淺談工業(yè)用能企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

摘要：本文以典型工業(yè)城市為主要實施目標(biāo)，通過分析其用能企業(yè)用能情況，建設(shè)用能企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用到齊齊哈爾市。監(jiān)測系統(tǒng)充分利用了互聯(lián)網(wǎng) +、大數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)建模等技術(shù)，建立了統(tǒng)一的應(yīng)用平臺，并取得了顯著的效益。通過項目實踐，表明用能企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)可以在能源管理中起到促進作用，有效提高能源管理水平。

關(guān)鍵詞：能源管理；節(jié)能降耗

1引言

       近年來，我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程明顯加快，消費結(jié)構(gòu)快速升級，對能源需求依然旺盛，社會經(jīng)濟的發(fā)展與資源環(huán)境保護之間的矛盾突出，提高能源使用率，在環(huán)境友好的情況下進行社會發(fā)展已成為國家策略和社會共識。

       按照國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃，到2020年，全*元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2015年下降15%，能源消費總量控制在50億tce以內(nèi)，雖然我國在環(huán)境保護方面取得了巨大成就，單位能耗保持持續(xù)降低的態(tài)勢，但與先進國家相比差距較大，節(jié)能減排工作仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

       雖然節(jié)能形勢嚴(yán)峻，但也迎來難得的歷史發(fā)展機遇。一是由于開展了大量的社會宣傳與科學(xué)普及活動，使得企業(yè)和個人的節(jié)能環(huán)保意識不斷提高；二是國家的政策導(dǎo)向，使得企業(yè)不斷加大調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)力度，并突出科技創(chuàng)新能力在其中的作用。在這樣的政策與社會環(huán)境下，為進一步推進節(jié)能減排創(chuàng)造了有利條件。

2 解決方案

       工業(yè)化城市能源消耗較大，是目前節(jié)能領(lǐng)域管控對象。為此針對典型工業(yè)城市的能耗現(xiàn)狀，需要開發(fā)用能企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，主要從以下三個層面解決當(dāng)前能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的問題。

2.1 數(shù)據(jù)采集層面

       企業(yè)能耗數(shù)據(jù)實時采集采取逐步推進的建設(shè)方式，逐步完善工業(yè)企業(yè)的實時采集對象，推進主要能源計量器具的智能化覆蓋，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的在線實時采集。

       采用IEEE1888泛在綠色控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，完成對工業(yè)企業(yè)能耗數(shù)據(jù)進行采集，通過 Internet網(wǎng)絡(luò)、GPRS/3G無線網(wǎng)絡(luò)等方式，以壓縮加密方式，傳輸?shù)侥芎脑诰€監(jiān)測預(yù)警平臺的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，同時具備斷點續(xù)傳功能，保證企業(yè)采集能耗數(shù)據(jù)的實時性、可靠性。為此，在企業(yè)內(nèi)部采用二級采集方式：數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)直接面向各級生產(chǎn)系統(tǒng)，然后再通過企業(yè)端設(shè)備向上傳輸?shù)缴霞壪到y(tǒng)（市級平臺，見圖 1）。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸拓撲圖

2.2 數(shù)學(xué)分析層面

       運用大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)以及數(shù)據(jù)建模技術(shù)對系統(tǒng)進行支撐，解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、運算邏輯復(fù)雜、預(yù)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等問題。系統(tǒng)數(shù)據(jù)量巨大，首先要解決好存儲問題，然后是查詢、檢索以及加工（處理）問題，因此，系統(tǒng)包含一系列面向大數(shù)據(jù)處理的工具和方法。通過大數(shù)據(jù)研發(fā)，可以將其發(fā)現(xiàn)的問題規(guī)律應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域，通過解決海量數(shù)據(jù)處理問題促進其突破性發(fā)展；另外云計算技術(shù)也將改變信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的生態(tài)環(huán)境，無論是基礎(chǔ)設(shè)施、計算機與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造，還是軟件都會發(fā)生巨大的變化。

2.3 統(tǒng)一平臺層面

       通過用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，以工業(yè)能耗為，納入建筑、交通、公共機構(gòu)等領(lǐng)域能耗在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享，為全市節(jié)能減排工作整體規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐，提高齊齊哈爾市各職能部門的辦公效率，降低監(jiān)管成本，同時把分析數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)接口的方式，按需提供給協(xié)同辦公部門，打破數(shù)據(jù)孤島壁壘。

       基于以上研究及探討，開發(fā)出了面向典型工業(yè)城市的用能企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)。

