能耗監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)研究

摘 要：重點(diǎn)用能單位為了實(shí)現(xiàn)能源的日常監(jiān)測和管理，并對能源進(jìn)行審計(jì)，對能效進(jìn)行對標(biāo)，對能源計(jì)量進(jìn)行審查以及進(jìn)行節(jié)能方面的改造，開發(fā)了一套用于能源在線監(jiān)控的系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能硬件和SaaS服務(wù)，以數(shù)據(jù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，結(jié)合生成數(shù)據(jù)提取、智能硬件監(jiān)測、作業(yè)采集等多種方式，實(shí)現(xiàn)以設(shè)備運(yùn)維管理和能源消耗管理為核心的集運(yùn)維、管理、評估、節(jié)能于一體的綜合能源信息化管理平臺，為企業(yè)能源信息化管理的提升、能源平衡分析等提供了有利的支撐。

關(guān)鍵詞：能耗監(jiān)測；信息化；圖形化

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）20-0027-05

Research on Development of Energy Consumption Monitoring System

JING Danian1， JING Fangshu2

（1.Jingyi （Suzhou） Electronic Technology Co.， Ltd.， Suzhou 215163， China;

2.Nanjing Audit University， Nanjing 211815， China）

Abstract： Key energy consuming units have developed a system for online energy monitoring in order to achieve daily monitoring and management of energy， energy audit， energy efficiency benchmark， energy metering review and energy conservation renovation. The system is based on mobile Internet， cloud computing， intelligent hardware and SaaS services. Based on data application， combined with multiple methods such as generating data extraction， intelligent hardware monitoring， job collection and other methods， it realizes a comprehensive energy information management platform integrating operation and maintenance， management， evaluation， and energy conservation with equipment operation and maintenance management and energy consumption management as the cores. The development of this system provides favorable support for the improvement of enterprise energy information management and energy balance analysis.

Keywords： energy consumption monitoring; information; graphics

0 引 言

目前企業(yè)能源管理[1]存在基礎(chǔ)條件薄弱、設(shè)備管理分散、能源傳輸過程無監(jiān)管、能源采購—傳輸—使用過程形成管理盲區(qū)、維修保養(yǎng)記錄缺少現(xiàn)代化管理手段、節(jié)能管理缺乏大數(shù)據(jù)支撐等現(xiàn)狀，導(dǎo)致能源成本無法精確統(tǒng)計(jì)，能源使用優(yōu)化受阻，且能源設(shè)備運(yùn)行狀況的全面監(jiān)控也無法得到有效的保障。

根據(jù)以上對能耗管理現(xiàn)狀的分析，為重點(diǎn)能耗企業(yè)能夠更好地對能源進(jìn)行源宏觀分析，并根據(jù)分析情況進(jìn)行戰(zhàn)略規(guī)劃，對能源消費(fèi)總量與強(qiáng)度“雙控”形式進(jìn)行詳細(xì)分析，對節(jié)能情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)察，對能源計(jì)量進(jìn)行有效的管理，根據(jù)所獲得的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來制定相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)等提供數(shù)據(jù)支持，開發(fā)了針對能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的能耗監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)已上線運(yùn)行，應(yīng)用效果良好。

該系統(tǒng)通過對能源數(shù)據(jù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行畫面，實(shí)現(xiàn)能耗的數(shù)據(jù)自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)管，當(dāng)出現(xiàn)告警或能耗異常時(shí)，可通過移動(dòng)端APP、手機(jī)電話、短信、郵件等方式通知相關(guān)管理人員。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對能耗數(shù)據(jù)、費(fèi)用、能源使用的管理，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控單耗、綜合能耗等數(shù)據(jù)指標(biāo)，對各類指標(biāo)趨勢進(jìn)行測算及預(yù)警，為優(yōu)化能耗指標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)針對關(guān)鍵能源介質(zhì)，如煤、電、氣等建立能耗預(yù)測模型、優(yōu)化調(diào)度模型，為能源優(yōu)化提供輔助決策支持[2]。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)及原則

