IoT-Datendienste bereitgestellt von der IoT EMS-Plattform
Zusammenfassung: Die Acrel IoT EMS-Plattform basiert auf dem Acrel IoT-Rechenzentrum und bietet Internetnutzern IoT-Datendienste für den Energiebereich. Sie definiert Uplink- und Downlink-Datenstandards. Acrel IoT EMS ist eine zentrale Online-Plattform zur Vernetzung aller Acrel-Netzwerkprodukte. Sie ermöglicht einheitliche Zugriffs-, Überwachungs- und Steuerungsfunktionen, spart Zeit und erlaubt die Überwachung Ihrer gesamten Netzwerkinfrastruktur. Ist Ihr Acrel-Gerät an IoT EMS angebunden, können Sie damit Fernzugriffsverbindungen zu Geräten herstellen, die mit einem 4G- oder WLAN-Netzwerk verbunden sind. Im Alarmfall werden innerhalb weniger Sekunden relevante Alarm- und Ereignisinformationen über die App an die zuständige Person gesendet.
Schlüsselwörter: IoT; Energiemanagementsystem; IoT-Zähler; Cloud-Plattform
I. Einleitung
In den letzten Jahren hat sich das Konzept des Internets der Dinge (IoT) rasant weiterentwickelt und ist in industrielle Anwendungen integriert worden. Es hat sich zu einem zentralen technischen Ansatz für intelligente Städte und umfassende Digitalisierungslösungen entwickelt. Das IoT befindet sich aktuell in einer neuen Phase der grenzüberschreitenden Integration, der integrierten Innovation und der großflächigen Entwicklung – weg von konzeptionellen Überlegungen, fragmentierten Anwendungen und geschlossenen Systemen. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Transformation und Modernisierung traditioneller Industrien, der Urbanisierung, dem Aufbau intelligenter Städte und der kontinuierlichen Verbesserung der Lebensqualität. In diesen Bereichen wurden bemerkenswerte Ergebnisse erzielt.
Die Acrel IoT EMS-Plattform ist ein Set von Internet-Geschäftsmodellen, das Online-Vertrieb mit der Bereitstellung von PaaS-Diensten für ein breites Publikum von Internetnutzern kombiniert. Nach der Installation der Acrel IoT-Produkte können Nutzer einfach per QR-Code-Scan mit ihrem Mobiltelefon auf die Plattform zugreifen, ohne sich um die Einrichtung oder den Betrieb der Plattform kümmern zu müssen. Sie können selbstständig Plattformfunktionen auswählen und die entsprechenden Datendienste nutzen.
II. Bedarfsanalyse
Die Kundengruppen der IoT-EMS-Plattform lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Internetnutzer und Smart Cities. Zu den Internetnutzern zählen im Allgemeinen folgende Typen:
1. Ein Mieter besitzt drei oder fünf Wohnungen zur Vermietung und benötigt Zähler für Wasser und Strom;
2. Es gibt mehrere kleine Supermarktketten, die Energiemanagement, Fernsteuerung und elektrisches Sicherheitsmanagement betreiben möchten;
3. Wenn Sie für eine Immobilie in einer bestimmten Gemeinde mehrere Ladesäulen für ein zentrales Lademanagement erwerben möchten, müssen Sie eine Betriebsgebühr entrichten.
4. Die Gebäudeverwaltung eines bestimmten Gebäudes benötigt nur wenige Zähler, um die Energiemessung auf der Etage durchzuführen;
5. Eine kleine Fabrik möchte die Strommessung ihrer eigenen kleinen Fabrik selbst verwalten;
6. Ein IoT-Systemintegrator möchte die Daten von IoT-Produkten direkt erhalten und benötigt eine einheitliche Managementplattform;
Die Nachteile des traditionellen Geschäftsmodells für die oben genannten Internetnutzer sind folgende:
1. Datensysteme sind teuer
2. Diversifizierte Datendienste sind erforderlich.
3. Debugging ist zu professionell.
4. Die Systemhardwareauswahl ist zu professionell.
5. Die Bezahlung der Dienstleistung ist umständlich.
Die Bedürfnisse von Smart Cities sind folgende:
1. Zugriff auf verschiedene Arten von Massenhardware erforderlich.
2. Es ist notwendig, die für die Führungsebene relevanten regulatorischen Informationen zu extrahieren und Technologien wie GIS und BIM zu kombinieren, um eine Makroüberwachung zu erreichen.