       系統(tǒng)基于管控一體化信息平臺，采用分布式部署方式。在整體需求的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能及核心數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一規(guī)劃，以期達到結(jié)構(gòu)清晰和易于擴展。系統(tǒng)設(shè)計過程中，遵循實用可行、適用易用、安全可靠、先進成熟、可擴展、可移植的原則，以保證項目能夠安全、穩(wěn)定、有效的運行，同時也能滿足未來 5年甚至15年的系統(tǒng)擴展需求。

       在系統(tǒng)功能方面，采用微服務(wù)的方式，設(shè)計了工業(yè)領(lǐng)域能耗動態(tài)監(jiān)管、工業(yè)領(lǐng)域能耗水平識別評價、用能企業(yè)能效對標(biāo)分析、用能企業(yè)節(jié)能分析及考核、城市能源預(yù)測及預(yù)警以及決策支持及專家智能等系統(tǒng)功能，同時提供了報表分析工具、計算引擎工具、模型分析工具等十多種支持工具，方便對能源數(shù)據(jù)進行管理和分析。

       齊齊哈爾市是一個典型的工業(yè)城市，用能企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)在齊齊哈爾市的實施具有代表性，本文將以該市為例進行說明。

3 用能企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)城市中的應(yīng)用

       齊齊哈爾市是“一五”期間國家投資興建起來的重工業(yè)基地，是典型的一市多鎮(zhèn)工業(yè)城市。工業(yè)能源消費量的持續(xù)增長，給該市的能源管理帶來了巨大的壓力及挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的能源監(jiān)測手段已經(jīng)不能滿足能源精細化管理的需求，需要引入新的能源監(jiān)控平臺及管理手段，而用能企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)在齊齊哈爾市的應(yīng)用中達到了預(yù)期的效果。

3.1 系統(tǒng)調(diào)研

       由能源管理專業(yè)團隊進行專項調(diào)研，詳細了解齊齊哈爾市能源管理現(xiàn)狀，在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，該市在能源管理過程中存在以下特點：

（1）工業(yè)領(lǐng)域能源消耗量高且呈逐年增長趨勢，耗能相對集中，管理難度大

       2016年全市能源消耗量857.1萬tce，其中規(guī)模以上工業(yè)綜合能源消費量為510.85萬tce，占比 59.6%；電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)能耗240.1萬tce，占規(guī)模以上能耗比重為46.98%，耗能集中度較為明顯。僅靠各企業(yè)上報的能耗數(shù)據(jù)，已經(jīng)無法滿足能源精細化管理的需求，管理難度大。

（2）缺乏及時有效的數(shù)據(jù)及分析工具，管理手段單一

       數(shù)據(jù)獲取滯后，已不能反映當(dāng)前能源消耗和節(jié)能的狀況，而能效分析、節(jié)能監(jiān)察、能源宏觀決策等對能源信息有較高的實時動態(tài)需求，缺乏時效性的數(shù)據(jù)難以滿足要求。數(shù)據(jù)覆蓋面窄，不能形成完整統(tǒng)一的數(shù)據(jù)體系，無法全面反映能源消費的情況。缺乏有效的數(shù)據(jù)分析模型和預(yù)測工具，對數(shù)據(jù)進行科學(xué)分析處理的手段不足，缺乏預(yù)測和預(yù)警的信息支撐，對國民經(jīng)濟發(fā)展和能源管理決策的支持力度較弱。

（3）存在信息孤島，未能實現(xiàn)信息共享

       全市能源計量信息、企業(yè)能源消耗信息、節(jié)能監(jiān)察和監(jiān)測相關(guān)信息等相互獨立，沒有實現(xiàn)資源共享，沒有積累長期數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，數(shù)據(jù)信息的價值沒有發(fā)揮出來，缺乏對城市節(jié)能綜合管理的支撐作用。

3.2系統(tǒng)設(shè)計及實施

       針對調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)的問題，我們對“齊齊哈爾市用能企業(yè)能耗在線監(jiān)測預(yù)警平臺”的邏輯架構(gòu)設(shè)計進行了相關(guān)調(diào)整和優(yōu)化，以工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集為起點，向上依次包括數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、支撐平臺層、應(yīng)用層和展示層，清晰的層次結(jié)構(gòu)既滿足了項目的需求，又保證了后續(xù)的擴展性。

圖 2 能源在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計框架

3.3項目培訓(xùn)及交付和運維

       項目建成以后形成項目驗收文檔，并交付專家團隊進行驗收，驗收內(nèi)容包括項目過程文檔、系統(tǒng)設(shè)計文檔、系統(tǒng)測試文檔等。項目驗收之后轉(zhuǎn)入后期運維及技術(shù)工作，此時運維團隊介入，新的服務(wù)模式開啟。

