CN113704325B - 一种基于工业互联网平台的能源管理系统 - Google Patents

一种基于工业互联网平台的能源管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于工业互联网平台的能源管理系统，包括数据采集模块、边缘计算终端模块和云平台；其中数据采集模块、边缘计算终端模块和云平台依次连接；其中数据采集模块用于采集企业用能设备的能源数据，并将采集到的能源数据传输至边缘计算终端模块；边缘计算终端模块用于对获取的能源数据进行汇聚和分析处理，将分析结果上传至云平台；以及根据获取的分析结果发出相应的决策指令；云平台用于对获取的分析结果进行企业能源管理、生成可视化信息和构建能源管理数据库。本发明有助于企业通过工业互联网云平台实现企业的能源管理，提高能源管理的智能化水平。

Description

一种基于工业互联网平台的能源管理系统
技术领域
本发明涉及能源管理技术领域，特别是一种基于工业互联网平台的能源管理系统。
背景技术
随着科技的进步，科技能改变很多事情，推动经济的发展，推动国家的实力进步。但是有关于能源的消耗始终是一个难题，为了适应社会的发展状态，在引领经济的发展的同时兼顾能源的可持续发展，当前大力推行碳排放管理，有助于推动能源市场的开放，促进企业实现低碳环保生产。
因此，在当前的碳排放管理环境下，提出一种能够适用于企业能源管理的系统，协助企业完成智能化的能源管理工作亟具需要。
发明内容
针对现有技术中企业针对在进行能源管理工作时，存在因智能化水平不足导致能源管理效果不佳的技术问题，本发明旨在提供一种基于工业互联网平台的能源管理系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
本发明提出一种基于工业互联网平台的能源管理系统，包括数据采集模块、边缘计算终端模块和云平台；其中数据采集模块、边缘计算终端模块和云平台依次连接；其中，
数据采集模块用于采集企业用能设备的能源数据，并将采集到的能源数据传输至边缘计算终端模块；
边缘计算终端模块用于对获取的能源数据进行汇聚和分析处理，将分析结果上传至云平台，并根据分析结果发出相应的决策指令；
云平台用于对获取的分析结果进行企业能源管理、生成可视化信息和构建能源管理数据库。
一种实施方式中，该系统还包括企业终端，企业终端与云平台连接，用于登录云平台对企业能源管理、查看可视化报表及访问企业对应的能源管理数据库。
一种实施方式中，数据采集模块包括多个传感器单元；
传感器单元用于采集用能设备的能源数据；多个传感器单元构建无线传感器网络，通过无线传感器网络将采集到的能源数据传输至边缘计算终端模块。
一种实施方式中，能源数据包括能源消耗数据、环境数据和设备运行状态数据等。
一种实施方式中，边缘计算终端模块包括边缘计算单元和边缘网关单元；
边缘网关单元用于接收由数据采集模块传输的能源数据，将接收到的能源数据进行汇聚；以及将汇聚后的能源数据连同由边缘计算单元获取的预警分析结果一同上传至云平台；
边缘计算单元，用于根据接收到能源数据进行分析，将设定时间周期内的能源数据与相应的标准范围进行比对，当存在周期内的能源数据超出对应的标准范围时，输出相应的预警分析结果。
一种实施方式中，云平台包括企业能源管理单元、可视化单元和企业数据库单元；
企业能源管理单元用于基于获取的能源消耗数据，根据预设的碳排放转换规则获取企业用能设备的碳排放量，对企业的碳排放量进行统计，并根据企业的碳排放指标和配额计算企业当前剩余的额度，获取相应的企业碳排放统计结果；并根据企业的碳排放量变化趋势对企业的碳排放量进行预测，并获取相应的碳排放分析预测结果；
可视化单元用于根据获取的能源数据、分析结果、企业碳排放统计结果和分析预测结果，基于预设的可视化模板进行可视化展示处理，生成相应的可视化展示页面；
