发展模式，开始践行“能源为主、适度多元、产融结合、协同发展”的组合型业务发展战略。凯昆广胜企业在新能源开发方面，一直以可持续健康发展模式为主，期间实践“立足首都、依托京津冀、拓展全国、走向世界”的空间布局战略，打造针对能源环境的综合服务系统。该企业在能源管理方面，采用了智慧能源网关技术，不仅实现能源管理信息共享，还提高了数据计算效率与准确性，是企业改革的关键性举措。

　　1.2　智慧能源管理价值意义

　　我国在 “十二五”规划中已经有关于能源管理的相关要求，并且在社会中深入推进了节能减排工程。现如今，人们越来越重视能源节约，新能源电器便成为行业领域内的重要发展趋势。能源管理中的智慧能源网关技术的优势也在这一条件下加以体现：①为用户提供智能体验。智慧能源管理的前提是保证用户原本的体验度，既能够便捷的使用电器，又可以减少电力能源耗损；②智慧能源控制方面，可以采用实时在线控制这一方法，为用户实时观测、控制电气能源提供便利，即便是在无人值守时也可以避免能源浪费；③智慧能源管理可节省电力能源，降低用户电费量。

　　2　智慧能源网关关键技术

　　2.1　共享通信通道设计技术

　　智慧能源通信中转中心是网关以太网通信模块，可以保持与主站的通信，且通信速度与光纤通信网络速度直接关联，另外还具有抄读电能表、水表与气表等数据的功能，所有能源管理模式转变为分布式管理与集中管理。以太网支持多个IP在同一时间访问以及多主站之间的实时通信，为能源网关赋予智能化功能。一般水表与气表通信通道主要采用的是MBUS、LoRa，按照MBUS、LoRa通信属性，为了实现主站采集通信质量，网关会通过定时采集数据的方式，将水表与气表数据储存到存储器内。如果主站需要数据，网关可以将之前储存的数据上传至主站系统中。主站如果要读取水表和气表的数据，可以在网关中直接采集，再利用转存设计实现数据采集通信，避免通信环节的时间延时现象。

　　2.2　非侵入式负荷识别技术

　　智慧能源网关中应用非侵入式负荷识别技术，包括电力负荷监测技术与分解技术，针对用户入口功率总线呈现的电气特征量进行监控，采集数据之后重新计算，细化用户环境负荷，并且展开分项计量，将负荷分项计量电量、负荷实时运行曲线实时输出，以此拓宽电力数据来源渠道，为新能源电器提供新型数据。另外，应用快速傅氏变换改进算法可以得到电压与电流的有效值，准确识别周波数据、有效值数据，所有数据遍历特征库后若符合特征库要求，那么对应参数的行为结果便会归结到该类负荷中，通过累计获得各个负荷用电数据。若遍历之后数据特征与特征参数不符，需要运用高速数据缓存的方式，将离散点数据全部储存，一次数据点聚类分析分别对应各个时间窗口，最终得出的分析结果再与有效值对比分析，便可获得任意负荷完整启停序列。序列经过累计之后，达到规定容量便可以开启二次聚类，最终结果中同时涉及到启停信息负荷特征分类结果，即特征库，将其归纳到系统中在负荷识别中加以应用。

　　2.3　远程升级技术

　　主站提出升级申请，将网关软件版本抄读之后，如果升级程序版本已经超过运行版本，便可以传输升级报文，升级报文通常会超过100k，必须要采用分帧传输的方式才能够提高效率。连续传输升级包报文结束之后会有验证环节，确保文件内容的完整性。验证确定网关升级包后，所有程序进入升级阶段，当最新版本号显示便可证明升级成功。若升级期间发生异常现象，网关会在后续上电操作时再次提出升级申请，或是主站提出命令重新进行升级。

　　3　基于能源管理的智慧能源网关系统设计

　　3.1　系统框架设计

　　网关具有综合性特点，其中包括互联网、电网通信系统，为信息采集提供带宽保证，即便是大量数据同时计算，也可以保证灵敏性。为了满足不断变化的电价政策要求，电能表需要具备互动性能，另外也需要对其他能力进行优化，包括负荷识别能力、采集终端数据处理能力、主站系数据交互能力等。所以，能源管理智慧能源网关系统设计期间，务必要选择合适的计量装置技术，搭建系统看框架，满足智慧能源网关设计要求。

　　网关属于多功能智慧型电能表，同时具备计量、分时计量与负荷控制等多种功能，这种全新的电能表符合国际要求，采用对象通信协议与配电线报文规范要求，计量精度为1级。另外，通信方式选择以太网，支持和主站的直接通信，避免中间设备导致的延时问题，使通信效率显著提升。网关外观为模块化结构，所有通信模块均可按照需求插拔与替换，满足新能源电器的使用需求。

　　3.2　智慧能源网关设计方案

　　智慧能源网关系统包括计量系统主站、通信管理模块、管理芯、计量芯、负荷识别5个模块，其中计量芯、管理芯集成于电路板，两者之间密不可分，同步负责电能表法制计量、事件记录、异常报警等功能；通信管理模块的作用是连接主站和电能表，实现双方通信交互与通信数据传输，主站提出请求之后，将需要的数据传输到目的地予以更换；计量芯主要的功能是采集用电数据，用电设备所有数据经过电流采样回路、电压采样回路之后，通过精度比较高的ADC实时采样，将采集到的用电数据储存在SRAM（静态随机存取存储器）内，由管理芯读取储存数据作为电量计算的依据，得出最终结果存储即可。

　　通信管理模块、管理芯维持通信，主要依靠串口通信，这一阶段的通信设计需要具备可靠性，并且支持可插拔操作，接口还要具备抗干扰性。管理芯能够对水表与气表数据进行集抄，实时更新用电数据变化情况，如果计量系统主站需要召测数据，要马上将对应的数据上传到主站中，提高数据传输与通信效率。负荷识别模块具有完全独立性，可以实现采样、负荷识别自有算法以及负荷特征库管理等操作，由网关为负荷识别模块提供运行需要的电源与通信接口。因为电能表属于法制计量设备，在性能方面有非常严格的规定，其中负荷识别模块具有独立性，所以即便在运行中出现故障，也不会阻碍电能表其他功能的使用。

　　4　结语

　　综上所述，在能源管理过程中采用智慧能源网关技术，不仅是行业领域创新改革的一项重要举措，还是企业开发新能源电器不可缺少的技术支持，合理选择智慧能源网关技术，搭建功能、结构完善的智能网关系统，维持电力设备的正常运行，从而提高企业市场竞争力，在智慧能源管理领域占有有利位置。

　　作者简介：张继凯（1985-），男，北京人，就职于北京凯昆广胜新能源电器有限公司，研究方向：能源设备技术研发及管理。

　　参考文献

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　　[3]黄飞，吴波，徐春蕾．基于工业物联网的智慧能源管理系统研究与开发[J]．仪器仪表标准化与计量，2019（6）：24-28．

　　（责任编辑：刘振敏）