ЦЕНТР ГЛОБАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ IoT
ENERGY CONSUMPTION GLOBAL CONTROL CENTER BASED ON IoT TECHNOLOGY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам обработки данных, специально предназначенных для управленческих целей, а именно, для глобального, универсального, комплексного IoT-управления энергоресурсами в качестве единого верхнего уровня множества независимых друг от друга многоуровневых инженерно-технических систем зданий и сооружений, промышленных объектов, объектов городской инфраструктуры, единиц транспорта.
Далее в настоящем описании и формуле, основанной на настоящем описании, используются следующие термины:
«IoT» - Интернет вещей (Internet of Things),
«I-вещь» - интернет-вещь,
«энергоданные» - числовые значения, характеризующие количественные и качественные показатели потребления, выработки, транспортировки и хранения различных видов энергетических ресурсов,
«IoT-управление» - управление посредством технологий Интернета вещей;
(см., например: Росляков А.В. Интернет вещей: учеб. пособие / А.В. Росляков, С.В. Ваняшин, А.Ю. Гребешков. - Самара: ПГУТИ, 2015. - 200 с., которое опубликовано на http://eclib.psuti.ru).
Уровень техники
Известна система, которая представляет собой многофункциональную, трехуровневую иерархическую структуру, состоящую из измерительных, связующих и вычислительных компонентов, которые образуют измерительные каналы. Первый уровень состоит из первичных измерительных компонентов, осуществляющих измерение параметров теплоносителя, электроэнергии, непрерывно или дискретно, с требуемым интервалом времени. На втором уровне системы применяются измерительные преобразователи, предназначенные для приема измерительной информации от первичных измерительных компонентов, с последующей передачей данных по радиоканалам, линиям связи промышленной сети и сети Ethernet их архивации и передачи по запросу на сервер и автоматизированные рабочие места операторов. Третий (верхний) уровень системы представляет собой сервер и/или автоматизированное рабочее место оператора с функцией сервера архивной базы данных на базе ЭВМ со специализированным программным обеспечением (Патент RU №83829 U1, МПК: F24D 1/00, опубл. 20.06.2009, Бюл. № 17).
Данный третий уровень известной системы выполняет функцию центра для локальной системы управления потреблением энергоресурсов.
Признаки известного центра управления потреблением энергоресурсов, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в наличии сервера.
Причина, препятствующая получению в известном центре заявленного технического результата, заключается в том, что известный центр содержит один сервер, который при этом не является web-сервером, вследствие чего на основе такого технического решения возможно создавать только системы локального управления потребления энергоресурсов (один центр, одна система локального управления).
Известна информационно-аналитическая система учета энергоресурсов, представляющая собой территориальную трехуровневую систему, на нижнем уровне которой расположены установленные на объекте у потребителя датчики контроля и счетчики топливно-энергетических ресурсов, на среднем уровне - станции связи и шкафы автоматики, обеспечивающие связь до датчиков контроля и счетчиков расхода топливно-энергетических ресурсов, на верхнем (третьем) уровне - центральный сервер с программным обеспечением базы данных, WEB-интерфейсом, инструментами аналитической обработки данных (см. описание изобретения к патенту RU №2453913 С1, МПК G06F 17/00, опубл. 20.06.2012 Бюл. № 17).
Признаки известного центра (верхнего уровня описанной выше информационно-аналитической системы), общие с заявленным, заключаются в наличии центрального сервера с программным обеспечением базы данных, WEB-интерфейсом, инструментами аналитической обработки данных.
Причина, препятствующая получению в известном центре заявленного технического результата заключается в том, что известный центр содержит один web-сервер, что обусловливает территориальный характер его применения (один центр, одна система территориального управления).
Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в необходимости создания такого центра управления (верхнего уровня), который мог бы быть включен одновременно в большое множество локальных и территориальных систем управления энергоресурсами, расположенными в любых местах земного шара, покрытых Интернетом.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат, опосредствующий решение указанной технической проблемы, заключается в многократном увеличении вычислительной мощности верхнего уровня системы управления энергоресурсами за счет использования множества равномерно нагруженных идентичных программно-аппаратных комплексов обработки энергоданных и IoT-управления. Это дает возможность осуществления глобального IoT-управления энергоресурсами при помощи множества независимых друг от друга систем в отношении контролируемых энергетических объектов, находящихся в любых точках земного шара, с использованием единого центра глобального IoT-управления. Технический результат также заключается в расширении арсенала средств управления энергоресурсами за счет применения глобального мониторинга количества и качества электрической энергии и других ресурсов, комплексного системного энергоанализа, энергопланирования с последующим IoT-управлением энергоресурсами (один центр, множество систем) в режимах предсказательной логики.
Достигается технический результат тем, что центр глобального управления потреблением энергоресурсов на базе технологии IoT содержит как минимум два идентичных программно-аппаратных комплекса (1) обработки данных и IoT-управления, хранилище (2) данных, выполненное с возможностью масштабирования внутренних сегментов хранения данных, файл-сервер (3), предназначенный для расположения данных в виде файлов, блок (4) балансировки нагрузки, предназначенный для опосредствованного информационного взаимодействия комплексов (1) с I-вещами систем управления потреблением энергоресурсов, и блок (5) управления очередью сообщений, при этом каждый комплекс (1) включает web-сервер (6) и соединенный с ним сервер (7) приложений, который в свою очередь содержит шину (8) сообщений, блок (9) сбора и передачи данных по протоколам I-вещей, аналитический блок (10), выполненный с возможностью реализации функции обработки и анализа показателей потребления энергоресурсов и формирования команд управления, управляющий блок (11), выполненный с возможностью реализации сценариев управления I-вещами, логики запуска приложений, определения периодов опроса I-вещей, взаимодействия с базами данных, а также шифрования и защиты информации, при этом блоки (9), (10) и (11) каждого сервера (7) соединены между собой, с хранилищем (2) и с файл-сервером (3) посредством шины (8), web-сервер (6) каждого комплекса (1) соединен, с одной стороны, с блоком (9) соответствующего сервера (7), а с другой стороны - с блоком (4), выполненным с возможностью соединения с Интернетом (12), кроме того, web-сервер (6) одного из комплексов (1) дополнительно соединен с блоком (5), выполненным с возможностью соединения с Интернетом (12).
Новизна и изобретательский уровень заявленного технического решения заключаются в использовании IoT для управления потреблением энергоресурсов, а также в использовании множества (два и более) идентичных программно-аппаратных комплексов обработки энергоданных и IoT-управления с равномерным распределением между ними нагрузки при помощи блока балансировки нагрузки с возможностью формирования очередей информационных сообщений и команд управления. Новизна также заключается в постановке технической проблемы: один центр, множество систем.
Краткое описание чертежей
На прилагаемой фигуре показана функциональная схема центра глобального управления потреблением энергоресурсов на базе технологии IoT.
Осуществление изобретения
Центр глобального управления потреблением энергоресурсов на базе технологии IoT (далее - Центр) содержит как минимум два идентичных программно-аппаратных комплекса 1 обработки данных и IoT-управления, каждый из которых включает web-сервер 6 и сервер приложений 7. Центр также содержит общие для всех комплексов 1 хранилище 2 данных, выполненное в виде нескольких баз данных, содержащих измерительную информацию, результаты анализов, прогнозы, планы, нормы, атрибутивные данные по оборудованию, справочники, и файл-сервер 3, на котором располагаются данные в виде файлов, в том числе конфигурации, математические скрипты с программами расчета, отчеты.
Центр также содержит блок 4 балансировки нагрузки, предназначенный для опосредствованного информационного взаимодействия комплексов 1 с I-вещами систем IoT-управления потреблением энергоресурсов (I-вещи на фигуре не показаны). Для этого блок 4, с одной стороны, соединен с комплексами 1 (с их web-серверами 6), а с другой стороны посредством Интернета 12 связан с множествами I-вещей, принадлежащими разным клиентам Центра, с каждым из которых Центр образует локальную или территориальную систему управления потребления энергоресурсов.