3. Bereitstellung einer einheitlichen Betriebsdienstplattform zur Bereitstellung von IoT-Datendiensten für Endnutzer
III. Systemstruktur
Das IoT-Energiemanagementsystem (IoT EMS) betrachtet den Energiefluss von der Energieversorgung über das Energiemanagement und die Anlagenverwaltung bis hin zur Analyse des Energieverbrauchs. Es verknüpft Energieerzeugung, -verarbeitung, -verteilung und -übertragung sowie Verbrauch und Einsparung. In Kombination mit der Vernetzung von Menschen und Dingen bildet es ein IoT-Energieökosystem, in dem Acrel-Produkte als Medium dienen. IoT-Produkte und Akteure im Energiesektor interagieren über Daten- und Geschäftsströme mit der Plattform.
3.1 Netzwerkstruktur
Die Acrel IoT EMS-Plattform verwendet eine geschichtete und verteilte Struktur, die im Wesentlichen aus drei Teilen besteht: der Wahrnehmungsschicht (Terminal-Erfassungsgeräte), der Netzwerkschicht (Kommunikationsmanagement-Terminals) und der Plattformschicht (Energie-IoT-Cloud-Plattform).
● Wahrnehmungsschicht: Verschiedene Sensoren, die mit dem Netzwerk verbunden sind, darunter Multifunktionszähler, Prepaid-Stromzähler, Mehrschleifenzähler, IoT-Stromzähler, IoT-Wasserzähler, Ladesäulen für Elektroautos, Ladesäulen für Elektroautos, Straßenbeleuchtungssteuerungen usw.
● Netzwerkschicht: Das intelligente Gateway sammelt die Daten der Wahrnehmungsschicht, führt eine Protokollkonvertierung und -speicherung durch und lädt die Daten anschließend auf die IoT-EMS-Plattform hoch.
● Plattformschicht: Die Plattformschicht umfasst einen Anwendungsserver und einen Datenserver, mit denen Anwendungen im Web oder als App implementiert werden können.
3.2 Plattformarchitektur
Die Systemnetzwerkstruktur der IoT-EMS-Plattform ist geschichtet und verteilt aufgebaut und umfasst: Wahrnehmungsschicht, Datenschicht, Anwendungsschicht, Darstellungsschicht und Betriebsschicht. Das Systemarchitekturdiagramm ist in der Abbildung dargestellt.
Die Sensorschicht umfasst verschiedene Produkte unseres Unternehmens. Sie bildet die Basis des gesamten Systems und ist das grundlegende Element, das für den Aufbau der IoT-Cloud-Plattform erforderlich ist. Dazu gehören Multifunktionszähler, Prepaid-Zähler, Mehrschleifenzähler, IoT-Zähler, Ladesäulen, Straßenlaternensteuerungen und so weiter.
Die zentrale Datenverarbeitungsplattform ist hauptsächlich für die Datenverarbeitung, Datenspeicherung und den Datenaustausch zuständig. Um die Datenverarbeitungskapazität der gesamten Plattform zu gewährleisten, speichern wir Echtzeitdaten, historische Daten und Geschäftsdaten in verschiedenen Bibliotheken und stellen diverse Schnittstellen für den Datenaustausch mit Drittsystemen bereit.
Die oberste Anwendungsschicht ist die IoT-EMS-Plattform, die verschiedene funktionale Anwendungen realisiert. Die Plattform ist gemäß dem Energiefluss in vier Hauptbereiche unterteilt: Energieversorgung, Energiemanagement, Gerätemanagement und Energieverbrauchsanalyse. Die Energieversorgung umfasst die Stromerfassung, den intelligenten Betrieb und die Wartung. Das Energiemanagement beinhaltet Module für sicheren Stromverbrauch und Netzqualität. Das Gerätemanagement umfasst intelligente Beleuchtung, Prepaid-Systeme und Ladestationen. Die Energieverbrauchsanalyse beinhaltet Module für Energiemanagement und Mehrwertdienste. Die Plattform bietet Nutzern eine Mensch-Computer-Schnittstelle über Web und App. Verschiedene Nutzer der Betriebsschicht können über diese beiden Wege auf die Plattform zugreifen und sie bedienen.
III. Plattformfunktion
3.1 Energieversorgung
3.1.1 Stromsammlung
Das Stromerfassungsmodul ermöglicht die Abfrage, Analyse, Frühwarnung und umfassende Darstellung verschiedener Überwachungsdaten und gewährleistet so die Umweltfreundlichkeit des Stromverteilerraums. Es bietet intelligente Funktionen wie Fernmessung, Fernsignalisierung und Fernsteuerung des Stromversorgungs- und -verteilungssystems und gewährleistet dessen umfassende Überwachung und Steuerung. Das Datenmanagement ermöglicht die Anzeige und Abfrage des Betriebszustands jeder einzelnen Anlage im Stromverteilerraum, einschließlich historischer und Echtzeitdaten. Je nach Bedarf können Tages-, Monats- und Jahresberichte erstellt und ausgedruckt werden, um die Arbeitseffizienz zu steigern und Personalressourcen zu schonen.
