淺談智能化背景下用能單位能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)設計研究

引言：21世紀以來，我國經(jīng)濟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)濟發(fā)展的同時，也為我國“雙碳”政策的推進造成了阻礙，在很大程度上制約了我國的經(jīng)濟發(fā)展。本研究立足于節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略，設計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。建設企業(yè)能源管理系統(tǒng)不僅能夠滿足公司當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)的應用可顯著減少企業(yè)在能源消耗方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、表格維護、報告編制和數(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)實時監(jiān)控能源消耗，進行統(tǒng)計和深入預測。這不僅為企業(yè)在節(jié)能減排和持續(xù)改進方面提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎，而且還強化了決策制定過程的有效性。

作者介紹：

曹華偉，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司

Tel:137/7441/3253（V同號）

1 系統(tǒng)設計目標

(一)根據(jù)能耗數(shù)據(jù)實時自動采集，實現(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)實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的自動采集和網(wǎng)絡傳輸，實現(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，實現(xiàn)精細化管理基于上傳的多時間尺度、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，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)自動報表統(tǒng)計，用能結(jié)構(gòu)、用能趨勢的可視化分析，用能實時監(jiān)測及告警，安全、節(jié)能、降費優(yōu)化建議與報告管理等，促進企業(yè)用能管理水平、管理效率的提升。

(三)實現(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)線進行單位能耗統(tǒng)計與分析，有助于企業(yè)找出生產(chǎn)差異。

(四)實現(xiàn)企業(yè)用能安全、節(jié)能、降費的管控及優(yōu)化目標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3個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)智能運維、配用電系統(tǒng)智能節(jié)電、基本電費優(yōu)化等解決方案，幫助企業(yè)實現(xiàn)用能優(yōu)化，收獲優(yōu)化效益。

2 能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)的設計

（一）系統(tǒng)設計思路

智能能源管理系統(tǒng)的構(gòu)成包括幾個關鍵組件：監(jiān)控中心負責整體監(jiān)管，主干通信網(wǎng)絡確保系統(tǒng)內(nèi)部信息流暢傳輸，現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集，多種智能計量設備用于測量和記錄能源使用，以及網(wǎng)絡控制器是連接第三方智能計量設備的關鍵接口。從安全用能、用能管理自動化、能耗監(jiān)測與計量、能效提升、用能質(zhì)量監(jiān)測、智能設備管理角度出發(fā)進行系統(tǒng)化設計，具體思路共分為如下6點：

充分結(jié)合公司目前現(xiàn)狀及能源管理的特點，設計出科學、完善合理、功能齊全、可實施性強的能源管理平臺技術方案；

根據(jù)能耗情況，以最終實現(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時間內(nèi)進行在線監(jiān)測，為能源管理人員提供了多級管理權(quán)限。這樣，他們可以在任何時間、任何地點，實時查詢能耗數(shù)據(jù)和狀態(tài)；

充分體現(xiàn)效益，體現(xiàn)管理節(jié)能、技術節(jié)能的綜合效益；

為制定能源政策提供詳實的依據(jù),以實現(xiàn)資源的科學管理、科學利用的目標；

根據(jù)各個配電室、監(jiān)控中心、檢測點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)功能設計

1.能源采集數(shù)據(jù)網(wǎng)絡

能源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡具有3大特點，即可靠性、冗余性以及可行性，以此實現(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，能夠幫助企業(yè)實現(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)設計用于收集耗能設備的多種信息，包括但不限于設備的質(zhì)量安全環(huán)保指標、生產(chǎn)核心指標和能源質(zhì)量參數(shù)等，涵蓋了一些關鍵的數(shù)據(jù)點。這個系統(tǒng)具備多種功能，不僅能實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，還能分析能耗的歷史趨勢和模式，實時監(jiān)控能耗情況，通過與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的有機結(jié)合，實現(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)能耗的管理，具體分為五個方面：

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

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

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

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。

電費分析。系統(tǒng)可按照電網(wǎng)公司計費方式，每個月自動生成企業(yè)的電費分析報告，分析企業(yè)各項電費占比及用電合理性。系統(tǒng)通過智能分析，向用戶建議更經(jīng)濟的電費報裝方式，節(jié)省電費。同時，系統(tǒng)實時采集計算用戶月度平均功率因數(shù)，可以設定閥值，自動提醒用戶及時處理功率因數(shù)不達標問題，避免罰款。

3 能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

（一）能耗監(jiān)測和管理功能的實現(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，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)能耗設備及設備相關信息的全范圍采集，如設備信息、設備耗電情況、設備耗電預測等。同時，系統(tǒng)還能根據(jù)采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、能耗信息進一步集成、管理關鍵能耗設備，以此優(yōu)化設備能耗，提高能源使用效率。另外，本系統(tǒng)還能校正、診斷所采集的設備能耗數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控各能耗設備的運行情況，并對這些設備進行周期性故障診斷。一旦發(fā)現(xiàn)運行異常，便會開啟警報功能。本系統(tǒng)應用到企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，能夠進一步幫助企業(yè)預測能源消耗，優(yōu)化能源調(diào)配流程，實現(xiàn)對能源資源的集成管理和控制。

（二）數(shù)據(jù)采集與自動化功能的實現(xiàn)

實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和自動化功能，核心依賴于系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用三層交換技術來進行局域網(wǎng)絡的劃分。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)的設計理念來構(gòu)建，具體框架如圖所示。

為了有效監(jiān)控企業(yè)能耗設備的運行狀況，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)，還需對關鍵能耗設備的環(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)進行詳細采集。為了提升數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的能力，在一些生產(chǎn)設備的回路上安裝計量儀表，并對那些無通信接口的計量儀表進行升級改造，以增加計量儀表的覆蓋率。這些措施將促進系統(tǒng)在能耗監(jiān)測與管理方面的效能。

