淺談重點工業用能企業能耗在線監測系統架構及應用

 馮夢雪

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801 摘要：本文以典型工業城市為主要實施目標，通過分析其重點用能企業用能情況，建設重點用能企業能耗在線監測系統，并將該系統應用到齊齊哈爾市。監測系統充分利用了互聯網 +、大數據分析及數據建模等技術，建立了統一的應用平臺，并取得了顯著的效益。通過項目實踐，表明重點用能企業能耗在線監測系統可以在能源管理中起到促進作用，有效提高能源管理水平。關鍵詞：能源管理；節能降耗 1引言       近年來，我國工業化、城鎮化進程明顯加快，消費結構快速升級，對能源需求依然旺盛，社會經濟的發展與資源環境保護之間的矛盾突出，提高能源使用率，在環境友好的情況下進行社會發展已成為國家策略和社會共識。       按照國家“十三五"發展規劃，到2020年，全元國內生產總值能耗比2015年下降15%，能源消費總量控制在50億tce以內，雖然我國在環境保護方面取得了巨大成就，單位能耗保持持續降低的態勢，但與國家相比差距較大，節能減排工作仍然面臨巨大挑戰。       雖然節能形勢嚴峻，但也迎來難得的歷史發展機遇。一是由于開展了大量的社會宣傳與科學普及活動，使得企業和個人的節能環保意識不斷提高；二是國家的政策導向，使得企業不斷加大調整產品結構力度，并突出科技創新能力在其中的作用。在這樣的政策與社會環境下，為進一步推進節能減排創造了有利條件。 2 解決方案       工業化城市能源消耗較大，是目前節能領域重點管控對象。為此針對典型工業城市的能耗現狀，需要開發重點用能企業能耗在線監測系統。在此系統中，主要從以下三個層面解決當前能耗在線監測系統的問題。 2.1?數據采集層面       企業能耗數據實時采集采取逐步推進的建設方式，逐步完善工業企業的實時采集對象，推進主要能源計量器具的智能化覆蓋，實現能耗數據的在線實時采集。       采用IEEE1888泛在綠色控制網絡協議，完成對工業企業能耗數據進行采集，通過 Internet網絡、GPRS/3G無線網絡等方式，以壓縮加密方式，傳輸到能耗在線監測預警平臺的數據中心服務器，同時具備斷點續傳功能，保證企業采集能耗數據的實時性、可靠性。為此，在企業內部采用二級采集方式：數據采集網關直接面向各級生產系統，然后再通過企業端設備向上傳輸到上級系統（市級平臺，見圖 1）。 圖1 數據傳輸拓撲圖2.2?數學分析層面       運用大數據技術、云計算技術以及數據建模技術對系統進行支撐，解決系統數據量大、運算邏輯復雜、預測數據不準等問題。系統數據量巨大，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，系統包含一系列面向大數據處理的工具和方法。通過大數據研發，可以將其發現的問題規律應用到相關領域，通過解決海量數據處理問題促進其突破性發展；另外云計算技術也將改變信息技術產業的生態環境，無論是基礎設施、計算機與網絡設備制造，還是軟件都會發生巨大的變化。 2.3?統一平臺層面       通過重點用能單位能耗在線監測系統，以工業能耗為重點，納入建筑、交通、公共機構等領域能耗在線監測數據，實現多領域的數據共享，為全市節能減排工作整體規劃提供數據支撐，提高齊齊哈爾市各職能部門的辦公效率，降低監管成本，同時把分析數據通過系統接口的方式，按需提供給協同辦公部門，打破數據孤島壁壘。       基于以上研究及探討，開發出了面向典型工業城市的重點用能企業能耗在線監測系統。       系統基于管控一體化信息平臺，采用分布式部署方式。在整體需求的基礎上，對系統的業務功能及核心數據進行統一規劃，以期達到結構清晰和易于擴展。系統設計過程中，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、穩定、有效的運行，同時也能滿足未來 5年甚至15年的系統擴展需求。       在系統功能方面，采用微服務的方式，設計了工業領域能耗動態監管、工業領域能耗水平識別評價、重點用能企業能效對標分析、重點用能企業節能分析及考核、城市能源預測及預警以及決策支持及專家智能等系統功能，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，方便對能源數據進行管理和分析。       齊齊哈爾市是一個典型的工業城市，重點用能企業能耗在線監測系統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 重點用能企業能耗在線監測系統在工業城市中的應用       齊齊哈爾市是“一五"期間國家投資興建起來的重工業基地，是典型的一市多鎮工業城市。工業能源消費量的持續增長，給該市的能源管理帶來了巨大的壓力及挑戰，傳統的能源監測手段已經不能滿足能源精細化管理的需求，需要引入新的能源監控平臺及管理手段，而重點用能企業能耗在線監測系統在齊齊哈爾市的應用中達到了預期的效果。 3.1?系統調研       由能源管理專業團隊進行專項調研，詳細了解齊齊哈爾市能源管理現狀，在調研過程中發現，該市在能源管理過程中存在以下特點：（1）工業領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，其中規模以上工業綜合能源消費量為510.85萬tce，占比 59.6%；電力、熱力生產和供應業能耗240.1萬tce，占規模以上能耗比重為46.98%，耗能集中度較為明顯。