3.1.2 Intelligenter Betrieb und Wartung
Das intelligente Betriebs- und Wartungsmodul nutzt einen Multifunktions-Leistungsmesser, drahtlose Kommunikation, ein Edge-Computing-Gateway und Big-Data-Analysetechnologie. Es erfasst Felddaten über das intelligente Gateway, speichert diese lokal und überträgt sie regelmäßig an die Cloud-Plattform. Die Plattform kann gleichzeitig auf die Daten Tausender Umspannwerke zugreifen. Zu den erfassten Daten gehören elektrische Parameter und Umgebungsdaten des Umspannwerks, darunter Stromstärke, Spannung und Leistung, Schaltzustand, Transformatortemperatur, Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit, Wassereintritt, Rauchentwicklung, Videoaufzeichnungen, Zugangskontrollinformationen und weitere Daten. Bei einer Störung wird innerhalb von 10 Sekunden ein Alarm per SMS und App versendet. Die Plattform sendet die Betriebs- und Wartungsaufgaben über die mobile App an die Mobiltelefone der zuständigen Mitarbeiter und verfolgt deren Ausführung per NFC. Dadurch wird der Regelkreis geschlossen, die Betriebs- und Wartungseffizienz gesteigert und Betriebsstörungen können umgehend erkannt und behoben werden.
3.2 Energiemanagement
3.2.1 Elektrische Sicherheit
Das Modul für elektrische Sicherheit erfasst kontinuierlich Daten und führt statistische Analysen der Hauptfaktoren für Brände durch (Kabeltemperatur, Ableitstrom, Laststrom, Spannung) und sammelt Daten vor Ort über 4G. Es warnt rechtzeitig vor potenziellen Sicherheitsrisiken von Stromleitungen und -geräten (wie z. B. anormale Kabeltemperatur, Überlastung, Überspannung, Unterspannung und Ableitstrom) per SMS, App-Benachrichtigung, automatischem Anruf usw., um Brände effektiv zu verhindern. Das System zeigt elektrische Parameter wie Ableitstrom und Kabeltemperatur an allen Überwachungspunkten an, unterstützt Inspektionsprotokolle und Einsatzplanung, erstellt Berichte zur Analyse potenzieller Sicherheitsrisiken und bewertet den Status der elektrischen Sicherheit im Unternehmen in Echtzeit.
3.2.2 Stromqualität
Die Netzqualität rückt immer stärker in den Fokus der Forschung und hat sich zu einem der Schwerpunkte der Netzforschung entwickelt. Einerseits führt der wissenschaftliche und technologische Fortschritt sowie die breite Anwendung komplexer elektrischer Geräte dazu, dass diese Geräte sehr empfindlich auf Netzqualitätsschwankungen reagieren. Infolgedessen wird die Netzqualität instabil. Hauptziel der Netzqualitätsanalyse ist es, Art und Ausmaß von Netzstörungen zu bestimmen und die entsprechenden Störquellen effektiv zu kompensieren. Der Schlüssel zur Verbesserung der Netzqualität liegt daher in der zeitnahen und präzisen Erfassung der verschiedenen Störquellen.
Die Überwachung der Stromqualität umfasst die dreiphasige Unsymmetrie, Oberschwingungen und den Leistungsfaktor. Bei einer dreiphasigen Unsymmetrie oder einem zu niedrigen Leistungsfaktor wird ein Alarm ausgelöst und die Nutzer per App-Push, SMS, E-Mail usw. benachrichtigt.
3.3. Geräteverwaltung
3.3.1 Intelligente Beleuchtung
Mit dem stetig steigenden Lebensstandard der Bevölkerung steigen auch die Anforderungen an ihr Arbeits- und Wohnumfeld und damit auch die Anforderungen an Beleuchtungssysteme. Der Energieverbrauch im Bereich Beleuchtung macht einen erheblichen Anteil des Gesamtenergieverbrauchs aus, weshalb Energieeinsparung und die Verbesserung der Lichtqualität höchste Priorität haben. Als wichtiger Bestandteil des Stromverbrauchs entfallen derzeit etwa 10 % auf die Beleuchtung. Angesichts der rasanten Entwicklung der Volkswirtschaft und des kontinuierlich steigenden Lebensstandards wird der Stromverbrauch für Beleuchtung weiter zunehmen.
