CN114626956B - 基于物联网的能源信息利用平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网的能源信息利用平台，包括能源信息采集模块、信息处理模块、信息传输模块、云平台、能耗预测模块；能源信息采集模块通过各类智能能源表采集实时运行信息；信息处理模块把收集的数据进行筛选降噪处理，按照预定规则进行分类、匹配、打包上传；云平台包括数据计算模块和数据存储模块，把原始数据和计算数据进行云端存储；数据传输模块通过4G网络连接云平台；云平台分析计算接收到的能源数据，分类展示各项能源监控数据；能耗预测模块及时向管理员发送警报提示与能源开关智能处理的授权指令。本发明提出的能源信息利用平台可实现能源信息的高效流动，支撑能源运营与管理的业务体系，提高能源服务的保障水平。
Description
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，尤其涉及一种基于物联网的能源信息利用平台。
背景技术
国家推行节能减排政策后，各行各业制定了大量措施，但是仍存在一些普遍问题：能源浪费较严重，漏电，燃气泄漏，用水管网滴漏等；计量管理方式粗放，缺乏实时底层数据，无法有效监测能源浪费现象；能源监控水平低，大部分采用人工抄表，计算机录入统计的方式，效率低、工作量大、时效性差，难以有效控制能源浪费。
随着经济的发展，计量的要求逐渐提高，传统的计量仪表不再适合现代整体经济的发展方向，而智能计量仪表逐步走进计量的行业，智能计量表以电子技术为主，融合电子、信息、软件、通信、机电控制多项技术，能够实现对用能量的计量、监测、计价、收费、控制、统计的智能化或远程自动治理，提高效率，避免上门抄表，促进节约能源。物联网技术的出现，计量仪表领域也迎来了一场技术性的变革，从传统的机械式计量仪表到物联网计量仪表的应用。但是这些智能表所计量的能源常常会发生流失，如燃气泄漏、漏水、偷电等等，对每个用户来说，都是不必要的开支、浪费，其中燃气泄漏还会使人们的生命财产安全无法保障。因此，对能源利用情况进行监测处理，成为了亟待解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于物联网的能源信息利用平台。
本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
一种基于物联网的能源信息利用平台，其特征在于，所述基于物联网的能源信息利用平台包括能源信息采集模块、信息处理模块、信息传输模块、云平台、能耗预测模块；
所述能源信息采集模块包括智能能源表，所述智能能源表包括电能表、燃气表、水表、热量表中的一种或几种；
所述智能能源表采集用电设备的电流和电压、用气设备的燃气用量、用水量、耗热量信号；
所述信息处理模块包括数据集中器，通过数据集中器定时向下辖智能能源表轮询当前的电力、燃气、水量、热量数据或者智能能源表定时向所在区域的数据集中器主动上报能源消耗信息，并进行数据筛选降噪处理，按照预定规则进行分类、匹配、打包上传到云平台；
所述信息传输模块通过4G网络与所述云平台、所述能源信息采集模块按照特定的连接协议进行连接通讯，传输用户资料、设备参数和能源流动信息；
所述云平台包括数据计算模块和数据存储模块，数据计算模块用于计算智能能源表的实时工作情况，并在云平台的人机交互界面进行显示，显示内容包括：电能、水能、气能、热能信息；显示方式为图表形式，其中x轴为时间坐标，y轴为能量信息，图表中并存两条曲线，一条为实际能耗曲线，一条为理论限定的能耗曲线；
所述能耗预测模块包括运维预警和智能处理，呈现各项能源的利用情况、不同模块的运行状态及系统异常信息，并通过短信、邮件、语音方式及时向管理员发送警报提示与能源开关智能处理的授权指令。
在一种优选的实施例中，所述智能能源表和所述数据集中器采用区块链网络连接，把智能能源表信息与公钥上链存储，采取双向签名验签的机制作为智能能源表和数据集中器间的身份识别及数据确认方式；智能能源表的公钥产生办法是以其位置坐标为圆点，根据椭圆轨迹算法生成，计算方法如下：