Центр также содержит блок 5 управления очередью сообщений, который, с одной стороны, соединен с одним из комплексов 1 (с его web-сервером 6), а с другой стороны посредством Интернета 12 связан с множествами I-вещей, принадлежащими разным клиентам Центра, с каждым из которых Центр образует локальную или территориальную систему управления энергоресурсами.
В свою очередь сервер 7 содержит шину 8 сообщений, блок 9 сбора и передачи данных по протоколам I-вещей (предназначен для сбора и преобразования данных, отправки команд управления в форматах различных протоколов, поддерживаемых в системе), аналитический блок 10, выполненный с возможностью реализации функции обработки и анализа показателей потребления энергоресурсов и формирования команд управления, управляющий блок 11, выполненный с возможностью реализации сценариев управления I-вещами, логики запуска приложений, определения периодов опроса I-вещей, взаимодействия с базами данных, а также шифрования и защиты информации. При этом блоки 9, 10 и 11 каждого сервера 7 соединены между собой, с хранилищем 2 и с файл-сервером 3 посредством шины 8.
Использование Центра заключается в следующем.
Юридическое лицо, являющееся собственником Центра, заключает договора с клиентами Центра на возмездное оказание услуг автоматизированного IoT-управления потреблением энергоресурсов. При этом клиент может находиться в любом месте земного шара при условии доступа к сети Интернет.
С этой целью каждый клиент приобретает в свою собственность и устанавливает на своих объектах, подлежащих управлению, множество соответствующих I-вещей. Это множество, соединенное посредством Интернета с Центром, образует (вместе с Центром) определенную систему управления потреблением энергоресурсов определенного клиента. В этой системе указанное множество образует нижний (клиентский) уровень определенной системы IoT-управления, а Центр - верхний. К Центру посредством Интернета могут быть подключены множества I-вещей большого числа клиентов, вследствие чего Центр осуществляет функцию глобального управления.
I-вещь включает датчик или исполнительный механизм, а также IoT-контроллер, характеризующийся возможностью взаимодействия с Интернетом по стандартным протоколам, а через Интернет и с внешним миром через специализированные IoT протоколы. IoT-контроллер содержит аналого-цифровой преобразователь, схему согласования сигнала, а также отдельную микросхему, осуществляющую измерение показателей количества и качества электрической энергии (частоты, тока, напряжения, мощности) и запись этих данных в свою память. Указанная микросхема является типовой, может производить первичную математическую обработку данных в режиме реального времени с высокой частотой дискретизации, она широко используется в промышленных устройствах, промышленных счетчиках. Фактически это специализированный процессор цифровой обработки сигналов - ЦОС (DSP), предназначенный для работы в средствах измерительной техники. Нижний (клиентский) уровень определенной системы IoT-управления включает множество IoT-контроллеров для решения разных задач.
Ниже в таблице в качестве примера приведен типовой набор I-вещей.