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上，緊密結(jié)合能耗監(jiān)控[3]的實(shí)際情況，充分利用信息化技術(shù)的成果，整合能耗各系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施建立起能耗監(jiān)控平臺。在此基礎(chǔ)上，建立涵蓋多個(gè)能耗系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)的監(jiān)察平臺，實(shí)現(xiàn)對各能耗子系統(tǒng)分層監(jiān)控，及時(shí)糾錯(cuò)，促進(jìn)用能單位辦公自動(dòng)化管理，推動(dòng)各部門業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制。

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，微服務(wù)框架、分布式緩存和高性能緩存共用方式[4]。采用分別部署的方式，可根據(jù)下屬單位或能耗設(shè)備終端靈活部署，方便個(gè)性化升級。系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集，集團(tuán)能耗管理平臺可直接訪問重點(diǎn)單位能耗管理平臺功能模塊[5]，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控其能耗設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及各能耗設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等信息。

2 系統(tǒng)的基本架構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)軟件主要由前臺展示層、中間服務(wù)層及后臺存儲(chǔ)層三部分組成，具體架構(gòu)內(nèi)容為：

1）B/S應(yīng)用結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用基于瀏覽器訪問的B/S結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的特定是分布性強(qiáng)，客戶端無須進(jìn)行維護(hù)。

2）微服務(wù)架構(gòu)。系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)應(yīng)用通過服務(wù)化，將系統(tǒng)拆分為多個(gè)可以獨(dú)立進(jìn)行開發(fā)、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和運(yùn)維的微服務(wù)[6]，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的解耦，同時(shí)使得系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)更加容易升級和橫向動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。

3）分布式緩存與高性能緩存共用[7]。系統(tǒng)服務(wù)之間數(shù)據(jù)共享采用分布式緩存，分布式緩存的特定是數(shù)據(jù)可用性高，以此來提高資源的利用率。高性能緩存Redis主要是對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)完全保存在內(nèi)存中，讀取速度快，并且可使用磁盤進(jìn)行持久化。

前臺展示層包括：Web客戶端、移動(dòng)終端、大屏終端。服務(wù)層包括：服務(wù)通信（如REST、RPC、MQ等），業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)（如用能安全服務(wù)、能源管理服務(wù)、能耗分析服務(wù)、大數(shù)據(jù)服務(wù)、集團(tuán)監(jiān)管服務(wù)、能效考核服務(wù)、報(bào)表服務(wù)、設(shè)備管理服務(wù)、認(rèn)證服務(wù)等），數(shù)據(jù)采集服務(wù)（如通信服務(wù)、解析服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、日志服務(wù)、調(diào)度服務(wù)、監(jiān)控服務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)等），服務(wù)管理（如服務(wù)配置、注冊發(fā)現(xiàn)、日志監(jiān)控等。存儲(chǔ)層包括：歷史數(shù)據(jù)庫（如MySQL），緩存（如Redis、Ehcache、文件存儲(chǔ)等）。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集架構(gòu)設(shè)計(jì)分為三層，包括數(shù)據(jù)采集層、通信層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層，具體內(nèi)容有：

1）采集層。采集層主要通過安裝計(jì)量器具、通信模塊完成數(shù)據(jù)的采集工作，計(jì)量裝置通過敷設(shè)RS485總線的方式與通信模塊下行端口連接，完成數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)支持多種通信模塊，如采集終端模塊主要應(yīng)用在能耗監(jiān)測終端較集中的場合，透傳模塊主要應(yīng)用在能耗監(jiān)測終端較分散的場合。此外系統(tǒng)還支持與現(xiàn)場已有能源管理系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)對接，獲取相關(guān)系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)。

2）通信層。通信層主要通過光纖通道完成網(wǎng)絡(luò)搭建工作，采集終端通過敷設(shè)基于TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)線或光纖方式與數(shù)據(jù)中心前置機(jī)連接，傳輸采用TCP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與通信服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)支持多種通信協(xié)議，可接入不同的通信模塊。