Intelligente Beleuchtung nutzt IoT-Technologie, um den Stromverbrauch von Beleuchtungsanlagen in verschiedenen Stadtgebieten kontinuierlich zu überwachen. Die Plattform beurteilt den Betriebszustand der Lampen anhand der Strom- und Spannungswerte. Jegliche Störungen werden von der Plattform erkannt, und Warn- und Alarmmeldungen werden per App, SMS und E-Mail an die zuständige Person gesendet, um beispielsweise den Bediener über einen ausgelösten Schütz oder einen Spannungsabfall zu informieren.
3.3.2 Prepaid-Management
Die Prepaid-Stromfunktion eignet sich für diverse Gewerbekomplexe, Wohnanlagen, Bürogebäude, Hotelappartements und andere Immobilien, die Logistikabteilungen von Schulen, Werkswohnheime, Supermarktketten und Großanlagen. Prepaid-Wasser und -Strom werden in den genannten Bereichen bereits seit vielen Jahren erfolgreich und stabil eingesetzt. Sie ist geeignet für die Verwaltung von Prepaid-Stromkosten durch Immobilienunternehmen für Mieter von Wohnungen, Büros und Geschäften sowie für die Prepaid-Stromabrechnung und den Stromverbrauch von Studentenwohnheimen durch Schulen und Sicherheitskontrollsysteme.
3.3.3 Ladevorgang des Fahrzeugs/der Autobatterie
Elektrofahrzeuge haben sich zu einem weit verbreiteten, umweltfreundlichen Verkehrsmittel entwickelt. Gleichzeitig steigt die Zahl der Elektrofahrräder, wodurch das Problem von Kurzstreckenfahrten gelöst wird. Allerdings häufen sich auch Meldungen über Sicherheits- und Brandunfälle im Zusammenhang mit Elektrofahrrädern, und die Zahl steigt jährlich. Dies verursacht erhebliche Schäden für die Gesellschaft und stellt eine versteckte Gefahr für Menschenleben und Eigentum dar. Angesichts der Gefahren und Merkmale von Elektrofahrradbränden haben Regierungsbehörden auf allen Ebenen Richtlinien zur Regelung des Parkens und Ladens von Elektrofahrrädern erlassen. Das Lademodul des Elektrofahrzeugs erfasst und überwacht kontinuierlich die Daten der Ladestationen und der einzelnen, über das Internet der Dinge (IoT) mit dem System verbundenen Ladestationen. Gleichzeitig schützt es vor verschiedenen Fehlern wie Überhitzung, Überspannung an Ein- und Ausgang, Unterspannung, Isolationsfehlern und anderen Störungen und gibt frühzeitig Warnungen aus. Nachdem der Nutzer den QR-Code mit der App gescannt hat, initiiert das System eine Ladeanfrage und steuert die zugehörige Ladestation an, um den Ladevorgang des Elektrofahrzeugs abzuschließen. Die Ladestation kann mit einem drahtlosen Modul zur Internetverbindung ausgestattet sein, Verschlüsselungs- und Schlüsselaustauschtechnologien nutzen und sich über das TCP/IP-basierte Datenaustauschprotokoll direkt mit der Cloud verbinden.
3.4. Energieanalyse
3.4.1 Energiemanagement
Um das Ziel der Klimaneutralität kontinuierlich zu erreichen, müssen Unternehmen vor dem Hintergrund der „Doppelsteuerung“ von Energieintensität und Gesamtverbrauch überlegen, wie sie mit dieser Doppelsteuerung umgehen können, um eine reibungslose Produktion zu gewährleisten. Die meisten Unternehmen nutzen nach wie vor das Modell „individuelle Planung, eigenständige Auslegung und eigenständiger Betrieb“ ihrer verschiedenen Energieversorgungssysteme wie Strom, Wasser, Gas, Kühlung und Wärme. Häufig wird eine unzureichende Messtechnik festgestellt; die Messgenauigkeit der Messgeräte ist gering und die Messdaten ungenau; die Zuverlässigkeit der manuellen Zählerablesung ist niedrig; es ist schwierig, die Energieeffizienz der wichtigsten energieverbrauchenden Anlagen effektiv zu überwachen und zu bewerten; es fehlen verlässliche Referenzdaten; ein effektives System zur Bewertung der betrieblichen Energieeffizienz ist nicht vorhanden, und die Umsetzung von Maßnahmen zum Energiemanagement ist schwierig.