企业数据库单元用于将企业对应的能源数据、分析结果、企业碳排放统计结果和碳排放分析预测结果进行分类存储管理，构建企业能源管理数据库。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种基于工业互联网云平台搭建的企业能源管理系统，通过数据采集模块对企业生产过程中用能设备产生的能源数据进行采集，基于边缘计算终端模块将采集到的能源数据进行汇聚后进行本地分析，完成现场用能设备的本地化决策管理，有助于提高用能设备管理的实时性，同时也有助于降低工业互联网云平台的数据处理负担；通过工业互联网云平台对企业用能设备的能源数据及相应的分析结果进行管理、可视化和存储，有助于企业通过工业互联网云平台实现企业的能源管理，提高能源管理的智能化水平。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明一种基于工业互联网平台的能源管理系统的示例性实施例框架结构图。
具体实施方式
结合以下应用场景对本发明作进一步描述。
参见图1实施例所示一种基于工业互联网平台的能源管理系统，包括数据采集模块、边缘计算终端模块和云平台；其中数据采集模块、边缘计算终端模块和云平台依次连接；其中，
数据采集模块用于采集企业用能设备的能源数据，并将采集到的能源数据传输至边缘计算终端模块；
边缘计算终端模块用于对获取的能源数据进行汇聚和分析处理，将分析结果上传至云平台；以及根据获取的分析结果发出相应的决策指令；
云平台用于对获取的分析结果进行企业能源管理、生成可视化信息和构建能源管理数据库。
本发明上述实施方式，提出了一种基于工业互联网云平台(云平台)搭建的企业能源管理系统，通过数据采集模块对企业生产过程中用能设备产生的能源数据进行采集，基于边缘计算终端模块将采集到的能源数据进行汇聚后进行本地分析，完成现场用能设备的本地化决策管理，有助于提高用能设备管理的实时性，同时也有助于降低工业互联网云平台的数据处理负担；通过工业互联网云平台对企业用能设备的能源数据及相应的分析结果进行管理、可视化和存储，有助于企业通过工业互联网云平台实现企业的能源管理，提高能源管理的智能化水平。
同时基于工业互联网云平台搭建的能源管理系统，能够同时为多个企业提供能源管理服务，有助于促进企业间的能源资源的互助(如碳交易)，提高企业碳排放管理的便捷水平。
一种实施方式中，该系统还包括企业终端，企业终端与云平台连接，用于登录云平台对企业能源管理、查看可视化报表及访问企业对应的能源管理数据库。
其中，企业能够通过企业终端登录并访问云平台，并通过云平台对企业自身的能源消耗和用能设备情况进行可视化的管理，提高了企业针对自身能源管理的便捷程度。
一种实施方式中，数据采集模块包括多个传感器单元；
传感器单元用于采集用能设备的能源数据；多个传感器单元构建无线传感器网络，通过无线传感器网络将采集到的能源数据传输至边缘计算终端模块。
一种实施方式中，能源数据包括能源消耗数据、环境数据和设备运行状态数据等；
其中能源消耗数据包括电、气、冷、热等能源消耗数据；
设备运行状态数据包括用能设备的电流、电压、功率、功率因数、谐波、三相不平衡度、漏电等设备电气检测数据集异常警报等设备状态检测数据；
环境数据包括温度、湿度、噪声、磁场、火灾、浸水、空气质量(PM2.5、二氧化碳浓度)等检测数据。
其中，通过在用能设备上设置相应功能的传感器，能够通过传感器采集用能设备的各种能源数据，同时，当通过传感器采集到相应的能源数据后，传感器之间通过建立无线传感器网络，通过无线传感器网络将采集到的能关数据传输到边缘计算终端模块，有助于降低数据采集模块在采集能源数据过程中的整体能耗，符合节能减排的需求。
一种实施方式中，传感器单元作为无线传感器网络中的传感器节点，无线传感器网络中的传感器节点通过直接传输或者间接传输的方式将采集的能源数据将传输到边缘计算终端模块中。
其中，当边缘计算终端模块处于传感器节点设定的直接通信范围rz内时，传感器节点直接将采集到的能源数据直接传输到边缘计算终端模块；
