能源管控系統(tǒng)集中改造的應用與探索

曹少岳 馮明義

本文介紹能源管控系統(tǒng)在解決鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)存在的設(shè)備分布離散、數(shù)據(jù)可靠性與共享性差、能源調(diào)度與平衡等問題的解決方案。利用能源管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺，我們可以確保能源生產(chǎn)監(jiān)控的準確性、可靠性，能源調(diào)度的科學性、及時性和合理性，實現(xiàn)生產(chǎn)工序用能的優(yōu)化分配及供應，保證生產(chǎn)及動力工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，并最終實現(xiàn)提高整體能源利用效率的目的。

一、應用背景

鋼鐵企業(yè)的能源系統(tǒng)主要分為水、電、氣（汽）三大系統(tǒng)，主要由高壓變配電系統(tǒng)各級站所、PLC系統(tǒng)及其配套電氣設(shè)備以及部分大型單機設(shè)備進行能源計量和調(diào)配。由于各系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成、計量方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議等均存在較大的差異，原有的系統(tǒng)之間相互獨立，數(shù)據(jù)可靠性差，計量設(shè)備故障處置響應時間較長，無法做到動力能源調(diào)配的高效性、準確性、合理性。通過建立全域的能源管控系統(tǒng)來滿足對能源介質(zhì)進行精細化管理調(diào)度控制的需求，成為解決能源利用與平衡問題最有效的方法。

二、能源管控系統(tǒng)

能源管控系統(tǒng)是在自動化和綜合過程監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)分析和管理平臺，通過高度集成的智能化能源管控系統(tǒng)，通過 I/O、通信接口、專用儀表或第三方系統(tǒng)收集滿足能源管理中心系統(tǒng)應用功能要求的數(shù)據(jù)，包括能源系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、計量數(shù)據(jù)、動力公輔系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息、與能源調(diào)度相關(guān)的公司主體生產(chǎn)單元信息等，根據(jù)企業(yè)的實際需求配置能源質(zhì)量和量值管理，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的精細化控制，支撐公司整體能源的平衡，揭示能源消耗過程，實現(xiàn)能源的全空域、全時域管理，達到節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的目的，是企業(yè)以過程數(shù)據(jù)為依據(jù)進行能源管理的重要系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)技術(shù)方案

（一）總體要求

在數(shù)據(jù)層面，系統(tǒng)通過完善現(xiàn)場能源計量設(shè)備、底層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、完善數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等方式，將采集的數(shù)據(jù)進行歸納、分析和處理，結(jié)合生產(chǎn)計劃和檢修計劃的數(shù)據(jù)，解決企業(yè)在能源管理過程中存在的數(shù)據(jù)缺失、零散和缺乏宏觀分析的問題，支撐企業(yè)整體能源的平衡。在應用層面，系統(tǒng)可根據(jù)企業(yè)的實際需求配置能源質(zhì)量和量值管理、專業(yè)管理報表子系統(tǒng)、運行和決策支持、數(shù)據(jù)分析及考核等管理模塊，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的精細化管理。

系統(tǒng)改造的主要目標為：

（1）各系統(tǒng)主要能源參數(shù)實現(xiàn)集中、統(tǒng)一的畫面監(jiān)視。

（2）實現(xiàn)公司及工序各類能源進出口點和計量數(shù)據(jù)的監(jiān)視，包括系統(tǒng)介質(zhì)的潮流圖、流程圖等。

（3） 重要生產(chǎn)工序數(shù)據(jù)監(jiān)視，內(nèi)部主要生產(chǎn)單元和用能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)監(jiān)視。

（4）環(huán)保監(jiān)視，顯示從環(huán)保系統(tǒng)獲取的各種環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括固定污染源監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測、水質(zhì)污染監(jiān)測的等，對超標項進行報警。

（二）實施方案

1.能源管控系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)整合與數(shù)據(jù)采集

（1）自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整合與數(shù)據(jù)采集

結(jié)合企業(yè)各能源系統(tǒng)儀表自動化系統(tǒng)的情況及實際生產(chǎn)狀況，以區(qū)域統(tǒng)一或系統(tǒng)功能統(tǒng)一為原則，在原有的串行結(jié)構(gòu)DP通信總線的基礎(chǔ)上利用光纖、TCP/IP通信技術(shù)對原有各獨立自控系統(tǒng)進行整合，將信號接入統(tǒng)一的HMI平臺，實現(xiàn)同一區(qū)域或同一系統(tǒng)的局部遠程控制、數(shù)據(jù)集中采集和無人值守。