依托于完整的運維體系，實現(xiàn)7×24h不間斷的服務(wù)，系統(tǒng)問題15min內(nèi)響應(yīng)，2h出具解決方案的服務(wù)模式，同時對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，提前發(fā)現(xiàn)并及時解決系統(tǒng)問題，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；運維全流程狀態(tài)可視，便于管理者及時跟進。

3.4系統(tǒng)應(yīng)用成效

       目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成全市 62 家企業(yè)能耗的實時采集工作，通過對采集數(shù)據(jù)的分析、預(yù)警以及跟蹤，能及時發(fā)現(xiàn)能耗異常情況并進行提前干預(yù)，提高了齊齊哈爾市能源管理水平，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）實現(xiàn)由靜態(tài)監(jiān)管轉(zhuǎn)為動態(tài)監(jiān)管的轉(zhuǎn)變

       通過建立標(biāo)準(zhǔn)化的能耗采集監(jiān)測體系，規(guī)范采集實際工作中的操作流程，對接入監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行規(guī)范處理，確保能耗在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性，從而根據(jù)在線監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)進行分析，對所管轄的企業(yè)進行數(shù)據(jù)的動態(tài)分析，及時干預(yù)，保證節(jié)能政策的高效、正確的執(zhí)行。

（2）實現(xiàn)由單一部門管理向聯(lián)合辦公的轉(zhuǎn)變

       通過用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，以工業(yè)能耗為，編入建筑、交通、公共機構(gòu)等領(lǐng)域能耗在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享，為全市節(jié)能減排工作整體規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐，提高齊齊哈爾市各職能部門的辦公效率，降低監(jiān)管成本。

（3）實現(xiàn)由強制執(zhí)行變?yōu)橹鲃右龑?dǎo)的轉(zhuǎn)變

       建立公共服務(wù)平臺，實現(xiàn) 、用能企業(yè)、節(jié)能服務(wù)公司及公眾的緊密連接，通過平臺發(fā)揮節(jié)能減排政策的激勵作用和示范效應(yīng)，引導(dǎo)企業(yè)提升能源利用效率、加強用能管理。向公眾宣傳節(jié)能理念，加大節(jié)能宣傳和教育，提高全民節(jié)能意識。

（4）實現(xiàn)由單維度分析向多維度分析的轉(zhuǎn)變

       采用了數(shù)據(jù)立方體的分析方式，允許在多個抽象層進行數(shù)據(jù)分析，對于數(shù)據(jù)量大、維度多的統(tǒng)計分析提供了一個可泛化通用的工具，實現(xiàn)按照能源品類、區(qū)域、行業(yè)、工序等維度的多維度分析，從而實現(xiàn)對問題的精準(zhǔn)定位。

（5）實現(xiàn)由事后分析到的轉(zhuǎn)變

       在全面獲取監(jiān)測范圍內(nèi)齊齊哈爾市區(qū)域、行業(yè)、企業(yè)能源使用、消耗、配置及調(diào)度情況的基礎(chǔ)上，對歷史能耗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行精準(zhǔn)的分析，基于企業(yè)實時、歷史用能數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對全市各個能源品種的平均日消費量進行趨勢分析，對全市工業(yè)領(lǐng)域各個能源品種的庫存周轉(zhuǎn)情況進行儲備預(yù)警，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)和系統(tǒng)計算及優(yōu)化模型，能夠?qū)δ茉聪内厔葸M行精準(zhǔn)的預(yù)測，提前掌握行業(yè)、區(qū)域的能源消費趨勢，進行提前干預(yù)，提前布局管控政策，從而保證節(jié)能政策的高效和準(zhǔn)確執(zhí)行。

4安科瑞工業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)介紹（含元件選型）

4.1系統(tǒng)概述

       多年以來，我國對于企業(yè)能耗的收集，大多采用企業(yè)定期上報耗能報表的采集方式，企業(yè)自行上報的能耗報表，往往因為企業(yè)自身經(jīng)營的需要，帶有或多或少有利于企業(yè)的傾向性特征，并非*客觀反映實際能耗。能耗管理部門也沒有其他直接有效的手段，獲取企業(yè)的實際能耗信息，因此更無法做到對不同類別耗能指標(biāo)的有效分析，據(jù)此制定針對性的能耗管理政策。也無法進一步提出節(jié)能方案，有效降低能耗。

       工業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)是一個集成Intranet/Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS無線傳輸技術(shù)、Web Service軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等于一體的大型數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)為管理者、各級能耗內(nèi)部用戶、瀏覽者提供了一個訪問的網(wǎng)絡(luò)通道，搭建了一個合理、高效的信息傳輸平臺和管理平臺。工業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用為 管理部門、企業(yè)生產(chǎn)管理、計量管理、節(jié)能管理提高到一個新的高度，是我們對節(jié)能減排、節(jié)能降耗實現(xiàn)的一種行之有效的解決方案。

