【摘要】能耗管理系統是減少能源消耗、提高能源利用效率的有效途徑，是園區實(shí)現整體節能減排的必要手段。文中提出一種基于LoRa技術(shù)的園區能耗管理系統。LoRa技術(shù)的低功耗、遠距離傳輸、抗干擾性強的特點(diǎn)，為其在能耗管理系統的應用提供了基礎。管理系統由感知層、傳輸層、數據處理層和應用層組成。該系統建立了從能源供應到用能終端的能源管控平臺，為能耗數據的在線(xiàn)監測、統計分析和能源調度等提供了依據。
關(guān)鍵詞：低功耗廣域網(wǎng)；LoRa技術(shù)；園區能耗管理；系統設計
0 引言
研究表明，我國能源利用效率為33%，相比發(fā)達國家低10個(gè)百分點(diǎn)。能源問(wèn)題給社會(huì )發(fā)展和環(huán)境資源帶來(lái)了巨大壓力，節能減排形式嚴峻。傳統的粗放式能源管理方式和舉措難以滿(mǎn)足管理需求。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、大數據技術(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)，搭建園區能源管理系統已成為推進(jìn)節能降耗和實(shí)現用能精細化管理的必然趨勢。園區能耗管理系統綜合運用現代通信技術(shù)、能源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及需求側管理措施等，對園區內各單位的耗能進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、動(dòng)態(tài)分析和集中管理，提升園區能源管理水平，降低能源成本。
目前，能耗管理數據監測系統多采用 WiFi，ZigBee，存在信號衰減快、易受到其他信號干擾的問(wèn)題。本文設計了一種基于LoRa（LongRange，LoRa）數據傳輸的園區能耗管理系統，實(shí)現耗能的實(shí)時(shí)采集及科學(xué)預警。LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)的一種長(cháng)距離通信技術(shù)，解決了傳統無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳輸距離與低功耗不能兼得的問(wèn)題。園區能耗管理系統利用園區內各種傳感器采集耗能信息，實(shí)現采集、顯示、分析、診斷等功能，并實(shí)現對各系統的控制和優(yōu)化管理。
1 園區能耗管理系統設計
園區的正常運轉需要水、暖、電、氣等多種能源供給，各種能源消耗具有范圍廣、時(shí)間不規律、消耗量大等特點(diǎn)。通過(guò)園區耗能數據采集、傳輸、數據管理及應用，實(shí)現了園區能源調配與優(yōu)化運維。園區能源管理平臺采用標準的物聯(lián)網(wǎng)體系架構，由四部分組成，如圖 1 所示。
（1）感知層
作為整個(gè)能耗管理系統基礎重要的部分，由各個(gè)采集節點(diǎn)組成。根據用能性質(zhì)，各傳感器節點(diǎn)部署在不同區域，監測園區各種耗能數據。
（2）傳輸層
針對園區特點(diǎn)，從數據采集節點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)采用 LoRa 技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸，免去了綜合布線(xiàn)，降低了施工難度 ；從網(wǎng)關(guān)到數據中心，可采用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )或 LoRa 技術(shù)。
（3）數據處理層
通過(guò)建立能耗評估模型，并利用數據挖掘、統計計算、多維分析等手段對能耗數據進(jìn)行分析，為功能應用層提供數據支撐。
（4）應用層
能耗管理平臺具有數據實(shí)時(shí)監測、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(guò)多維度、可視化的系統功能實(shí)現與用戶(hù)的信息互動(dòng)。
2 LoRa 數據通信技術(shù)
LoRa 是美國 Semtech 公司發(fā)布的一種基于擴頻調制的解調技術(shù)，其特點(diǎn)是超遠距離和低功耗。該技術(shù)主要針對小數據量、長(cháng)距離傳輸的用戶(hù)場(chǎng)景。LoRa 具有的低功耗、遠距離、大容量和穿透能力強的特點(diǎn)，能夠減少開(kāi)發(fā)成本和運營(yíng)維護成本，適用于園區能耗管理系統。
LoRa 具有典型的星型拓撲結構，架構如圖 2 所示，主要由終端、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器三部分組成，終端設備應用 LoRa 技術(shù)采用單跳模式，實(shí)現與一個(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，采用標準TCP/IP與服務(wù)器連接，實(shí)現終端與服務(wù)器數據的交互。
3 基于LoRa 的園區能耗設計
通過(guò)需求分析，園區主要用能形式有水、暖、電、氣，主要監測量有電量、流量、壓力、溫濕度、供回水溫差等。園區存在占地面積大，建筑分布廣、數量多、類(lèi)型多樣，用能情況復雜的問(wèn)題。目前工業(yè)園區耗能統計上普遍存在計量表不全或采用人工抄表方式，造成能耗數據不完整、不全等問(wèn)題。由于缺乏準確而詳實(shí)的能耗數據作為依據，因而無(wú)法進(jìn)行能源定量分析、能耗動(dòng)態(tài)趨勢分析，以及節能潛力的挖掘、節能效益的評價(jià)等方面的工作。例如，采用有線(xiàn)傳輸方式，存在園區內數據點(diǎn)位分布廣，數據傳輸面臨空間跨度大，網(wǎng)關(guān)、中繼設置地點(diǎn)選擇困難等問(wèn)題。
LoRa 技術(shù)具有的遠距離低功耗特點(diǎn)非常適用于園區能耗監測。通過(guò) LoRa 通信將能耗數據集中到服務(wù)器，管理層終端可通過(guò)云端讀取數據分析，并對整個(gè)能耗管理系統進(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，改善能源浪費現象，達到節能減排的目的。
以某工業(yè)園區為例，根據能耗管理系統的特點(diǎn)，將系統分為現場(chǎng)采集設備、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器 3 層。采用 LoRa 技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸，免去綜合布線(xiàn)，降低施工成本。
針對現場(chǎng)數據采集設備，通過(guò)各類(lèi)智能表計自動(dòng)化采集能耗數據，實(shí)現能耗的分類(lèi)、分項、分戶(hù)計量。園區中選擇帶有遠傳功能的電度表、水表和冷熱計量表等，與 LoRa 模塊相連接，采用 Modbus RTU 協(xié)議并采用點(diǎn)對點(diǎn)方式傳輸至LoRa 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接，實(shí)現數據的集中上傳和統一管理。LoRa 網(wǎng)關(guān)程序流程框圖如圖 3 所示。
4 平臺功能
能耗管理平臺具有數據實(shí)時(shí)監測、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)現能源調度、能耗動(dòng)態(tài)趨勢分析、能效分析診斷，節能潛力挖掘、節能效益評價(jià)等功能。能耗管理平臺如圖 4 所示。
5 安科瑞能耗管理云平臺功能
5.1 平臺結構
5.2 平臺功能
5.3 設備選型
6 結語(yǔ)
本文針對LoRa技術(shù)低功耗、遠距離傳輸的特點(diǎn)，將其應用于園區能耗管理系統，實(shí)現了園區能耗的實(shí)時(shí)采集、監測及統計分析。后續將基于平臺積累的能源數據，為能源大數據模型的建立提供數據支撐，為更準確的能源調度和優(yōu)化提供有力支撐。
[1]唐頌光，袁成，文濤.建筑能耗管理系統可視化平臺的設計與實(shí)現[J].電子設計工程，2016，24（21）：76-78.
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