（三）能源平衡和調(diào)度功能的實現(xiàn)

為了有效利用能源平衡和調(diào)度功能，首先建立基于能耗數(shù)據(jù)采集與分析的框架。此外，系統(tǒng)中應整合一個優(yōu)化的調(diào)度模型，進而能夠根據(jù)能耗采集數(shù)據(jù)對企業(yè)生產(chǎn)能耗進行預測。同時，再加入動態(tài)模擬算法，還能夠在預測能耗的基礎上實現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)能耗成本的評估，并結(jié)合各設備運行的情況制定能源優(yōu)化調(diào)度方案，從而幫助企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的建設目標。

4 安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)概述

安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質(zhì)量、產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產(chǎn)線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數(shù)據(jù)和支持。

5 應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業(yè)、木材、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產(chǎn)品、工器具制造等離散制造業(yè)。

6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場通過廠區(qū)局域網(wǎng)和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網(wǎng)聯(lián)通的地方，通過有權(quán)限的賬號登陸網(wǎng)頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統(tǒng)可分為三層：即現(xiàn)場設備層、網(wǎng)絡通訊層和平臺管理層。

現(xiàn)場設備層：主要是連接于網(wǎng)絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構(gòu)建該配電、耗水、耗氣系統(tǒng)必要的基本組成元素。肩負著采集數(shù)據(jù)的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網(wǎng)絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監(jiān)測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網(wǎng)絡通訊層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關、網(wǎng)絡交換機等設備。智能網(wǎng)關主動采集現(xiàn)場設備層設備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，并通過網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器，智能網(wǎng)關可在網(wǎng)絡故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網(wǎng)絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數(shù)據(jù)服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)進行設計，詳細拓撲結(jié)構(gòu)如下：

7 系統(tǒng)功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理。實時監(jiān)測企業(yè)各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率和節(jié)能潛力，為節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

7.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼，進行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關信息。

7.2用戶展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業(yè)及各區(qū)域的能耗折標、產(chǎn)值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區(qū)域展示該區(qū)域的分類能耗、產(chǎn)值等相關信息。

7.3首頁

首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業(yè)級統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

7.4數(shù)據(jù)監(jiān)控

對企業(yè)各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠?qū)崟r的監(jiān)測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業(yè)削峰填谷、調(diào)整負載等技改措施提供數(shù)據(jù)支撐。

能源實時監(jiān)控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監(jiān)測，確保用能環(huán)節(jié)的持續(xù)穩(wěn)定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網(wǎng)絡圖、能源計量網(wǎng)絡圖等功能。

能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數(shù)越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統(tǒng)彈窗報警提示等；

配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀表的實時參數(shù)、門禁水浸狀態(tài)及能耗數(shù)據(jù)。

實時統(tǒng)計：實時統(tǒng)計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

數(shù)據(jù)展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區(qū)域、不同設備的不同的能耗參數(shù)；

檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關處理操作，可以對報警參數(shù)進行在線設置，當能源參數(shù)越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統(tǒng)彈窗等報警提示；

7.5視頻監(jiān)控

接入攝像頭，實時掌控企業(yè)內(nèi)實際情況。

7.6變壓器監(jiān)控

展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規(guī)劃。通過各種運行參數(shù)狀態(tài)下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據(jù)運行模式調(diào)整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

7.7儀表實時監(jiān)控

展示各個水電氣儀表的實時參數(shù)變化，以曲線圖的方式展示。

7.8能源中控

將所有有關能源的能源參數(shù)集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個產(chǎn)業(yè)線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

7.9用能統(tǒng)計

從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、車間、生產(chǎn)工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對企業(yè)用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標對比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統(tǒng)計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調(diào)整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

7.10成本分析

統(tǒng)計各個監(jiān)測節(jié)點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。

7.11產(chǎn)品單耗統(tǒng)計

與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品單耗中生成產(chǎn)品單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析。同時將產(chǎn)品單耗與行業(yè)/國家/國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

7.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉(zhuǎn)換，按班組、區(qū)域、車間，產(chǎn)線、工段、設備等進行日、周、月、年、要求時段績效統(tǒng)計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內(nèi)部能效水平和節(jié)能潛力，評定能源消耗是否合理。

7.13運行監(jiān)測

系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測設備及工藝運行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統(tǒng)一次運行監(jiān)視。可直接從動態(tài)監(jiān)測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

7.14自定義能耗報表

用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產(chǎn)各種報表，查看企業(yè)各個節(jié)點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環(huán)比報表，支持導出報表。

8 系統(tǒng)硬件配置

作者介紹：

曹華偉，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司

Tel:137/7441/3253（V同號）

9 結(jié)束語

相較于發(fā)達國家，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、自動化技術的應用效果愈發(fā)顯著，不僅能夠幫助企業(yè)降低生產(chǎn)成本，并且還能推動企業(yè)現(xiàn)代化管理的轉(zhuǎn)型?，F(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展。通過建立能耗監(jiān)控和管理系統(tǒng)，企業(yè)能夠?qū)﹃P鍵能耗設備進行監(jiān)控，對質(zhì)量和環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，并利用能源調(diào)度與平衡功能，進一步優(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)能減排建設目標的實現(xiàn)有著重要意義。

參考文獻

[1]杜彩文，陳勇，張宣，陳靜．智能化背景下用能單位能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)設計研究.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與選型手冊.2022.05版.

[3]安科瑞企業(yè)能源管控平臺.2023.06版.

審核編輯 黃宇