(1)
其中，r为随机产生的常数，为智能能源表的位置坐标，K为公钥；依据获得的公钥，在区块链网络中对智能能源表和数据集中器之间的管理合约进行配置，并生成网络连接方案/>：/> (2)
式中，ID为连接到局域网中的智能能源表的身份编码,OGA为智能能源表所在的分配区间，AU为智能能源表所在区间的管理员；根据Hash值计算方法，获得网络连接方案的Hash值/>；
智能能源表所在区间的管理员对本次局域网连接进行认证签名，签名实现过程需要综合、/>，/>三者；其中/>为实现过程中选取的一个随机数，/>为椭圆轨迹中的一个基点，/>为/>的Hash值，/>为基点的横坐标；区块链网络中采用安全性较高的容错共识，假设区块链网络中有至少4个节点，区块链网络中的主节点收到连接请求后生成消息DM：
（3）
式中，B为智能能源表标识号，C为给智能能源表分配的地址号；数据集中器将DM发送给内部处理线程，处理线程首先计算验签结果：
（4）
若VERIFY=nFi(x，y)，则验签成功,智能能源表与数据集中器建立网络连接。
在一种优选的实施例中，所述数据集中器使用其私钥签名数据采集请求发送给智能能源表；智能能源表通过数据集中器设备信息向区块链网络获取数据集中器公钥，用该公钥验证数据集中器的签名数据，验签成功则数据集中器身份验证通过，收到的能源数据准确无误且在传输中未被修改；
在一种优选的实施例中，所述能耗预测模块采用改进BP神经网络进行计算预测；对于单个样本预测模型的建立，需要个输入和/>个输出，模型的输入输出之间还有多个中间；所述能耗预测模块分为两个过程，即输入信号的正向传递过程和预测误差信号的反馈过程；
基于改进BP神经网络的能耗预测模型具体计算步骤如下：
S1：对样本数据进行比例缩放，将所有值的范围变换到-1至1之间，假设误差值为，设定模型的迭代过程为/>次；
S2：将样本集中的所有样本数据全部输入模型进行运算，并记录模型的实际输出与理论值的差值，将差值用于反推模型不合理之处，并加以修正；
S3：对于修正后的能耗预测模型，再输入一组新的样本数据，若模型的输出结果与理论值差值在允许范围之内，则完成模型建模，若差值仍超阈值，则继续S2步骤；
S4：当实际值与理论值差值合理时，即得到最终的神经网络模型，完成能耗预测；
由于能耗预测模型计算过程中将产生大量的中间数据，在系统中设置中间数据库用于缓冲模型运算压力，并实时记录能耗数据。
在一种优选的实施例中，所述云平台使用MySQL数据库技术存储原始数据和计算数据，包括用户资料、设备参数、运行信息。
在一种优选的实施例中，所述能耗预测模块接收能源开关智能处理授权指令后向所述云平台发送操作指令，所述云平台接收操作指令后向所述能源信息采集模块发送操作码；
在一种优选的实施例中，所述能源信息采集模块根据接收的操作码进行对应的智能能源表查找与开启关闭控制，并将执行后的设备参数、运行信息通过所述信息处理模块、所述信息传输模块反馈到所述云平台，所述云平台根据反馈信息进行计算处理与二次决策。
在一种优选的实施例中，所述云平台的人机交互界面包括设备室固定显示端和移动显示端，固定显示端提供历史数据回看、历程数据分析、实时数据显示功能；移动显示端通过4G网络与云平台相连，支持实时数据显示和远程报警功能。
在一种优选的实施例中，所述能源信息采集模块安装于生产现场，靠近信号检测位置，所述能源信息采集模块设置应急电源，在生产现场断电时由正常供电切换至应急电源功能，保证信号监测功能不丧失。
在一种优选的实施例中，所述能耗预测模块与所述数据集中器设置于同一机房，数据集中器将实时能耗信号通过RS422通讯发送到能耗预测模块，作为能耗预测模型的输入参数，能耗预测模块将预测的未来能耗信息发送到云平台和数据集中器，作为反馈信号输出。
本发明提供的一种基于物联网的能源信息利用平台，与现有技术相比优点在于：
