能耗监测系统工矿企业中的应用
时间：2024-08-13 阅读：191
胡冠楠
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定
摘 要：本文提出采用计算机辅助的能耗监测系统，有效了解能耗的实时数据和动态分布况，为能耗统计和节能管理等服务提供重要的基础数据。
关键词：能耗监测 GPRS 无线通信 监测系统
引言
传统的工矿企业中，各种能源的消耗一直处于粗放的管理模式中，工矿企业的高耗能问题尤为突出。统计数据显示，工矿企业单位能源损耗是民用的5～20 倍。因此，工矿企业的能
耗管理对整个社会的节能减排具有重要意义。利用现代化的计算机技术，完成工矿企业的能耗监测平台建设，实现对用电量大厂矿企业的能耗动态监测，可以加强对其节能运行管理，推动其建立和完善能效测评、用能标准、能耗统计、能源审计、能效公示等制度。
系统架构及组成
系统功能框架图
加强企业资源环境管理，调动职工节能减排积极性加强企业资源环境管理是发展循环经济的基础。一方面，公司切实贯彻落实企业环境管理方针和环境管理目标，在很大限度地减少固体废弃物排放的同时，加强对固体废弃物管理。几年来，公司生产过程中产生的固体废渣全部外售给水泥生产企业作为原料，成为可重新利用的宝贵资源。同时，由于大量的固体废渣不需要在厂内占地堆放，也有利于厂区环境的治理与改善，促进了企业的清洁化生产。另一方面，公司加强企业原料、能耗管理，严格执行相关的奖惩制度。公司通过建立健全资源节约的管理制度，加强资源消耗的定额管理、计量管理、成班主任岗位责任制及计量统计核算制度，健全有效的激励和约束机制，完善各项考核制度，调动职工参与企业推行循环经济、开展节能减排的积极性。
图一
工矿企业的能耗监测系统（系统 架构见图 1）一般按照行政级别构建 自上而下的应用系统。同时，通过防 火墙隔离内网和外部互联网络，为不同类型的用户提供不同的能耗数据 服务。业务开发人员、研究人员、系统 维护人员以及公众用户都可以通过 该系统查看所需要的数据。中心上传数据，市级数据中心需要向 省级数据中心上传数据。省、市级数 据中心系统的数据上传工作流程如 图 2 所示。
应用层概述 应用层包括消息管理、信息服 务、分析展示和后台管理等大类，每 类中又包含相关子系统。软件设计采 用松耦合模式，为系统扩展性奠定基 础。 数据采集。该部分需要整合大量 的基础数据，其接受来源包括有线网 络、无线网络、工业总线等。该模块对 上传的数据进行数据校验，临时存储 后，将数据转发到数据处理子系统 中。 数据处理。该部分将采集数据进 行处理，包括协议的统一转换，根据 每种能耗的计算规则，解析数据并计 算每种能源的单位消耗值。这是系统 中的重要组成部分，其中又包含数据 校验、数据包接卸、归一处理等几个 步骤。 数据上报。数据处理模块将数据 存入中间交换缓存中，数据上报模块 启动一个定时任务，自动调度将数据 库中数据提取，并组织为 XML 应用层数据格式，上报给数据接收子系 统。 数据接收。数据上报后，接收子 系统再次进行校验、解包、存储，将数 据存入中心数据库。 消息管理。该模块用来负责各系 统之间的数据、信息交换服务。 数据展示和分析。该子系统对处 理后的分类数据进行汇总，通过图形 方式进行展示，为后续分析提供参 考。 此外，还包含有工矿企业服务系 统、公众服务系统、信息维护子系统 等，用来完成不同类型用户的信息监 测、查询需求。
数据处理流程
1.数据上传 省级数据中心需要向部级数据中心上传数据，市级数据中心需要向 省级数据中心上传数据。省、市级数 据中心系统的数据上传工作流程如 图 2 所示。
数据打包。定时启动数据打包程 序，从数据库中抽取需要上报的数 据，按照接口标准封装成 XML 格式 的数据包，并压缩数据包。记录操作 日志。 发起连接。向上一级数据中心服 务器发送握手消息，建立连接状态。 如果连接不成功则再次发起连接。记 录操作日志。 数据发送。调用上一级数据中心 的数据接收网络服务，基于 SOAP 传 输协议将压缩后的 XML 数据包发送 出去。如因网络故障或繁忙等原因造 成发送失败则定时重新发送，直到发 送成功。记录操作日志。 目前，约定各级数据中心分时段 集中上传上一日的数据包。今后，随 着数据中心增多、各数据中心监测数 据量增大等情况变化，可以加大数据 传输频率，减小数据包容量。 2.数据接收 部级数据中心需要接收省级数 据中心上传的数据，省级数据中心需 要接收市级数据中心上传的数据。 部、省级数据中心系统的数据接收工作流程如图 3 所示
数据接收。数据接收方式为被动 接收，采用网络服务技术实现，基于 SOAP 传输协议。接收成功后将数据包 解压缩，还原为标准格式的 XML 数据 包。记录操作日志。 数据校验。数据校验包括数据格 式校验和数据内容校验。数据格式校 验主要对上传的工矿企业与能耗信息 进行 XML Schema 校验，校验其是否 符合相关的格式要求；数据内容校验 主要对上传的企业与能耗信息中包含 数据的规范性及合理性进行检测与分 析。校验成功后进行数据处理，失败则 结束本次接收操作。记录操作日志。 数据处理。对上传的企业与能耗 信息的 XML 数据进行解析以及数据 存储至数据库，并调用数据分析功能 对上传数据进行统计分析，生成数据 仓库记录。记录操作日志。 数据备份。对接收到的企业和能 耗数据以及附件进行备份。记录操作日志
数据采集
数据采集集中器是监测系统的关 键部分，该模块在逻辑上隶属于数据 采集子系统，但在硬件和设备部署上 位于数据采集的前端，主要负责各种智能仪表的数据采集、协议转换，各种 通讯接口的数据收取发送等。其实时 性和协议转换的效率、接口的兼容性 等都关系到底层数据收集的准确性。 数据采集集中器的设计采用了主从式 方法。同时，在数据采集集中器中，采 用中间件的设计思想进行软件移植层 的构建，从而使集中器能够不局限于 一种硬件平台实现，可以根据现场情 况选择不同的硬件平台进行软件集成，很大限度保证了开发和集成的灵 活性。 1.架构及组成 系统层。包括基础操作系统和驱 动程序，为上层应用建立基本的执行 环境。 设备可移植层。该软件架构可以 在各种运行 Linux 的硬件设备上运 行，为保证此目的，设计设备移植层， 屏蔽底层系统的差异。 端口配置和管理。负责完成底层 相关接口的配置。通信接口实现了各 种通信参数的设置、读取、清空、重新 应用等各种操作；同时，可以在端口上 绑定处理协议，从而使集中器可以正 确解析数据。 规约库。协议规约库中集中了多 种需要支持的设备通信规约，其设计 遵循统一的规约设计规范。规范中采 用松耦合模式构建了协议头部、数据 区域、数据排列模式、数据校验模式、 数据校验位等属性字段。采用该规范 设计完成协议库的开发，即可动态扩 展集中器的功能。 协议动态加载模块。该模块负责 针对不同端口的配置，动态加载不同 的协议。一般来说，设备每次修改配 置，都会重新初始化该模块，完成协 议和端口的重新绑定及加载，并通知 转发处理模块重新开始数据处理。 连接和转发处理。该模块将底层 转换后的数据进行转发，根据端口和 设备的配置选项，将数据从下行端口 转发到配置的上行端口；也可以将几个下行端口数据集中后，通过协议集中向上发送。 配置和转发逻辑层。用以配置用户数据的转发模式、接口和协议的绑定等，是对外的主要用户接口。 2.中间件设计模式 系统层。该层主要是既有系统的 资源，是实现移植层的基础，也是硬件平台提供直接的访问接口。移植层。定义与硬件相关的移植接口，屏蔽底层硬件的差异；其设计遵循小集合的原则，接口采用 C 语言实现，但不使用任何系统的相关调用 方法。 中间层和业务框架层。该层是中间件系统的内部核心，包含了上述的数据转发、协议加载、端口配置管理等 模块。 业务接口层。实现用户操控接口，使用此类接口，可以控制整个设 备的运行模式和数据协议处理方式。
五、平台介绍
1、安科瑞企业能源管控系统概述
安科瑞企业能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。