Das Energiemanagementmodul nutzt Automatisierungs- und Informationstechnologie, um den gesamten Prozess – von der Energiedatenerfassung über die Prozessüberwachung und die Analyse des Energieverbrauchs bis hin zum Energieverbrauchsmanagement – automatisch und wissenschaftlich zu steuern. Es integriert somit den gesamten Prozess von Energiemanagement, Energieerzeugung und -nutzung und nutzt fortschrittliche Datenverarbeitungs- und Analysetechnologien für die Offline-Produktionsanalyse und -steuerung. Dadurch wird eine einheitliche Planung des gesamten Energiesystems der Anlage erreicht und der Energieverbrauch optimiert. Gleichzeitig werden die Energiequalität verbessert, der Energieverbrauch gesenkt und somit das Ziel der Energieeinsparung und -reduzierung sowie der Verbesserung des gesamten Energiemanagements erreicht.
3.4.2 Mehrwertdienste
(1) Industrielle Konfiguration
Die traditionelle Entwicklungsmethode für Konfigurationsanwendungen in der industriellen Automatisierung erfordert von Entwicklern Programmierkenntnisse sowie ein tiefes Verständnis der Konzepte und Methoden der entsprechenden Entwicklungsframeworks. Diese Methode ist mit einem langen Entwicklungszyklus und hohen Anforderungen an die Entwickler verbunden. Zudem sind die Einsatzmöglichkeiten und die Zugänglichkeit solcher Anwendungen im industriellen Umfeld oft eingeschränkt.
Mit der rasanten Entwicklung des industriellen Internets ändern sich die Anwendungsanforderungen häufig sehr schnell. Gerätehersteller verfügen oft nicht über die entsprechende Erfahrung in der Entwicklung industrieller Konfigurationssoftware, was die Entwicklung und Aktualisierung solcher Software stark verlangsamt und dem schnellen Unternehmenswachstum oft nicht gerecht wird. Gleichzeitig beschränkt sich der Zugriff auf industrielle Konfigurationssoftware nicht mehr auf den Industriestandort; die Nachfrage nach Zugriffen von außerhalb steigt stetig.
Das Modul für die industrielle Konfiguration der IoT-EMS-Plattform löst die Probleme der geringen Verbreitung und des eingeschränkten Zugriffs herkömmlicher Anwendungen zur Konfiguration der industriellen Automatisierung. Benutzer können die Komponenten des Konfigurationsbildschirms per Drag & Drop im Entwicklungstool anpassen (Attribute, Position, Größe usw.). Dank einer umfangreichen integrierten Bibliothek mit Konfigurationskomponenten benötigen Benutzer weder Programmierkenntnisse noch technisches Vorwissen in der Entwicklung von Software für die industrielle Automatisierung. Sie können dennoch problemlos Schnittstellen für die industrielle Konfiguration entwickeln und Funktionen wie Datenanzeige und Fernsteuerung unterstützen.
(2) 3D-Visualisierung
Die 3D-Visualisierungstechnologie ermöglicht mehrdimensionale Darstellungen durch virtuelle Simulation, bietet Kunden digitale Services, unterstützt Unternehmen im zweiseitigen Energiemanagement und verbessert die Effizienz des Energiemanagements. Zu den wichtigsten Funktionen gehören: Echtzeit-Synchronisierung von Informationen in allen Bereichen; globale Kontrolle des Energieverbrauchs in allen Bereichen; visuelle Überwachung des Betriebszustands von Anlagen; intelligente Inspektion, automatische Analyse von Anlagenbetrieb, Stromqualität, elektrischer Sicherheit und anormalem Energieverbrauch entlang des Inspektionspfads sowie die Protokollierung der Inspektionsergebnisse.
V. Zusammenfassen
Als industrielle Entwicklungsform, die die traditionelle Energiewirtschaft mit IoT-Technologien verbindet, ist das Energie-IoT eine wichtige strategische Stütze für die integrierte Entwicklung der nationalen Energie- und Digitalrevolution. Das Energie-IoT erweitert das IoT auf die Prozesse der Energieerzeugung, -verteilung und des Energieverbrauchs. Mit der rasanten Entwicklung moderner Informationstechnologien wie der „Big Cloud IoT Smart Chain“ integriert das Energie-IoT Information, Kommunikation, digitale Technologien und die Entwicklung von Energiesystemen. Alle Aspekte der Übertragung, Umwandlung, Verteilung und des Stromverbrauchs werden tiefgreifend integriert, um eine multidirektionale Statusüberwachung, intelligente Informationsverarbeitung und intelligente Vernetzung, Mensch-Computer-Interaktion und intelligente Dienste zu realisieren.
Veröffentlichungsdatum: 01.08.2022