本发明公开了一种基于物联网的能源信息利用平台，包括能源信息采集模块、信息处理模块、信息传输模块、云平台、能耗预测模块；能源信息采集模块通过各类智能能源表采集实时运行信息；信息处理模块把收集的数据进行筛选降噪处理，按照预定规则进行分类、匹配、打包上传；云平台包括数据计算模块和数据存储模块，把原始数据和计算数据进行云端存储；数据传输模块通过4G网络连接云平台；云平台分析计算接收到的能源数据，分类展示各项能源监控数据；能耗预测模块及时向管理员发送警报提示与能源开关智能处理的授权指令。本发明提出的能源信息利用平台可实现能源信息的高效流动，支撑能源运营与管理的业务体系，提高能源服务的保障水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的基于物联网的能源信息利用平台组成示意图。
图2为本发明的基于物联网的能源信息利用平台的能耗预测模型示意图。
图3为本发明的基于物联网的能源信息利用平台的能耗预测实现步骤流程图。
实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
一种基于物联网的能源信息利用平台，包括能源信息采集模块、信息处理模块、信息传输模块、云平台、能耗预测模块；
能源信息采集模块包括智能能源表，智能能源表包括电能表、燃气表、水表、热量表中的一种或几种；
智能能源表采集用电设备的电流和电压、用气设备的燃气用量、用水量、耗热量信号；
信息处理模块包括数据集中器，通过数据集中器定时向下辖智能能源表轮询当前的电力、燃气、水量、热量数据或者智能能源表定时向所在区域的数据集中器主动上报能源消耗信息，并进行数据筛选降噪处理，按照预定规则进行分类、匹配、打包上传到云平台；
信息传输模块通过4G网络与云平台、能源信息采集模块按照特定的连接协议进行连接通讯，传输用户资料、设备参数和能源流动信息；
云平台包括数据计算模块和数据存储模块，数据计算模块用于计算智能能源表的实时工作情况，并在云平台的人机交互界面进行显示，显示内容包括：电能、水能、气能、热能信息；显示方式为图表形式，其中x轴为时间坐标，y轴为能量信息，图表中并存两条曲线，一条为实际能耗曲线，一条为理论限定的能耗曲线；
能耗预测模块包括运维预警和智能处理，呈现各项能源的利用情况、不同模块的运行状态及系统异常信息，并通过短信、邮件、语音方式及时向管理员发送警报提示与能源开关智能处理的授权指令。
智能能源表和数据集中器采用区块链网络连接，把设备信息与公钥上链存储，采取双向签名验签的机制作为智能能源表和数据集中器间的身份识别及数据确认方式；
智能能源表和所述数据集中器采用区块链网络连接，把智能能源表信息与公钥上链存储，采取双向签名验签的机制作为智能能源表和数据集中器间的身份识别及数据确认方式；智能能源表的公钥产生办法是以其位置坐标为圆点，根据椭圆轨迹算法生成，计算方法如下：
(1)
其中，r为随机产生的常数，为智能能源表的位置坐标，K为公钥；依据获得的公钥，在区块链网络中对智能能源表和数据集中器之间的管理合约进行配置，并生成网络连接方案/>：
(2)
式中，ID为连接到局域网中的智能能源表的身份编码,OGA为智能能源表所在的分配区间，AU为智能能源表所在区间的管理员；根据Hash值计算方法，获得网络连接方案的Hash值/>；
智能能源表所在区间的管理员对本次局域网连接进行认证签名，签名实现过程需要综合、/>，/>三者；其中/>为实现过程中选取的一个随机数，/>为椭圆轨迹中的一个基点，/>为/>的Hash值，/>为基点的横坐标；区块链网络中采用安全性较高的容错共识，假设区块链网络中有至少4个节点，区块链网络中的主节点收到连接请求后生成消息DM：
（3）
式中，B为智能能源表标识号，C为给智能能源表分配的地址号；数据集中器将DM发送给内部处理线程，处理线程首先计算验签结果：
（4）
若VERIFY=nFi(x，y)，则验签成功,智能能源表与数据集中器建立网络连接。
