一種可配置能源管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)*

梁永宏，張 昊，陳 宇

（廣州中浩控制技術(shù)有限公司，廣東廣州 510070）

0 前言

目前世界上常規(guī)能源的儲(chǔ)量有的只能維持半個(gè)世紀(jì)（如石油），最多的也只能維持一、兩個(gè)世紀(jì)（如煤）人類生存的需求，而新的能源生產(chǎn)供應(yīng)體系又未能建立，人類面臨著能源危機(jī)的威脅。在傳統(tǒng)的化石能源消耗過程中，往往還伴隨著二氧化碳排放、粉塵污染等一系列環(huán)境問題，因此節(jié)約能源已成為全人類的共識(shí)。作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，中國(guó)生產(chǎn)出了全世界6%的GDP，但消耗了全球17%的能源，每百萬美元能耗是世界平均水平的2.4倍，因此從中央到地方，都在大力倡導(dǎo)節(jié)能降耗[1]。

節(jié)能降耗，可以采取更換耗能設(shè)備、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、使用變頻電機(jī)等直接節(jié)能手段，而近年來，越來越多的用能單位開始認(rèn)識(shí)到管理節(jié)能的重要性。傳統(tǒng)上往往采用人工抄表和統(tǒng)計(jì)模式進(jìn)行能源數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單匯總，這種簡(jiǎn)單模式已不能適應(yīng)全方位、多層次管理用能的需要。很多用能單位開始建設(shè)能源管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱EMS），它對(duì)生產(chǎn)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、加工、分析和處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源使用的計(jì)劃性、高效性、平衡性、可預(yù)測(cè)性等全方位的監(jiān)控和管理功能，達(dá)到節(jié)能增效的目的[2-3]。

不同的用能單位，采用的能源種類不同，計(jì)量設(shè)備不同，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不同，能耗統(tǒng)計(jì)方式多樣。特別是一些大型的公共建筑或工業(yè)基地，其內(nèi)部用能模型復(fù)雜，這就要求EMS必須能夠可配置，以適應(yīng)不同用能單位的需要。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

用能單位對(duì)能源管理往往有多方面的需求，包括：①了解能源使用量：需要清晰地了解某個(gè)時(shí)間段、某個(gè)設(shè)備、某個(gè)部門的能源消耗量和各種關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)；②能源使用質(zhì)量：需要了解能源的質(zhì)量是否符合生產(chǎn)要求，能夠監(jiān)視和改正能源質(zhì)量問題，了解并提升用能設(shè)備的效率；③能源使用可靠性：需要了解能源的使用是否安全可靠，并及時(shí)的發(fā)現(xiàn)、處理能源使用的故障，快速恢復(fù)能源的供應(yīng)，以提高用能的可靠性。

基于此，EMS的建設(shè)目標(biāo)一般應(yīng)包括：

1）建立用能模型；

2）單位用能的實(shí)時(shí)圖型化監(jiān)測(cè)[4]；

3）實(shí)現(xiàn)用能狀況的實(shí)時(shí)故障報(bào)警[5]；

4）能耗信息的自動(dòng)采集歸檔；

5）生產(chǎn)企業(yè)單位能耗分析；

6）公共建筑單位面積能耗分析；

7）多級(jí)能耗成本分析；

8）分析能耗的變化規(guī)律；

9）實(shí)現(xiàn)能耗信息的實(shí)時(shí)發(fā)布與預(yù)警；

10）自動(dòng)抄表。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

一個(gè)完善的EMS系統(tǒng)，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)從底層數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)到后臺(tái)數(shù)據(jù)分析的所有功能。系統(tǒng)的整體架構(gòu)可分為多個(gè)層次[6]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集通訊層：作為整個(gè)系統(tǒng)的最低層，它利用安裝在現(xiàn)場(chǎng)的流量、溫度、壓力等傳感器和電能測(cè)量等智能儀表，來實(shí)時(shí)測(cè)量耗能數(shù)據(jù)，并分別匯聚到PLC、網(wǎng)關(guān)、RTU等設(shè)備，再將這些PLC、網(wǎng)關(guān)、RTU等設(shè)備，經(jīng)光纖介質(zhì)組成工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，利用MODBUS等通訊協(xié)議，供上層軟件調(diào)用。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層：該層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括所有的模擬量（如三相電流、線電壓、相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無功電能等）、開關(guān)量（如斷路器的分合狀態(tài)、故障跳閘信息、接地刀的分合狀態(tài)等）進(jìn)行實(shí)時(shí)和定時(shí)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)對(duì)所有的模擬量均采用交流采樣，保證測(cè)量的高精度和實(shí)時(shí)性；對(duì)開關(guān)量進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，對(duì)開關(guān)變位進(jìn)行事件記錄輸出并告警，該層一般可基于工業(yè)組態(tài)軟件構(gòu)建[7]。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：該層利用OPC協(xié)議，首先獲得現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再經(jīng)專門開發(fā)的DataLog程序，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用變化存儲(chǔ)等方式壓縮處理后，直接存入到SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。然后利用數(shù)據(jù)庫Job對(duì)能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸并，并和ERP等管理信息系統(tǒng)交互，形成供數(shù)據(jù)分析使用的歸檔庫。