能源組成及監(jiān)測內(nèi)容：

圖3 能源組成

圖4 監(jiān)測內(nèi)容

       用電類：采集采暖、鍋爐、空調(diào)、制冷、照明、辦公、電梯、水泵、風(fēng)機、通風(fēng)機等耗電設(shè)備的用電信息。主要監(jiān)測其用電量，對于大耗電設(shè)備監(jiān)測其電流、電壓及功率因數(shù)等信息。

       配電類：采集6kv/10kv配電開關(guān)設(shè)備、變壓器，狀態(tài)信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能質(zhì)量、電能量等。

       用水：自來水和蒸汽；采集具有485通訊功能的智能熱量表、蒸汽流量計、水表等；

       用氣：煤氣、天然氣；采集具有485通訊功能燃氣表；

       環(huán)境參數(shù)：采集具有485通訊功能的溫度/濕度計；采暖空調(diào)供回水溫度；

4.2系統(tǒng)框架

圖5 系統(tǒng)框架

       （1）能源消費管理系統(tǒng)：該系統(tǒng)可以對用能企業(yè)煤、電、油、氣、熱、水等能源和耗能工質(zhì)進行定期錄入和實時采集，并將收集到的能耗數(shù)據(jù)進行整理存儲，為匯總分析和上報作數(shù)據(jù)支持。

       （2）能源利用狀況信息報送系統(tǒng)

用能企業(yè)可通過該系統(tǒng)將企業(yè)本年度的《能源利用狀況報告》，報送至市節(jié)能監(jiān)察中心，經(jīng)初審核后，上傳至省節(jié)能監(jiān)察總隊審核，而后上報國家有關(guān)部門。

       （3）單位能耗水平識別評價系統(tǒng)

利用用能單位能耗數(shù)據(jù)，對企業(yè)用能狀況進行分析評價，查找問題。為 節(jié)能管理部門掌握、分析信息和研究節(jié)能改造并制定相關(guān)政策措施提供科學(xué)的依據(jù)和平臺。

       （4）決策服務(wù)和專家咨詢服務(wù)系統(tǒng)

系統(tǒng)提供直觀、簡明、快捷的數(shù)據(jù)信息查詢和決策支持服務(wù)。對用能企業(yè)的能耗進行科學(xué)、合理的咨詢指導(dǎo)，幫助用能企業(yè)做出及時、正確、可行、有效的解決方案。

       （5）能耗預(yù)測、能源安全預(yù)警系統(tǒng)

通過系統(tǒng)全面掌握用能企業(yè)能源購置、使用、消耗及生產(chǎn)情況，對企業(yè)的用能情況進行綜合的評判和分析，對比同期值和限定值，對能耗超標(biāo)情況予以預(yù)警提示。

在全面獲取能源使用的基礎(chǔ)上，進行數(shù)據(jù)挖掘分析，實現(xiàn)能耗的功能，為 相關(guān)部門的宏觀決策提供支撐體系。

       （6）節(jié)能監(jiān)察及信息發(fā)布、法律法規(guī)知識培訓(xùn)系統(tǒng)：

通過該系統(tǒng)平臺，可對省耗能企業(yè)做全面節(jié)能監(jiān)察工作；發(fā)布節(jié)能法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)以及能源基礎(chǔ)知識、能源統(tǒng)計知識、節(jié)能監(jiān)測方法等資料；處理日常節(jié)能管理工作相關(guān)的公文、通知、公告等。

4.3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)把數(shù)據(jù)信息從各個企業(yè)的能源監(jiān)控中心采集到后臺的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，經(jīng)分析與處理，提供分析預(yù)測和預(yù)警功能。同時通過門戶網(wǎng)站、無線終端等手段為省、市領(lǐng)導(dǎo)以及相關(guān)委辦局提供了多方位、可視化的便捷服務(wù)。

圖6 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4.4能耗監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品選型

5總結(jié)

       “面向典型工業(yè)城市的用能企業(yè)能耗在線監(jiān)測平臺”的建設(shè)是信息化與節(jié)能工作相結(jié)合的一種可行方式，能有效地提高企業(yè)的能源利用效率，挖掘企業(yè)的節(jié)能潛力，對提高企業(yè)的能源科學(xué)管理水平具有戰(zhàn)略意義。該系統(tǒng)在齊齊哈爾市應(yīng)用后，萬元產(chǎn)值能耗降低5%左右，達到了預(yù)期的效果，而且隨著監(jiān)控系統(tǒng)的持續(xù)運行，單位能耗仍然會有下降的空間。

【參考文獻】

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