当边缘计算终端模块处于传感器节点设定的直接通信范围rz外时，传感器节点从其直接通信范围rz内的邻域传感器节点中，选择一个更具备性能优势的传感器节点作为下一级节点，并将自身采集的能源数据传输到下一级节点，由下一级节点进一步将能源数据进行转发至边缘计算终端模块；
其中，传感器节点从其直接通信范围rz内的邻域传感器节点中，选择一个更具备性能优势的传感器节点作为下一级节点，具体包括：
1)每隔设定的时间周期，传感器节点A向直接通信范围内的各邻域传感器节点发送性能优势值获取请求，并接收由邻域传感器节点B反馈的性能优势值；
2)传感器节点A根据邻域传感器节点的性能优势值，从性能优势值最大的n个邻域传感器节点中随机选择一个作为当前时间周期的下一级节点。
优选的，n＝2。
一种实施方式中，传感器节点的直接通信范围rz，由以下函数计算所得：
Figure BDA0003231257180000041
式中，rz表示设定的传感器节点的直接通信范围，max(dn0)表示边缘计算终端模块覆盖的各传感器节点中，距离边缘计算终端模块最远的传感器节点与边缘计算终端模块之间的距离；min(dn0)表示边缘计算终端模块覆盖的各传感器节点中，距离边缘计算终端模块最近的传感器节点与边缘计算终端模块之间的距离；
Figure BDA0003231257180000042
表示各传感器节点中，与边缘计算终端模块之间的距离小于等于/>
Figure BDA0003231257180000043
的传感器节点的数量；/>
Figure BDA0003231257180000051
表示示各传感器节点中，与边缘计算终端模块之间的距离小于等于/>
Figure BDA0003231257180000052
的传感器节点与边缘计算终端模块的距离总和；/>
Figure BDA0003231257180000053
表示各传感器节点中，与边缘计算终端模块之间的距离小于等于/>
Figure BDA0003231257180000054
的传感器节点的数量；
Figure BDA0003231257180000055
表示示各传感器节点中，与边缘计算终端模块之间的距离小于等于/>
Figure BDA0003231257180000056
的传感器节点与边缘计算终端模块的距离总和。
其中，边缘计算终端模块根据其覆盖的传感器节点的分布特性，设定相应的传感器节点的直接通信范围rz，各传感器节点根据接收到(设定)的直接通信范围rz自动判断自身是采用直接传输或者间接传输的方式将采集的能源数据将传输到边缘计算终端模块中，能够根据实际传感器节点的分布情况，灵活设置传感器节点的数据传输方式，提高了传感器节点传输方式选择的灵活性，同时根据上述直接通信范围计算函数，在无线传感器网络初始化设置时，能够自适应地根据传感器节点不同的分布特性(例如是边缘计算终端模块就设置在传感器节点设置区域中的围绕式分布设置，或者是边缘计算终端模块远离传感器节点设置区域的扇形式分布设置)，采取不同的传输策略合理设置直接通信范围的大小，以使得无线传感器网络中直接通信和间接通信的节点数量相当，有助于提高无线传感器网络的整体性能。
一种实施方式中，邻域传感器节点B在接收到优势值获取请求时，计算自身的性能优势值，并将性能优势值反馈给该发送性能优势值获取请求的传感器节点A；
其中传感器节点的性能优势值，由以下函数计算所得：
Figure BDA0003231257180000057
式中，fB表示邻域传感器节点B的性能优势值，rz表示传感器节点B的直接通信范围，dB0表示传感器节点B与边缘计算终端模块的距离，dBA表示传感器节点B与传感器节点A的距离，num(B)表示传感器节点B的直接通信范围内传感器节点的数量；β表示设定的数量优势调节因子，其中β的取值大于等于各传感器节点的直接通信范围内邻域传感器节点的数量的最大值；EB表示传感器节点B的当前剩余能量百分比，ET表示设定的剩余能量阈值，F(EB,ET)表示判别函数，其中当EB＞ET时，F(EB,ET)＝1，否则F(EB,ET)＝0。