在全廠區(qū)各用能點新增流量計、液位計，儀表信號能接入原有自控系統(tǒng)的接入就近的自控系統(tǒng)，不能接入自控系統(tǒng)的，采用無線通信的方式將信號接入能源管控系統(tǒng)平臺，從而實現(xiàn)用能點數(shù)據(jù)信號全覆蓋與集中監(jiān)測。

（2）電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整合與數(shù)據(jù)采集

1）繼電保護裝置集成：通過統(tǒng)一規(guī)劃，將繼電保護裝置進行改造升級、規(guī)約轉(zhuǎn)化、后臺整合等操作，從而實現(xiàn)不同繼電保護裝置的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)集成，達到信息集成和共享。

2）電能數(shù)據(jù)集中采集：把原有的不具備通信功能的電度表升級改造為支持相應繼電保護通信管理機規(guī)約的智能電度表，將電度表數(shù)據(jù)接入變電站的通信管理機，使電能計量數(shù)據(jù)具備信號上傳的功能。

（3）用能工序自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)梳理與數(shù)據(jù)采集

在盡可能保證原生產(chǎn)系統(tǒng)自控網(wǎng)絡(luò)不做修改的前提下，通過加裝隔離網(wǎng)關(guān)將原自控系統(tǒng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為國際標準協(xié)議，方便與能源管控主干網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對接，為生產(chǎn)工序能源數(shù)據(jù)及用能設(shè)備的流量、壓力、溫度、設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)上傳創(chuàng)造條件。

2.能源管控系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

（1）能源管控系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計

通過對各用能點和信號基站及水、電、氣（汽）能源系統(tǒng)的調(diào)研，設(shè)計人員在完善了底層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上根據(jù)各系統(tǒng)分布及數(shù)據(jù)量情況設(shè)計能源管控主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)負荷應能夠滿足企業(yè)全負荷生產(chǎn)的產(chǎn)能所覆蓋的所有產(chǎn)線和公輔設(shè)施，并預留未來產(chǎn)線升級的接入能力。

（2）能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

以設(shè)置在集控中心機房中的兩臺核心交換機為起點，網(wǎng)絡(luò)線路向各匯聚交換機星型發(fā)散，各接入交換機與相應匯聚交換機串型連接并與核心交換三者之間形成閉合回路，搭建成一個“局域環(huán)網(wǎng)+星型冗余”的復合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建完成后，網(wǎng)絡(luò)分布按功能分為基礎(chǔ)層、匯聚層和核心層三層。其具體功能與構(gòu)成如下：

接入層：由接入交換機與隔離網(wǎng)關(guān)對接，實現(xiàn)對水、電、氣（汽）能源系統(tǒng)及各生產(chǎn)工序的數(shù)據(jù)采集。

匯聚層：由具有數(shù)據(jù)接入與匯聚功能的交換機網(wǎng)絡(luò)組成，實現(xiàn)基礎(chǔ)層與核心層之間的數(shù)據(jù)交換。

核心層：由兩臺中心冗余交換機組成，實現(xiàn)所采集的各局域數(shù)據(jù)的最終集成，與服務器及其他網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互。

為保障系統(tǒng)在改造時不影響原有設(shè)備的運行，在匯聚層網(wǎng)絡(luò)與各底層原生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)之間配套增加隔離網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對底層設(shè)備和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的保護，網(wǎng)絡(luò)接口均支持多種通信協(xié)議，完全克服了底層生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)條件限制，分別將各 PLC系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)及電力繼電保護系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集至各隔離網(wǎng)關(guān)，隔離網(wǎng)關(guān)將各類不同的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為標準MOD-BUS/TCP協(xié)議的信號，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上行管理網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)水、電、氣（汽）三系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)及各用能工序關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中采集。

3.服務器與工作站配置

（1）服務器功能分配

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與處理、網(wǎng)絡(luò)服務、冗余等不同的功能，在兼具安全和穩(wěn)定的前提下對服務器功能進行分配，確保各節(jié)點各有側(cè)重、相互支持。

數(shù)據(jù)采集（I/O）服務器

設(shè)置兩組服務器，每組一臺為主，一臺備用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集服務器冗余配置，實現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移和自動切換。其中一組用于自動化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，完成數(shù)據(jù)采集和部分站所的遠程控制功能。另外一組完成與變配電所繼電保護系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)對各變配電所綜保裝置的遠程監(jiān)控、電度表數(shù)據(jù)的采集功能。