数据集中器使用其私钥签名数据采集请求发送给智能能源表；智能能源表通过数据集中器设备信息向区块链网络获取数据集中器公钥，用该公钥验证数据集中器的签名数据，验签成功则数据集中器身份验证通过，收到的能源数据准确无误且在传输中未被修改；
能耗预测模块采用改进BP神经网络进行计算预测；对于单个样本预测模型的建立，需要个输入和/>个输出，模型的输入输出之间还有多个中间；所述能耗预测模块分为两个过程，即输入信号的正向传递过程和预测误差信号的反馈过程；
基于改进BP神经网络的能耗预测模型具体计算步骤如下：
S1：对样本数据进行比例缩放，将所有值的范围变换到-1至1之间，假设误差值为，设定模型的迭代过程为/>次；
S2：将样本集中的所有样本数据全部输入模型进行运算，并记录模型的实际输出与理论值的差值，将差值用于反推模型不合理之处，并加以修正；
S3：对于修正后的能耗预测模型，再输入一组新的样本数据，若模型的输出结果与理论值差值在允许范围之内，则完成模型建模，若差值仍超阈值，则继续S2步骤；
S4：当实际值与理论值差值合理时，即得到最终的神经网络模型，完成能耗预测；
由于能耗预测模型计算过程中将产生大量的中间数据，在系统中设置中间数据库用于缓冲模型运算压力，并实时记录能耗数据。
云平台使用MySQL数据库技术存储原始数据和计算数据，包括用户资料、设备参数、运行信息。
能耗预测模块接收能源开关智能处理授权指令后向云平台发送操作指令，云平台接收操作指令后向能源信息采集模块发送操作码。
能源信息采集模块根据接收的操作码进行对应的智能能源表查找与开启关闭控制，并将执行后的设备参数、运行信息通过信息处理模块、信息传输模块反馈到云平台，云平台根据反馈信息进行计算处理与二次决策。
云平台的人机交互界面包括设备室固定显示端和移动显示端，固定显示端提供历史数据回看、历程数据分析、实时数据显示功能；移动显示端通过4G网络与云平台相连，支持实时数据显示和远程报警功能。
能源信息采集模块安装于生产现场，靠近信号检测位置，所述能源信息采集模块设置应急电源，在生产现场断电时由正常供电切换至应急电源功能，保证信号监测功能不丧失。
能耗预测模块与所述数据集中器设置于同一机房，数据集中器将实时能耗信号通过RS422通讯发送到能耗预测模块，作为能耗预测模型的输入参数，能耗预测模块将预测的未来能耗信息发送到云平台和数据集中器，作为反馈信号输出。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (7)
1.一种基于物联网的能源信息利用平台，其特征在于，所述基于物联网的能源信息利用平台包括能源信息采集模块、信息处理模块、信息传输模块、云平台、能耗预测模块；
所述能源信息采集模块包括智能能源表，所述智能能源表包括电能表、燃气表、水表、热量表；
所述智能能源表采集用电设备的电流和电压、用气设备的燃气用量、用水量、耗热量信号；
所述信息处理模块包括数据集中器，通过数据集中器定时向下辖智能能源表轮询当前的电力、燃气、水量、热量数据或者智能能源表定时向所在区域的数据集中器主动上报能源消耗信息，并进行数据筛选降噪处理，按照预定规则进行分类、匹配、打包上传到云平台；
所述信息传输模块通过4G网络与所述云平台、所述能源信息采集模块按照特定的连接协议进行连接通讯，传输用户资料、设备参数和能源流动信息；
所述云平台包括数据计算模块和数据存储模块，数据计算模块用于计算智能能源表的实时工作情况，并在云平台的人机交互界面进行显示，显示内容包括：电能、水能、气能、热能信息；显示方式为图表形式，其中x轴为时间坐标，y轴为能量信息，图表中并存两条曲线，一条为实际能耗曲线，一条为理论限定的能耗曲线；
所述能耗预测模块包括运维预警和智能处理，呈现各项能源的利用情况、不同模块的运行状态及系统异常信息，并通过短信、邮件、语音方式及时向管理员发送警报提示与能源开关智能处理的授权指令；
所述智能能源表和所述数据集中器采用区块链网络连接，把智能能源表信息与公钥上链存储，采取双向签名验签的机制作为智能能源表和数据集中器间的身份识别及数据确认方式；智能能源表的公钥产生办法是以其位置坐标为圆点，根据椭圆轨迹算法生成，计算方法如下：