N п/п
Тип IoT котроллера
Число каналов
Входы
Выходы
Примечания
1
Одноканальный трехфазный регистратор
1
U: L<sub>1..3</sub>, NI: ТТ<sub>1..3</sub>
1 DO
На каждый канал:- аналоговый вход для измерения напряжения между каждой фазой (L) и нейтралью (N);- аналоговый вход для измерения тока (с помощью трансформатора тока - TT) по каждой фазе;- 1 дискретный выход, реализованный на базе твердотельного релеИзмерения:действующие значения тока и напряжения; полная, активная и реактивная мощности; коэффициент мощности; суммарная энергия; частота сети; коэффициент гармонических составляющих; коэффициент искажений по току; несимметрия тока
2
Четырехканальный трехфазный регистратор
4
4 U: L<sub>1..3</sub>, N4 I: ТТ<sub>1..3</sub>
4 DO
3
Одноканальный однофазный регистратор
1
4 U: L, N4 I: ТТ
4 DO
4
Четырехканальный однофазный регистратор
4
4 U: L, N4 I: ТТ
4 DO
5
Восьмиканальный однофазный регистратор
8
8 U: L, N8 I: ТТ
8 DO
6
Одноканальный диммер
1
2 AI
1 AO
На каждый канал:- 2 аналоговых входа (0-10в / 0-20 мА / 4-20 мА);- 1 выход для управления нагрузкой от 0 до 2 кВт;Измерения:действующие значения тока и напряжения; полная, активная и реактивная мощности; суммарная энергия
7
Четырехканальный диммер
4
8 AI
4 AO
8
Восьмиканальный диммер
8
16 AI
8 AO
9
Одноканальный релейный модуль
1
2 DI
1 DO
На каждый канал:- 2 дискретных входа (12-24В);- 1 выход для управления нагрузкой до 2 кВт, реализованный на базе твердотельного релеИзмерения:действующие значения тока и напряжения; полная, активная и реактивная мощности; суммарная энергия
10
Четырехканальный релейный модуль
4
8 DI
4 DO
11
Восьмиканальный релейный модуль
8
16 DI
8 DO
12
ИК-трансивер
1
1 IR
4 DO
ИК приемопередатчик (угол передачи команд по вертикали/горизонтали – 90<sup>0</sup>)4 дискретных выхода, реализованных на базе твердотельного реле
13
Одноканальный универсальный контроллер
1
1 AI2 DI
1 AO2 DO
На каждый канал:- 1 аналоговый вход (0-10в / 0-20 мА / 4-20 мА);- 2 дискретных входа (12-24В) со счетным режимом;- 1 аналог выхода (0-10в / 0-20 мА / 4-20 мА);- 2 выхода для управления нагрузкой до 2 кВт, реализованный на базе твердотельного реле
14
Четырехканальный универсальный контроллер
4
4 AI8 DI
4 AO8 DO
15
Восьмиканальный универсальный контроллер
8
8 AI16 DI
8 AO16 DO
16
Климатический модуль
1
4 AI
-
Измерения:температура, влажность, освещенность, угарный газ
17
Шлюз Modbus RTU / IoT
1
RS-485EthernetWi-Fi
RS-485EthernetWi-Fi
Предусматривается возможность Modbus Master / slave переключения
18
Модуль счетно-импульсного ввода
8
8 DI
-
Минимальная длительность сигнала 100 мксМаксимальная измеряемая частота по входу 5000 ГцДиапазоны: 0...10 Гц; 0...100 Гц; 0...1000 Гц; 0...5000 Гц
Самый простым IoT-контроллером в этом наборе является регистратор, который представляет собой устройство, подключаемое либо в однофазную сеть, либо в трехфазную сеть (однофазный или трехфазный регистратор). Он производит измерение мгновенных и среднедействующих токов по фазам, напряжений, активной, реактивной и полной мощности, энергии, частоты, гармоник, несимметрии тока, несинусоидальности и ряда других параметров, характеризующих количество и качество проходящей электрической энергии. Такой регистратор устанавливает как поставщик электроэнергии (на своем выходе), так и потребитель (на своем входе). Если нет потерь, нет несанкционированных подключений, то оба контрагента фиксируют одинаковое количество электроэнергии. Но, поскольку существует кпд, перепады, обрыв, короткое замыкание, утечки, то очевидно, что потребитель получит фактически меньше энергии, чем отдал поставщик. При этом каждый регистратор рассматриваемой пары накапливает в своей памяти информацию, где эта информация сохраняется до полугода. Но, поскольку у регистратора есть интерфейс подключения к Интернету, то каждый заинтересованный контрагент эту информацию может получить через Интернет. Регистраторы могут быть одноканальные или многоканальные. Одноканальный регистратор - это устройство, которое можно подключить только к одной линии электропередач. Многоканальный регистратор имеет несколько каналов, каждый из которых может подключаться на свою линию электропередач. Кроме того, для управления на нижнем уровне системы используется диммер, который также является одноканальным или многоканальным. Он может управлять нагрузкой до 2-х киловатт, в том числе мощным коммутационным оборудованием, автоматическими выключателями или контакторами. На нижнем (клиентском) уровне также используется универсальный контроллер, который представляет собой обычное устройство ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, куда можно завести сигналы 4-20 мА (стандарт), либо 0-10 В. На нижнем уровне есть также климатический модуль (4-20 мА, 0-10 В) для ввода сигналов от датчиков температуры, влажности, давления, а также инфракрасный модуль для дистанционного включения и выключения потребителей электроэнергии. К нижнему (клиентскому) уровню системы относятся, кроме того, шлюзы (преобразователи протоколов): с одной стороны интернет, а с другой промышленная сеть с протоколами Modbus RTU, ASCII, Profibus, CAN, HART, 1-wire, MBus и др. Шлюз позволяет преобразовывать сигналы и отправлять данные в Интернет.