3）應(yīng)用層。應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)接口服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，其中數(shù)據(jù)接口服務(wù)器主要用來給集團(tuán)平臺上報(bào)采集數(shù)據(jù)以及根據(jù)端設(shè)備協(xié)議向市平臺上報(bào)能耗數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要包括集中綜合展示模塊、集團(tuán)層統(tǒng)計(jì)分析模塊、集團(tuán)層能耗監(jiān)管模塊、重點(diǎn)單元平臺數(shù)據(jù)鉆取模塊[8]。綜合展示模塊以圖形化方式顯示集團(tuán)公司各種類能源累計(jì)消費(fèi)量、實(shí)時(shí)消費(fèi)量、碳排放量等數(shù)據(jù)，各重點(diǎn)單位能效指標(biāo)完成情況。集團(tuán)層統(tǒng)計(jì)分析模塊，可統(tǒng)計(jì)查看各重點(diǎn)單位的各類能耗數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行對比、排名分析，用來掌握各重點(diǎn)單位的當(dāng)前用能情況。集團(tuán)層能耗監(jiān)管模塊從能源成本、單品能耗、節(jié)能效果、能效指標(biāo)等多個(gè)維度對各重點(diǎn)單位進(jìn)行考核監(jiān)管，指導(dǎo)重點(diǎn)單位進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化改造，并提供能效考核評價(jià)工具，對各重點(diǎn)單位的能源管理水平、節(jié)能改造效果進(jìn)行綜合評價(jià)。重點(diǎn)單元平臺數(shù)據(jù)鉆取模塊完成能耗數(shù)據(jù)異?；蚰苄е笜?biāo)考核不達(dá)標(biāo)時(shí)，向下鉆取詳細(xì)能耗數(shù)據(jù)[9]，主要功能如圖2所示。

4.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

系統(tǒng)可對企業(yè)的用電（電量、電流、電壓、功率因數(shù)、諧波等）、用水（水量、壓力）、用熱（用量、壓力、溫度）、用氣（用量、壓力）、環(huán)境等能源消耗關(guān)鍵點(diǎn)加裝智能計(jì)量表計(jì)，將能源消耗明細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能采集、傳輸。使用配套APP，人工巡檢同時(shí)運(yùn)用智能手持終端采集能耗數(shù)據(jù)[10]；可與廠區(qū)內(nèi)PLC、DCS、ERP等系統(tǒng)進(jìn)行對接；系統(tǒng)對采集的能耗數(shù)據(jù)以單體設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)備、車間、班組、產(chǎn)成品等維度耗能分析；用能參數(shù)、電能質(zhì)量、系統(tǒng)間能耗轉(zhuǎn)換效率的縱向分析；以保障企業(yè)對能源消耗的全面掌控及精細(xì)化管理，主要功能包括配電系統(tǒng)圖、水循環(huán)圖、焦?fàn)t煤氣、TRT發(fā)電、環(huán)境數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。

系統(tǒng)首頁以圖形化方式展示能耗駕駛艙、能源結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和能耗平衡尺。能耗駕駛艙主要展示業(yè)主水、電、冷、熱實(shí)際能耗與計(jì)劃能耗對比狀況。如果沒有設(shè)定計(jì)劃能耗，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)實(shí)際能耗對計(jì)劃能耗進(jìn)行反推。能耗平衡尺是以雷達(dá)圖形式展示電、水、冷、熱等能耗不同級別能耗對比數(shù)據(jù)。如一級回路能耗與二級回路能耗對比，對比深度可設(shè)定。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)展示業(yè)主前一日、當(dāng)日、當(dāng)月、本年度的用電、用水、用冷、用熱狀況，可按建筑、部門、時(shí)間等進(jìn)行查詢和導(dǎo)出。其中，電又細(xì)分為：照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電、特殊用電；環(huán)境監(jiān)測主要包括溫度、濕度、CO2、PM2.5、光照度等，如圖3所示。