數(shù)據(jù)庫服務器

能源管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大，因此應配置專門的數(shù)據(jù)庫服務器，用于能源數(shù)據(jù)的存儲。要求歷史數(shù)據(jù)長期存儲，服務器穩(wěn)定運行系統(tǒng)平均負荷率<30%。在此基礎(chǔ)上集成部分 Web 服務器、測試服務器的功能。

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲磁盤陣列用于能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和實時庫數(shù)據(jù)存儲，滿足三年EMS數(shù)據(jù)存儲，先進完整的冗余技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份以及恢復。

4.工作站配備

能源管理系統(tǒng)的人機交互平臺采用成熟的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)。SCADA 監(jiān)控軟件選用SIEMENS WINCC OA，數(shù)據(jù)庫軟件為ORACLE 19c。它作為能量管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個最主要的子系統(tǒng)，有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢。

工作站分為三種類型：操作工作站、工程師站和三維圖形站。在所有的操作和管理終端上，具有不同級別的操作授權(quán)機制。

（1）操作員工作站

操作員工作站分別用于電力系統(tǒng)、水系統(tǒng)、動力煤氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、安全環(huán)保、值班調(diào)度等整個系統(tǒng)的操作界面，對有關(guān)的能源數(shù)據(jù)和設(shè)備進行監(jiān)控。

（2）工程師站

工程師站用于系統(tǒng)維護人員對 EMS 計算機軟硬件進行配置和異常處理，可對應用軟件、接口程序、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、操作日志、數(shù)據(jù)備份等進行系統(tǒng)級別的維護管理。通過網(wǎng)絡(luò)路由管理和安全機制配置，工程師站可完成遠程系統(tǒng)維護。

（3）三維圖形工作站

三維圖形工作站主要負責三維可視工廠模型系統(tǒng)的運行和管理，利用三維圖形軟件提供直觀的3D模型，可直觀反映現(xiàn)場環(huán)境全貌及各工序及公輔站點分布情況。

四、 系統(tǒng)的效果與優(yōu)勢

系統(tǒng)完成后，實現(xiàn)了計量設(shè)備管理和數(shù)據(jù)采集方式、控制模式的創(chuàng)新，主要存在以下優(yōu)勢：

（一）能源計量儀表管理

對企業(yè)的一二級計量儀表（廠際間的結(jié)算儀表）的基礎(chǔ)臺賬信息、檢定提醒信息進行整體統(tǒng)籌管理，方便對能源計量儀表的日常維護和檢修工作。

（二）基礎(chǔ)能源數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)可采集所有能源平衡所需要的計量數(shù)據(jù)和運行控制數(shù)據(jù)，包括能源計量測量、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、在線質(zhì)量檢測設(shè)備數(shù)據(jù)、實驗室分析化驗數(shù)據(jù)的以及其他數(shù)據(jù)源的采集等。

（三）能源綜合監(jiān)控與平衡

將全廠的能源設(shè)施作為一個平衡系統(tǒng)來設(shè)計，直觀反映能源生產(chǎn)和供應過程中的平衡情況，根據(jù)能源發(fā)生和各工序的消耗情況提供能源供應在線調(diào)度工具并實時顯示能源介質(zhì)信息，對動力成本進行測算，采取最優(yōu)調(diào)度措施，實現(xiàn)能源最佳運行模式，滿足生產(chǎn)需要。

（四）遠程控制與應用

系統(tǒng)通過采集現(xiàn)場各主要設(shè)備、遠程電控設(shè)備、工藝介質(zhì)參數(shù)、報警信息等多類數(shù)據(jù)，在盡可能保證原有控制系統(tǒng)操作界面和操作風格的基礎(chǔ)上，增加“控制權(quán)限選擇”功能，可根據(jù)操作需要實現(xiàn)遠程站控制與就地站控制之間的切換。

五、結(jié)束語

系統(tǒng)改造后，實現(xiàn)水、電、氣（汽）能源系統(tǒng)各儲配設(shè)備的集中控制，提高公司動力能源調(diào)配的高效性、準確性、合理性，集中控制代替分散控制提高作業(yè)人員勞動效率、優(yōu)化作業(yè)環(huán)境，數(shù)據(jù)分析板塊可對各工序產(chǎn)品產(chǎn)量及用能量進行綜合分析、建模，提高能源利用監(jiān)管力度。

本文方案可作為鋼鐵企業(yè)能源管控系統(tǒng)構(gòu)建與改造的樣本，在不影響原有系統(tǒng)正常功能的情況下實施，具有安全隔離、易于實施、開放兼容的特點，具備極強的可推廣性。

作者單位：陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司