Центр является верхним (и единым для множества систем) уровнем глобальной системы IoT-управления, где web-сервера 6 осуществляет работу с данными, поступающими через Интернет 12 и через блок 5 от I-вещей клиентов центра по IoT протоколу MQTT. Это дает возможность Центру работать одновременно с большим числом I-вещей (миллионный порядок подключаемых единиц). Для этого на web-сервере 6 расположен интерфейс I-вещей, так что туда может «зайти» любая I-вещь. Когда I-вещь «заходит» на web-сервер 6, производится процедура контроля доступа, после чего I-вещь «складывает» свои данные на соответствующий интерфейс I-вещей web-сервера. Web-сервер 6 также осуществляет дистанционную работу (через Интернет) с операторами (представителями) клиентов, обеспечивая доступ этих операторов к сервисам Центра посредством клиентского графического интерфейса. Однако оператор может заходить на web-сервер не только через клиентский графический интерфейс, но и через интерфейс I-вещей. При этом оба интерфейса предоставляют ему данные, которые хранятся в хранилище данных 2, включающем две базы данных - измерений и атрибутов. В базе данных измерений хранятся данные, полученные от I-вещей. Это высокоскоростная база данных. В базе данных атрибутов хранится вся информация о клиентах (заказчиках), сведения об объектах управления, сведения устройствах управления, их номиналы, определенные табличные данные, характеристики (числовые, параметрические) и так далее.
На сервере приложений 7 находятся математические пакеты (статистика и прочие расчеты), логика, пакеты нейросетевого анализа энергоданных, все сценарии по управлению системами, включая сценарии для управления типовыми объектами, например оборудованием котельных, освещением, насосами оборотной воды, системами вентиляции и кондиционирования, расчеты базовой энергетической линии (базового потребления), удельных показателей энергопотребления, стоимости, аналитика отказов, факторный анализ, планы энергопотребления, нормы плановые и фактические, прогнозы.
Пакет информации от I-вещей сначала приходит в блок 4 балансировки нагрузки. Соответствующая программа этого блока (программа балансировки нагрузки) определяет загрузку каждого web-сервера 6 и если конкретный web-сервер загружен, то он направляет информационный поток на свободный web-сервер 6. Таким образом, блок 4 равномерно распределяет нагрузку между web-серверами 6 благодаря наличию обратной связи от этих серверов к этому блоку.
Блок 5 управления очередностью производит оценку загрузки информационного канала и готовности сервера 6 к обработке данных. Все входящие сообщения поступают на вход блока 5, где производится их размещение в оперативной памяти. Если информационный канал освобождается, то блок изымает первое в очереди сообщение из своей памяти и отправляет на обработку. Все оставшиеся сообщения смещаются в очереди вперед. Если канал занят и приходит новое сообщение, то оно вновь размещается в оперативной памяти, последовательно за последним. Размер очереди изменяется автоматически блоком распределения нагрузки таким образом, чтобы время нахождения сообщений в очереди не превышало заданного порогового значения.
Шина 8 сообщений реализует возможность подключения различных программных компонент, в том числе запускаемых на различных виртуальных машинах, в состав ядра (основного функционала) сервера. Так могут быть подключены любые компоненты, отвечающие за преобразование протоколов связи, компоненты шифрования и защиты данных, математические и аналитические пакеты. Для реализации взаимодействия подключаемых компонент к шине должен быть предусмотрен общий интерфейс доступа к шине, регламентированный спецификацией на систему.