智能化背景下用能單位能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

杜彩文 陳勇 張宣 陳靜

21世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟(jì)水平逐步邁入世界前列，但企業(yè)生產(chǎn)過程中仍存在高能耗、低效率的問題，掣肘企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也為我國“雙碳”政策的推進(jìn)造成了阻礙，在很大程度上制約了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本研究立足于節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略，設(shè)計(jì)了一套針對用能單位的能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)，以期能夠通過該系統(tǒng)提高企業(yè)用能效率。

建設(shè)企業(yè)能源管理系統(tǒng)不僅能夠滿足公司當(dāng)前對能源管理的需求，而且能夠隨企業(yè)的持續(xù)發(fā)展而拓展。該系統(tǒng)的應(yīng)用可顯著減少企業(yè)在能源消耗方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、表格維護(hù)、報(bào)告編制和數(shù)據(jù)處理等的成本。該系統(tǒng)通過在線分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，支持企業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控能源消耗，進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)和深入預(yù)測。這不僅為企業(yè)在節(jié)能減排和持續(xù)改進(jìn)方面提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而且還強(qiáng)化了決策制定過程的有效性。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

（一）根據(jù)能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化能源管理

基于智能多功能電力測控終端，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)全廠區(qū)的用電監(jiān)測等。

（二）搭建企業(yè)智慧用能管理平臺，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理

基于上傳的多時(shí)間尺度、多參數(shù)維度用能數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)幫助企業(yè)搭建智慧用能管理平臺，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)自動(dòng)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，用能結(jié)構(gòu)、用能趨勢的可視化分析，用能實(shí)時(shí)監(jiān)測及告警，安全、節(jié)能、降費(fèi)優(yōu)化建議與報(bào)告管理等，促進(jìn)企業(yè)用能管理水平、管理效率的提升。

（三）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量能耗監(jiān)測評估，助力企業(yè)降低單耗

單品能耗可直接反映企業(yè)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)效率情況，對同一產(chǎn)品不同生產(chǎn)車間、生產(chǎn)線進(jìn)行單位能耗統(tǒng)計(jì)與分析，有助于企業(yè)找出生產(chǎn)差異。

（四）實(shí)現(xiàn)企業(yè)用能安全、節(jié)能、降費(fèi)的管控及優(yōu)化目標(biāo)

基于智慧用能管理平臺的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)企業(yè)在安全、節(jié)能、降費(fèi)3個(gè)層面的管控需求及優(yōu)化空間，并分別為企業(yè)提供配用電系統(tǒng)智能運(yùn)維、配用電系統(tǒng)智能節(jié)電、基本電費(fèi)優(yōu)化等解決方案，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)全方位的用能優(yōu)化，收獲優(yōu)化效益。

二、能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

智能能源管理系統(tǒng)的構(gòu)成包括幾個(gè)關(guān)鍵組件：監(jiān)控中心負(fù)責(zé)整體監(jiān)管，主干通信網(wǎng)絡(luò)確保系統(tǒng)內(nèi)部信息流暢傳輸，現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，多種智能計(jì)量設(shè)備用于精確測量和記錄能源使用，以及網(wǎng)絡(luò)控制器是連接第三方智能計(jì)量設(shè)備的關(guān)鍵接口。從安全用能、用能管理自動(dòng)化、能耗監(jiān)測與計(jì)量、能效提升、用能質(zhì)量監(jiān)測、智能設(shè)備管理角度出發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，具體思路共分為如下6點(diǎn)：

充分結(jié)合公司目前現(xiàn)狀及能源管理的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出科學(xué)高效、完善合理、功能齊全、可實(shí)施性強(qiáng)的能源管理平臺技術(shù)方案；

根據(jù)能耗情況，以最終實(shí)現(xiàn)集水、電為一體的能源監(jiān)控系統(tǒng)；

該系統(tǒng)使得能源使用能夠在真實(shí)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行在線監(jiān)測，為能源管理人員提供了多級管理權(quán)限。這樣，他們可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，實(shí)時(shí)查詢能耗數(shù)據(jù)和狀態(tài)；