4.2 運(yùn)行狀態(tài)告警

根據(jù)客戶需求，在能源管理后臺可以對各監(jiān)測點(diǎn)的安全及報(bào)警設(shè)置閾值，當(dāng)能源使用過程中出現(xiàn)超過限定的值域時(shí)，PC端通過不同顏色或彈窗或聲音進(jìn)行預(yù)警或報(bào)警，提示管理員進(jìn)行處理，以便用能安全。同時(shí)系統(tǒng)支持配置報(bào)警信息發(fā)送方式，包括日志、短信、電話、APP等多種方式。運(yùn)行狀態(tài)告警可對不同的監(jiān)測對象分別進(jìn)行設(shè)置，如設(shè)置水、電、熱、冷的能源等。設(shè)置的指標(biāo)包括報(bào)警指標(biāo)、報(bào)警指標(biāo)閾值、累積量報(bào)警閾值、瞬時(shí)量報(bào)警閾值、時(shí)間段平均值報(bào)警閾值等，如圖4所示。

4.3 設(shè)備管理

設(shè)備管理包括：配件（庫存）管理、分類管理、設(shè)備升級管理、日常巡檢、維護(hù)保養(yǎng)、設(shè)備線路管理、設(shè)備檔案管理、設(shè)備記錄的工單管理、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)管理等。設(shè)備管理模塊與手機(jī)APP端進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，實(shí)時(shí)監(jiān)控所有設(shè)備實(shí)時(shí)信息、能源設(shè)備巡檢計(jì)劃、巡檢結(jié)果記錄信息，實(shí)時(shí)查看巡檢報(bào)告并自動(dòng)接收評估報(bào)告等。如，當(dāng)巡檢員到達(dá)巡檢設(shè)備位置，進(jìn)行檢查后，可以通過掃描設(shè)備二維碼，自動(dòng)完成巡檢信息的錄入工作，通過拍照上傳設(shè)備故障信息，并根據(jù)歷史維護(hù)記錄，自動(dòng)生成運(yùn)維計(jì)劃，信息上報(bào)與處理界面如圖5所示。

4.4 流程化管理

能源管理采用流程化管理工具，可自定義流程圖，根據(jù)流程圖自動(dòng)生成計(jì)劃、能源供需計(jì)劃、能源生產(chǎn)調(diào)度的流程化管理，如圖6所示?？勺远x審批流程，完成審批任務(wù)。生成計(jì)劃的自定義，可根據(jù)需要定制個(gè)能源的生產(chǎn)計(jì)劃，如：鋼、生鐵、全焦、燒結(jié)礦等。審批支持自定義審批級別，如一級審批、兩級審批、三級審批等，APP設(shè)備管理流程定義，如定義APP巡檢流程為現(xiàn)場巡檢、填報(bào)數(shù)據(jù)、顯示狀態(tài)（正常狀態(tài)和異常狀態(tài)）、異常狀態(tài)處理流程、數(shù)據(jù)分析流程、數(shù)據(jù)上傳流程等。

4.5 統(tǒng)計(jì)分析

該模塊主要完成每個(gè)能耗系統(tǒng)的分析工作，將每個(gè)能耗系統(tǒng)在某一時(shí)間段內(nèi)（如日、月、年）的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總查詢，并以圖形化和列表的方式進(jìn)行展示，歷史數(shù)據(jù)支持橫向或縱向?qū)Ρ裙δ堋Ｄ芎闹笜?biāo)分析主要是對單品能耗指標(biāo)、綜合能耗指標(biāo)、經(jīng)營指標(biāo)、綠色工廠指標(biāo)、綠色產(chǎn)品能耗指標(biāo)、綠色制造系統(tǒng)集成項(xiàng)目指標(biāo)進(jìn)行能源平衡的分析。