業(yè)務(wù)分析應(yīng)用層：該層是整個(gè)EMS系統(tǒng)的核心，通過與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的交互，實(shí)現(xiàn)能耗建模，并以網(wǎng)頁和報(bào)表等方式，實(shí)現(xiàn)KPI分析、成本分析、趨勢(shì)分析等功能。該層主要采用C#語言和SQL Server Report Service技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。

整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)分為多層后，各層之間有清晰的接口。對(duì)于符合協(xié)議要求的計(jì)量設(shè)備，均能方便地通過配置方式直接接入系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)也可方便地以配置方式增加。

3 用能模型描述

清晰、準(zhǔn)確地描述用能模型，是EMS系統(tǒng)的核心。利用計(jì)量設(shè)備物理模型與用能單位組織結(jié)構(gòu)實(shí)體模型間的映射，可以有效地描述復(fù)雜的用能模型。

（1）計(jì)量設(shè)備物理模型

系統(tǒng)主要通過自動(dòng)讀取計(jì)量設(shè)備的測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)值，再進(jìn)行特定時(shí)間段的差值運(yùn)算來計(jì)算對(duì)應(yīng)的能耗信息。因此需要管理計(jì)量設(shè)備的代碼、名稱、類型、狀態(tài)及下屬的測(cè)點(diǎn)地址、名稱等信息。圖2是某工廠的計(jì)量設(shè)備物理模型示例。

（2）實(shí)體概念模型

不同用能單位的組織機(jī)構(gòu)、用能設(shè)備單元差異較大，統(tǒng)計(jì)需求也各不相同，且隨運(yùn)行時(shí)間的推移，而不斷發(fā)生變化。為了適應(yīng)這種變化，軟件設(shè)計(jì)以樹狀層次結(jié)構(gòu)為核心，來清晰描述這種概念模型。對(duì)于樹中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，均代表一個(gè)實(shí)體，實(shí)體可以用來表達(dá)組織結(jié)構(gòu)、耗能設(shè)備或計(jì)算用的邏輯虛節(jié)點(diǎn)等，并擁有實(shí)體代碼、名稱、層級(jí)、類型等信息。圖3是某工廠的實(shí)體概念模型示例。

圖2 計(jì)量設(shè)備物理模型示例

（3）用能分配

圖3 實(shí)體概念模型結(jié)構(gòu)示例

用能分配主要實(shí)現(xiàn)實(shí)體概念模型與計(jì)量設(shè)備物理模型間的關(guān)聯(lián)，將相關(guān)計(jì)量設(shè)備分配到對(duì)應(yīng)的實(shí)體。需要強(qiáng)調(diào)的是，在企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，這種分配并不局限于簡(jiǎn)單的一對(duì)一關(guān)系，可能出現(xiàn)一對(duì)多、多對(duì)多的關(guān)系。如某兩個(gè)同時(shí)開關(guān)的并聯(lián)設(shè)備，可能共用一個(gè)計(jì)量電表，此時(shí)可依據(jù)每個(gè)設(shè)備的額定功率，進(jìn)行固定比例的能耗分配。

4 軟件分析功能

4.1 多級(jí)單位能耗分析

對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)，單位能耗是一個(gè)非常重要的KPI指標(biāo)，單位產(chǎn)量或單位產(chǎn)值所消耗的某種能源量。

（1）能源類型管理

在生產(chǎn)企業(yè)中，可能會(huì)用到多種能源。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型能源的管理，包括代碼、名稱、計(jì)量單位等信息，并維護(hù)不同類型能源間的換算關(guān)系。

（2）產(chǎn)品類型管理

一個(gè)車間或生產(chǎn)線，往往會(huì)生產(chǎn)多種產(chǎn)品，而每種產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)能耗有較大差異。因此系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品類型進(jìn)行管理，包括產(chǎn)品代碼、名稱、標(biāo)準(zhǔn)能耗等信息，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)能耗實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的換算。

（3）產(chǎn)量及產(chǎn)值

某時(shí)間段的產(chǎn)量信息可以來自于現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)量計(jì)數(shù)器，對(duì)沒有產(chǎn)量計(jì)數(shù)的產(chǎn)線，可以選擇手工方式錄入產(chǎn)量，或從現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)讀入實(shí)時(shí)產(chǎn)量。輸入的產(chǎn)品產(chǎn)量對(duì)應(yīng)于概念模型的某個(gè)實(shí)體，可進(jìn)一步用于進(jìn)行計(jì)算產(chǎn)值。