(1)
其中，r为随机产生的常数，为智能能源表的位置坐标，K为公钥；依据获得的公钥，在区块链网络中对智能能源表和数据集中器之间的管理合约进行配置，并生成网络连接方案/>：
(2)
式中，ID为连接到局域网中的智能能源表的身份编码,OGA为智能能源表所在的分配区间，AU为智能能源表所在区间的管理员；根据Hash值计算方法，获得网络连接方案的Hash值/>：
智能能源表所在区间的管理员对本次局域网连接进行认证签名，签名实现过程需要综合、/>，/>三者；其中/>为实现过程中选取的一个随机数，/>为椭圆轨迹中的一个基点，/>为/>的Hash值，/>为基点的横坐标；区块链网络中采用安全性较高的容错共识，假设区块链网络中有至少4个节点，区块链网络中的主节点收到连接请求后生成消息DM：
（3）
式中，B为智能能源表标识号，C为给智能能源表分配的地址号；数据集中器将DM发送给内部处理线程，处理线程首先计算验签结果：
（4）
若VERIFY=nFi(x，y)，则验签成功,智能能源表与数据集中器建立网络连接；
所述能耗预测模块采用改进BP神经网络进行计算预测；对于单个样本预测模型的建立，需要个输入和/>个输出，模型的输入输出之间还有多个中间；所述能耗预测模块分为两个过程，即输入信号的正向传递过程和预测误差信号的反馈过程；
基于改进BP神经网络的能耗预测模型具体计算步骤如下：
S1：对样本数据进行比例缩放，将所有值的范围变换到-1至1之间，假设误差值为，设定模型的迭代过程为/>次；
S2：将样本集中的所有样本数据全部输入模型进行运算，并记录模型的实际输出与理论值的差值，将差值用于反推模型不合理之处，并加以修正；
S3：对于修正后的能耗预测模型，再输入一组新的样本数据，若模型的输出结果与理论值差值在允许范围之内，则完成模型建模，若差值仍超阈值，则继续S2步骤；
S4：当实际值与理论值差值合理时，即得到最终的神经网络模型，完成能耗预测；
由于能耗预测模型计算过程中将产生大量的中间数据，在系统中设置中间数据库用于缓冲模型运算压力，并实时记录能耗数据。
2.如权利要求1所述的一种基于物联网的能源信息利用平台，其特征在于，所述数据集中器使用其私钥签名数据采集请求发送给智能能源表；智能能源表通过数据集中器设备信息向区块链网络获取数据集中器公钥，用该公钥验证数据集中器的签名数据，验签成功则数据集中器身份验证通过，收到的能源数据准确无误且在传输中未被修改。
3.如权利要求1所述的一种基于物联网的能源信息利用平台，其特征在于，所述云平台使用MySQL数据库技术存储原始数据和计算数据，包括用户资料、设备参数、运行信息。
4.如权利要求1所述的一种基于物联网的能源信息利用平台，其特征在于，所述能耗预测模块接收能源开关智能处理授权指令后向所述云平台发送操作指令，所述云平台接收操作指令后向所述能源信息采集模块发送操作码。
5.如权利要求1所述的一种基于物联网的能源信息利用平台，其特征在于，所述能源信息采集模块根据接收的操作码进行对应的智能能源表查找与开启关闭控制，并将执行后的设备参数、运行信息通过所述信息处理模块、所述信息传输模块反馈到所述云平台，所述云平台根据反馈信息进行计算处理与二次决策。
6.如权利要求1所述的一种基于物联网的能源信息利用平台，其特征在于，所述云平台的人机交互界面包括设备室固定显示端和移动显示端，固定显示端提供历史数据回看、历程数据分析、实时数据显示功能；移动显示端通过4G网络与云平台相连，支持实时数据显示和远程报警功能。
7.如权利要求1所述的一种基于物联网的能源信息利用平台，其特征在于，所述能源信息采集模块安装于生产现场，靠近信号检测位置，所述能源信息采集模块设置应急电源，在生产现场断电时由正常供电切换至应急电源功能，保证信号监测功能不丧失。
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