電力基本費(fèi)用的監(jiān)控及分析，協(xié)助企業(yè)處理基本費(fèi)容需變化的方式及額度；峰谷平數(shù)據(jù)的分析及調(diào)整的建議換算；電能質(zhì)量管理，力調(diào)電費(fèi)的統(tǒng)計(jì)分析。

該模塊可以實(shí)現(xiàn)對各工序中的各種能量介質(zhì)的單耗量實(shí)績跟蹤，在不同時(shí)期內(nèi)某一段時(shí)間內(nèi)的能源供需實(shí)績的比較和分析；用戶設(shè)備及用能業(yè)務(wù)部門類似的情況下，進(jìn)行設(shè)備對標(biāo)和用能部門對標(biāo)。對標(biāo)可以根據(jù)單品能耗、單位時(shí)間能耗等角度進(jìn)行，通過對標(biāo)的結(jié)果，可以提升內(nèi)部管理水平。

5 結(jié) 論

本文針對能耗系統(tǒng)各子系統(tǒng)缺少綜合性管理的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了能耗監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過提供統(tǒng)一的接口和數(shù)據(jù)采集方式，整合了既有能耗監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，提供PC、PAD、監(jiān)控大屏、BIM模型等方式，使其呈現(xiàn)多維度的可視化視角。該系統(tǒng)的使用，及時(shí)地定位能耗系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)展示能耗數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)分析，并能對能耗進(jìn)行預(yù)測，大大增加了用能安全、及時(shí)發(fā)現(xiàn)能耗流轉(zhuǎn)過程中的各種損耗，找到浪費(fèi)的根源，減少了用能損失。該系統(tǒng)的運(yùn)用，使用能更安全、穩(wěn)定、持久，為節(jié)能減排提供了可靠的科學(xué)化的技術(shù)支撐，是實(shí)現(xiàn)能源管理精細(xì)化和全面化的有效手段，同時(shí)該系統(tǒng)的使用，也減輕了能源管理人員工作強(qiáng)度，提高了工作效率，提升工作效率及精度，為能源企業(yè)全面提高其管理水平提供了強(qiáng)有力的支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃志甲，甘琳，江陸軍，等.馬鞍山公共建筑能耗現(xiàn)狀及能耗定額研究 [J].建筑節(jié)能，2020，48（5）：125-127+138.

[2] 鞠杰，魏鋼.基于BIM技術(shù)的河南省綠色建筑發(fā)展現(xiàn)狀及對策分析 [J].智能建筑與智慧城市，2024（3）：21-23.

[3] 王健，李若冰，魏存，等.黑龍江省建筑能耗和碳排放的測算與分析 [J].低溫建筑技術(shù)，2023，45（11）：14-18+23.

[4] 郭斌，劉思聰，劉琰，等.智能物聯(lián)網(wǎng)：概念、體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) [J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2023，46（11）：2259-2278.

[5] 周勝泉.基于能耗監(jiān)測技術(shù)的智能樓宇系統(tǒng)分析 [J].上海節(jié)能，2023（10）：1510-1514.

[6] 肖斌，王永峰.一種高效微服務(wù)應(yīng)用開發(fā)平臺架構(gòu)設(shè)計(jì) [J].中國科技信息，2023（2）：96-98.

[7] 楊洪.基于Redis的共享緩存分析 [J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2024，42（1）：110-112.

[8] 匡海健，胥布工，李偉勝，等.基于Web的智能建筑節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2017，37（S1）：344-346.

[9] 張建龍.智能建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方法探析 [J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2019（10）：59-60.

[10] 王新平，劉艷兵，龍智勇.鐵路5G-R智能手持終端設(shè)計(jì)方案 [J].中國鐵路，2022（11）：83-89.

作者簡介：景大年（1974—），男，漢族，江蘇蘇州人，工程師，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；景方姝（2003—），女，漢族，江蘇蘇州人，本科在讀，研究方向：信息化管理技術(shù)。