2、应用场所
钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。
3、系统结构
现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。
系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。
现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。
网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。
平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。
平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：
4、工业企业能耗监测系统功能
平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。
（1）平台登录
在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。
（2）大屏展示
用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。
（3）首页
首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。
（4）数据监控
对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。
能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。
能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；
配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。
实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；
数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；
检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；
（5）视频监控
接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。
（6）变压器监控
展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。
（7）仪表实时监控
展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。
（8）能源中控
将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。
（9）用能统计
从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。
（10）成本分析
统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。
（11）产品单耗统计
与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。
（12）绩效分析
对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、Z定时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。
（13）运行监测
系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。
（14）自定义能耗报表
用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。
（15）同比、环比
提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。
同比
环比
（16）分析报告
以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。
（17）能耗设备用能
监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。
（18）线损分析
根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。
（19）碳排放管理
按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。
（20）电能质量监测
实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。
（21）运维管理
系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。
（22）报警管理
针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。
（23）能耗抄表
可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。
（24）能耗分析自定义时间抄表
可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。
（25）容需量报表
提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。
（26）复费率报表
对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。
（27）文档管理
对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。
（28）3D可视化大屏
对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。
（29）3D子系统
对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。
（30）工业组态
可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。
（31）自定义驾驶舱
可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。
（32）基础数据管理
对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。
（33）手机APP
APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。
（34）知识产权证书
5.系统硬件配置
六、结语
本文基于自动化设备和计算机系统构 建的工矿企业的能耗监测系统，可以 为业主用户提供能耗情况的报告，为 其节能提供参考数据。其中，数据采集 集中器的设计方法，可以满足现场多 种类型设备的数据采集和协议转换。 该系统可以成为节能减排控制系统的 基础系统和子系统存在，为其提供基 本的实时数据来源。
参考文献
曾向红（中国计算机函授学院）《工矿企业的计算机能耗监测系统》
[2] 杨申仲.行业节能减排技术与能耗考 核[M].北京：机械工业出版社，2011.
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[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版。