充分體現(xiàn)投資回報(bào)效益，體現(xiàn)管理節(jié)能、技術(shù)節(jié)能的綜合效益；

為制定能源政策提供詳實(shí)的依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)資源的科學(xué)管理、科學(xué)利用的目標(biāo)；

根據(jù)各個(gè)配電室、監(jiān)控中心、檢測點(diǎn)之間的位置提供合適的通信方式及網(wǎng)線連接方案。

（二）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.能源采集數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

能源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)具有3大特點(diǎn)，即可靠性、冗余性以及可行性，以此實(shí)現(xiàn)對企業(yè)電、水、油、氣等能源消耗數(shù)據(jù)的采集，通過構(gòu)建能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，能夠幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)能流高度集成控制，提高能源利用效率。

2.能源監(jiān)測系統(tǒng)

能源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于收集耗能設(shè)備的多種信息，包括但不限于設(shè)備的質(zhì)量安全環(huán)保指標(biāo)、生產(chǎn)核心指標(biāo)和能源質(zhì)量參數(shù)等，涵蓋了一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這個(gè)系統(tǒng)具備多種功能，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，還能分析能耗的歷史趨勢和模式，實(shí)時(shí)監(jiān)控能耗情況，通過與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的一體化管理。

3.能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對企業(yè)作業(yè)能耗的全方位管理，具體分為五個(gè)方面：

用能實(shí)時(shí)監(jiān)測。平臺提供強(qiáng)大的用能分析功能，可在線查看圖形化展示的各監(jiān)測點(diǎn)的用能數(shù)據(jù)。通過對電、水、油等各類用能數(shù)據(jù)的分類分項(xiàng)計(jì)量，以及同、環(huán)、占比、排名、變化分析，可幫助企業(yè)掌握用能詳細(xì)數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)異常用能，使節(jié)能降耗活動(dòng)有的放矢，有據(jù)可依。

用能報(bào)表?？砂凑杖?周/月/年/任意時(shí)段等多種時(shí)間單位，以及產(chǎn)品/工序/車間等多個(gè)分析維度進(jìn)行用能的統(tǒng)計(jì)分析，形成不同時(shí)間尺度下的用能報(bào)表，并能支持Excel格式下載。

碳排放計(jì)算。系統(tǒng)可以將不同能源介質(zhì)的使用量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)煤，形成企業(yè)的碳排放數(shù)據(jù)?？梢园慈铡⒃陆y(tǒng)計(jì)，并具備同比、環(huán)比功能。系統(tǒng)內(nèi)可對碳排放數(shù)據(jù)設(shè)置告警，可在碳排放超標(biāo)前及時(shí)提醒企業(yè)采取相應(yīng)措施。

能源平衡。系統(tǒng)通過能流圖的形式直觀展示企業(yè)各類能源的使用方向，幫助企業(yè)管理者掌握企業(yè)對不同能源介質(zhì)使用的平衡。

電費(fèi)分析。系統(tǒng)可按照電網(wǎng)公司計(jì)費(fèi)方式，每個(gè)月自動(dòng)生成企業(yè)的電費(fèi)分析報(bào)告，分析企業(yè)各項(xiàng)電費(fèi)占比及用電合理性。系統(tǒng)通過智能分析，向用戶推薦更經(jīng)濟(jì)的電費(fèi)報(bào)裝方式，節(jié)省電費(fèi)。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集計(jì)算用戶月度平均功率因數(shù)，可以設(shè)定閥值，自動(dòng)提醒用戶及時(shí)處理功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)問題，避免罰款。

三、能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）能耗監(jiān)測和管理功能的實(shí)現(xiàn)