（4）多級(jí)單位能耗的遞歸計(jì)算

基于實(shí)體概念模型，系統(tǒng)采用定時(shí)遞歸計(jì)算的方式，自樹的頁節(jié)點(diǎn)向根匯總計(jì)算每個(gè)實(shí)體單元每小時(shí)的單位能耗信息，并將計(jì)算結(jié)果按小時(shí)、日、月、年的時(shí)間段存入歸檔數(shù)據(jù)庫中，以滿足報(bào)表的查詢需求。

4.2 多級(jí)單位面積綜合能耗分析

對(duì)于公共建筑，常用的KPI指標(biāo)是單位面積的綜合能耗。除了面積相對(duì)固定，不需計(jì)算產(chǎn)量、產(chǎn)值外，其計(jì)算方式和單位能耗的計(jì)算方式類似。

4.3 能耗成本分析

（1）能源單價(jià)管理

不同的能源產(chǎn)品，具有不同的產(chǎn)品單價(jià)，而即使同一種產(chǎn)品，如電力，在不同波、峰、谷時(shí)間段的單價(jià)也各不相同。

（2）能耗成本管理

知道能源用量與能源單價(jià)，可以計(jì)算出產(chǎn)品的能耗總成本，企業(yè)可據(jù)此進(jìn)行分析，合理地組織生產(chǎn)，以減低能耗成本。

4.4 能耗趨勢(shì)分析

（1）同比分析

對(duì)選定的實(shí)體單元，主要實(shí)現(xiàn)歷年同期的能耗總量、單位能耗單位面積綜合能耗等關(guān)鍵能耗指標(biāo)比較，了解每年的能耗水平趨勢(shì)。

（2）環(huán)比分析

對(duì)選定的實(shí)體單元，主要實(shí)現(xiàn)最近幾個(gè)月的關(guān)鍵能耗指標(biāo)比較，了解近期的能耗水平趨勢(shì)。

（3）對(duì)比分析

對(duì)任意選定的多個(gè)實(shí)體單元，可以選定時(shí)間段的關(guān)鍵能耗指標(biāo)比較，顯示能耗差距，如圖4所示。

圖4 能耗趨勢(shì)分析示例

圖5 現(xiàn)場(chǎng)能耗看板示例

4.5 實(shí)現(xiàn)能耗信息的實(shí)時(shí)發(fā)布

利用現(xiàn)場(chǎng)的能耗看板，可以讓一線的人員了解實(shí)時(shí)能耗指標(biāo)，提高節(jié)能意識(shí)，如圖5是某工廠24小時(shí)實(shí)時(shí)能耗的現(xiàn)場(chǎng)看板。

4.6 抄表功能

利用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)在特定時(shí)刻自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)日、月、年報(bào)表，以替代傳統(tǒng)的人工抄表。

5 結(jié)束語

本文介紹的能源管理系統(tǒng)，已在廣州珠江醫(yī)院和某大型外資企業(yè)成功使用。系統(tǒng)不止?jié)M足了現(xiàn)場(chǎng)能源監(jiān)測(cè)的要求，還可以實(shí)現(xiàn)多層次、多維度的KPI數(shù)據(jù)分析。在實(shí)際項(xiàng)目中，不同單位的分析要求會(huì)略有差異，但由于采用了基于計(jì)量設(shè)備物理模型與企業(yè)組織結(jié)構(gòu)實(shí)體模型映射的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有了較高的靈活性，系統(tǒng)可以方便地通過配置適應(yīng)不同單位的計(jì)量設(shè)備或組織結(jié)構(gòu)變更，大大減少定制開發(fā)的工作量。

EMS作為用能單位信息系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，將來可以進(jìn)一步與用能單位的ERP等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充分集成，以更大地發(fā)揮EMS的效能。

［1］白保良，羅寧，李捍東.貴州黔南復(fù)烤廠能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.信息通信，2012（2）：123-124.

［2］姜欣玨，李東旭，陳躍華，等.玻璃工廠能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化與儀表，2012（4）：10-11.

［3］王彥桂，陳宇.工業(yè)基地DMAIC精細(xì)化能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2011（11）：46-50.

［4］金艷，余兵，張興蘭.基于Wonderware的鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)，2009（12）：83-84.

［5］周永良，李鐵克，王偉玲.基于實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫技術(shù)的鋼鐵能源管理系統(tǒng)［J］.冶金能源，2010（3）：13-14.

［6］秦根建.能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.智能建筑與城市信息，2010（5）：74-75.

［7］曹涌，張長(zhǎng)勝.能源管理系統(tǒng)(EMS)助煙廠節(jié)能降耗［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011（11）：9089-9090.