上述实施方式中，当传感器节点进行间接通信将采集的能源数据传输至边缘计算终端模块时，其分别获取其直接通信范围内的各邻域传感器节点的性能优势值，并根据邻域传感器节点的性能优势值来选取合适的邻域传感器节点作为下一级节点；其中，提出了一种性能有实质的具体计算函数，该函数能够根据邻域传感器节点的位置、传感器节点的分布状况以及邻域传感器节点的剩余能量情况，合理表示更适合作为当前传感器节点的下一级节点的性能，提高了传感器节点间接传输能源数据至边缘计算终端模块的可靠性和降低整体能耗水平。
一种实施方式中，边缘计算终端模块包括边缘计算单元和边缘网关单元；
边缘网关单元用于接收由数据采集模块传输的能源数据，将接收到的能源数据进行汇聚；以及将汇聚后的能源数据连同由边缘计算单元获取的预警分析结果一同上传至云平台；
边缘计算单元，用于根据接收到能源数据进行分析，将设定时间周期内的能源数据与相应的标准范围进行比对，当存在周期内的能源数据超出对应的标准范围时，输出相应的预警分析结果。
其中，边缘计算终端模块设置于企业现场，用于完成能源数据的本地化汇聚和本地化的分析处理，边缘计算单元中通过设置相应AI引擎对获取的能源数据进行智能化分析，获取相应的预警分析结果。通过设置边缘计算终端实现大量异构能源数据的本地化处理，有助于减轻云平台的计算压力，适应云平台同时满足多企业能源管理的需求。
一种实施方式中，边缘计算终端模块还包括本地决策单元；
本地决策单元用于根据获取的预警分析结果，向指定的本地管理终端发送相应的预警消息，以使得运维人员能够根据预警消息对及时对用能设备的异常情况进行处理；或者本地决策单元根据获取的预警分析结果直接向相应的用能设备发出相应的控制指令，以完成用能设备的自愈控制。
一种实施方式中，云平台包括企业能源管理单元、可视化单元和企业数据库单元；
企业能源管理单元用于基于获取的能源消耗数据，根据预设的碳排放转换规则获取企业用能设备的碳排放量，对企业的碳排放量进行统计，并根据企业的碳排放指标和配额计算企业当前剩余的额度；并根据企业的碳排放量变化趋势对企业的碳排放量进行预测，并获取相应的碳排放分析预测结果；
可视化单元用于根据获取的能源数据、分析结果以及企业能源管理单元获取的企业碳排放统计结果和分析预测结果，基于预设的可视化模板进行可视化展示处理，生成相应的可视化展示页面；
企业数据库单元用于将企业对应的能源数据、分析结果以及企业能源管理单元获取的企业碳排放统计结果和分析预测结果进行分类存储管理，构建企业能源管理数据库。
上述实施方式，通过企业能源管理单元能够基于获取的能源数据换算成相应的碳排放量，同时基于可视化单元对企业的相关能源数据和分析结果进行可视化展示，有助于企业能够对自身的碳排放情况进行实时的监控，方便企业进一步做出相应的能源管理措施，提高了企业的能源管理水平。
需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元/模块的形式实现。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种基于工业互联网平台的能源管理系统，其特征在于，包括数据采集模块、边缘计算终端模块和云平台；其中数据采集模块、边缘计算终端模块和云平台依次连接；其中，
数据采集模块用于采集企业用能设备的能源数据，并将采集到的能源数据传输至边缘计算终端模块；
边缘计算终端模块用于对获取的能源数据进行汇聚和分析处理，将分析结果上传至云平台，并根据分析结果发出相应的决策指令；
云平台用于对获取的分析结果进行企业能源管理、生成可视化信息和构建能源管理数据库；
其中，数据采集模块包括多个传感器单元；
传感器单元用于采集用能设备的能源数据；多个传感器单元构建无线传感器网络，通过无线传感器网络将采集到的能源数据传输至边缘计算终端模块；
传感器单元作为无线传感器网络中的传感器节点，无线传感器网络中的传感器节点通过直接传输或者间接传输的方式将采集的能源数据将传输到边缘计算终端模块中；