能耗監(jiān)測與管理功能依托ESP-ISYS平臺以及系統(tǒng)集成技術(shù)，以此構(gòu)建智能化能耗綜合監(jiān)測管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對企業(yè)能耗設(shè)備及設(shè)備相關(guān)信息的全范圍采集，如設(shè)備信息、設(shè)備耗電情況、設(shè)備耗電預(yù)測等。同時(shí)，系統(tǒng)還能根據(jù)采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、能耗信息進(jìn)一步集成、管理關(guān)鍵能耗設(shè)備，以此優(yōu)化設(shè)備能耗，提高能源使用效率。另外，本系統(tǒng)還能校正、診斷所采集的設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各能耗設(shè)備的運(yùn)行情況，并對這些設(shè)備進(jìn)行周期性故障診斷。一旦發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常，便會開啟警報(bào)功能。本系統(tǒng)應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，能夠進(jìn)一步幫助企業(yè)預(yù)測能源消耗，優(yōu)化能源調(diào)配流程，實(shí)現(xiàn)對能源資源的集成管理和控制。

（二）數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化功能的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化功能，核心依賴于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用三層交換技術(shù)來進(jìn)行局域網(wǎng)絡(luò)的劃分。在這種架構(gòu)中，核心層，也就是系統(tǒng)的管理層，主要基于工業(yè)級以太環(huán)網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念來構(gòu)建，具體框架如圖1所示。

為了有效監(jiān)控企業(yè)能耗設(shè)備的運(yùn)行狀況，不僅要通過數(shù)據(jù)采集模塊同步收集能源使用數(shù)據(jù)，還需對關(guān)鍵能耗設(shè)備的環(huán)境質(zhì)量安全數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)采集。為了提升數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的能力，必須在一些生產(chǎn)設(shè)備的回路上安裝計(jì)量儀表，并對那些無通信接口的計(jì)量儀表進(jìn)行升級改造，以增加計(jì)量儀表的覆蓋率。這些措施將極大地促進(jìn)系統(tǒng)在能耗監(jiān)測與管理方面的效能。

（三）能源平衡和調(diào)度功能的實(shí)現(xiàn)

為了有效利用能源平衡和調(diào)度功能，首先必須建立基于能耗數(shù)據(jù)采集與分析的框架。此外，系統(tǒng)中應(yīng)整合一個(gè)優(yōu)化的調(diào)度模型，進(jìn)而能夠根據(jù)能耗采集數(shù)據(jù)對企業(yè)生產(chǎn)能耗進(jìn)行預(yù)測。同時(shí)，再加入動(dòng)態(tài)模擬算法，還能夠在預(yù)測能耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)能耗成本的評估，并結(jié)合各設(shè)備運(yùn)行的情況制定能源優(yōu)化調(diào)度方案，從而幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的建設(shè)目標(biāo)。

四、結(jié)束語

相較于發(fā)達(dá)國家，我國在企業(yè)生產(chǎn)能耗管理方面較為落后，在能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)的建設(shè)方面仍不夠完善。在智能化工業(yè)的背景下，企業(yè)生產(chǎn)、管理均已朝著現(xiàn)代化的方向發(fā)展，智能化、自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用效果愈發(fā)顯著，不僅能夠幫助企業(yè)降低生產(chǎn)成本，并且還能推動(dòng)企業(yè)現(xiàn)代化管理的轉(zhuǎn)型。現(xiàn)階段，國內(nèi)企業(yè)在能耗管理方面的研究逐漸增多，并取得了較為理想的效果，企業(yè)在降低高能耗和提升收益方面已取得初步的進(jìn)展。通過建立能耗監(jiān)控和管理系統(tǒng)，企業(yè)能夠?qū)﹃P(guān)鍵能耗設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，對質(zhì)量和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用能源調(diào)度與平衡功能，進(jìn)一步優(yōu)化能源利用效率，為企業(yè)后續(xù)生產(chǎn)制定可行的能源調(diào)度方案，這對于企業(yè)節(jié)能減排建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著重要意義。

作者單位：安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)礦山科技服務(wù)有限公司