其中，当边缘计算终端模块处于传感器节点设定的直接通信范围rz内时，传感器节点直接将采集到的能源数据直接传输到边缘计算终端模块；
当边缘计算终端模块处于传感器节点设定的直接通信范围rz外时，传感器节点从其直接通信范围rz内的邻域传感器节点中，选择一个更具备性能优势的传感器节点作为下一级节点，并将自身采集的能源数据传输到下一级节点，由下一级节点进一步将能源数据进行转发至边缘计算终端模块；
其中，传感器节点从其直接通信范围rz内的邻域传感器节点中，选择一个更具备性能优势的传感器节点作为下一级节点，具体包括：
每隔设定的时间周期，传感器节点A向直接通信范围内的各邻域传感器节点发送性能优势值获取请求，并接收由邻域传感器节点B反馈的性能优势值；
传感器节点A根据邻域传感器节点的性能优势值，从性能优势值最大的n个邻域传感器节点中随机选择一个作为当前时间周期的下一级节点；
其中，传感器节点的直接通信范围rz，由以下函数计算所得：
Figure QLYQS_1
式中，rz表示设定的传感器节点的直接通信范围，max(dn0)表示边缘计算终端模块覆盖的各传感器节点中，距离边缘计算终端模块最远的传感器节点与边缘计算终端模块之间的距离；min(dn0)表示边缘计算终端模块覆盖的各传感器节点中，距离边缘计算终端模块最近的传感器节点与边缘计算终端模块之间的距离；
Figure QLYQS_3
表示各传感器节点中，与边缘计算终端模块之间的距离小于等于/>
Figure QLYQS_5
的传感器节点的数量；/>
Figure QLYQS_6
表示各传感器节点中，与边缘计算终端模块之间的距离小于等于/>
Figure QLYQS_4
的传感器节点与边缘计算终端模块的距离总和；/>
Figure QLYQS_7
表示各传感器节点中，与边缘计算终端模块之间的距离小于等于/>
Figure QLYQS_8
的传感器节点的数量；
Figure QLYQS_9
表示各传感器节点中，与边缘计算终端模块之间的距离小于等于/>
Figure QLYQS_2
的传感器节点与边缘计算终端模块的距离总和。
2.根据权利要求1所述的一种基于工业互联网平台的能源管理系统，其特征在于，该系统还包括企业终端，其中企业终端与云平台连接，企业终端用于登录云平台对企业能源管理、查看可视化报表及访问企业对应的能源管理数据库。
3.根据权利要求1所述的一种基于工业互联网平台的能源管理系统，其特征在于，能源数据包括能源消耗数据、环境数据和设备运行状态数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于工业互联网平台的能源管理系统，其特征在于，边缘计算终端模块包括边缘计算单元和边缘网关单元；
边缘网关单元用于接收由数据采集模块传输的能源数据，将接收到的能源数据进行汇聚；以及将汇聚后的能源数据连同由边缘计算单元获取的预警分析结果一起上传至云平台；
边缘计算单元，用于根据接收到能源数据进行分析，将设定时间周期内的能源数据与相应的标准范围进行比对，当存在周期内的能源数据超出对应的标准范围时，输出相应的预警分析结果。
5.根据权利要求4所述的一种基于工业互联网平台的能源管理系统，其特征在于，云平台包括企业能源管理单元、可视化单元和企业数据库单元；
企业能源管理单元用于基于获取的能源消耗数据，根据预设的碳排放转换规则获取企业用能设备的碳排放量，对企业的碳排放量进行统计，并根据企业的碳排放指标和配额计算企业当前剩余的额度，获取相应的企业碳排放统计结果；并根据企业的碳排放量变化趋势对企业的碳排放量进行预测，并获取相应的碳排放分析预测结果；
可视化单元用于根据获取的能源数据、分析结果、企业碳排放统计结果和碳排放分析预测结果，基于预设的可视化模板进行可视化展示处理，生成相应的可视化展示页面；
企业数据库单元用于将企业对应的能源数据、分析结果、企业碳排放统计结果和碳排放分析预测结果进行分类存储管理，构建企业能源管理数据库。
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