僅靠各企業上報的能耗數據，已經無法滿足能源精細化管理的需求，管理難度大。（2）缺乏及時有效的數據及分析工具，管理手段單一       數據獲取滯后，已不能反映當前能源消耗和節能的狀況，而能效分析、節能監察、能源宏觀決策等對能源信息有較高的實時動態需求，缺乏時效性的數據難以滿足要求。數據覆蓋面窄，不能形成完整統一的數據體系，無法全面反映能源消費的情況。缺乏有效的數據分析模型和預測工具，對數據進行科學分析處理的手段不足，缺乏預測和預警的信息支撐，對國民經濟發展和能源管理決策的支持力度較弱。（3）存在信息孤島，未能實現信息共享       全市能源計量信息、企業能源消耗信息、節能監察和監測相關信息等相互獨立，沒有實現資源共享，沒有積累長期數據的技術手段，數據信息的價值沒有發揮出來，缺乏對城市節能綜合管理的支撐作用。 3.2系統設計及實施       針對調研過程中發現的問題，我們對“齊齊哈爾市重點用能企業能耗在線監測預警平臺"的邏輯架構設計進行了相關調整和優化，以工業企業現場數據采集為起點，向上依次包括數據傳輸層、數據存儲層、支撐平臺層、應用層和展示層，清晰的層次結構既滿足了項目的需求，又保證了后續的擴展性。 圖 2 能源在線監測系統設計框架 3.3項目培訓及交付和運維       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，驗收內容包括項目過程文檔、系統設計文檔、系統測試文檔等。項目驗收之后轉入后期運維及技術工作，此時運維團隊介入，新的服務模式開啟。依托于完整的運維體系，實現7×24h不間斷的服務，系統問題15min內響應，2h出具解決方案的服務模式，同時對系統的運行狀態進行監控，提前發現并及時解決系統問題，保證系統的穩定運行；運維全流程狀態可視，便于管理者及時跟進。 3.4系統應用成效       目前該系統已經完成全市 62 家企業能耗的實時采集工作，通過對采集數據的分析、預警以及跟蹤，能及時發現能耗異常情況并進行提前干預，提高了齊齊哈爾市能源管理水平，具體體現在以下幾個方面：（1）實現由靜態監管轉為動態監管的轉變       通過建立標準化的能耗采集監測體系，規范采集實際工作中的操作流程，對接入監測的數據進行規范處理，確保能耗在線監測數據的有效性，從而根據在線監測的實時數據進行分析，對所管轄的企業進行數據的動態分析，及時干預，保證節能政策的高效、正確的執行。（2）實現由單一部門管理向聯合辦公的轉變       通過重點用能單位能耗在線監測系統，以工業能耗為重點，編入建筑、交通、公共機構等領域能耗在線監測數據，實現多領域的數據共享，為全市節能減排工作整體規劃提供數據支撐，提高齊齊哈爾市各職能部門的辦公效率，降低監管成本。（3）實現由強制執行變為主動引導的轉變       建立公共服務平臺，實現政府、用能企業、節能服務公司及公眾的緊密連接，通過平臺發揮節能減排政策的激勵作用和示范效應，引導企業提升能源利用效率、加強用能管理。向公眾宣傳節能理念，加大節能宣傳和教育，提高全民節能意識。（4）實現由單維度分析向多維度分析的轉變       采用了數據立方體的分析方式，允許在多個抽象層進行數據分析，對于數據量大、維度多的統計分析提供了一個可泛化通用的工具，實現按照能源品類、區域、行業、工序等維度的多維度分析，從而實現對問題的精準定位。（5）實現由事后分析到預測分析的轉變       在全面獲取監測范圍內齊齊哈爾市重點區域、行業、企業能源使用、消耗、配置及調度情況的基礎上，對歷史能耗數據進行數據挖掘，并利用大數據技術進行精準的分析，基于企業實時、歷史用能數據，實現對全市各個能源品種的平均日消費量進行趨勢分析，對全市工業領域各個能源品種的庫存周轉情況進行儲備預警，結合大數據技術和系統計算及優化模型，能夠對能源消耗趨勢進行精準的預測，提前掌握行業、區域的能源消費趨勢，進行提前干預，提前布局管控政策，從而保證節能政策的高效和準確執行。 4安科瑞工業能耗監測系統介紹（含元件選型）4.1系統概述       多年以來，我國對于企業能耗的收集，大多采用企業定期上報耗能報表的采集方式，企業自行上報的能耗報表，往往因為企業自身經營的需要，帶有或多或少有利于企業的傾向性特征，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，獲取重點企業的實際能耗信息，因此更無法做到對不同類別耗能指標的有效分析，據此制定針對性的能耗管理政策。也無法進一步提出節能方案，有效降低能耗。       工業能耗在線監測系統是一個集成Intranet/Internet網絡技術、GPRS無線傳輸技術、Web Service軟件技術、數據庫技術等于一體的大型數據綜合管理系統。系統為管理者、各級能耗內部用戶、瀏覽者提供了一個訪問的網絡通道，搭建了一個合理、高效的信息傳輸平臺和管理平臺。工業能耗在線監測系統的開發應用為政府管理部門、企業生產管理、計量管理、節能管理提高到一個新的高度，是我們對節能減排、節能降耗實現的一種行之有效的解決方案。 能源組成及監測內容：圖3 能源組成 

圖4 監測內容

       用電類：采集采暖、鍋爐、空調、制冷、照明、辦公、電梯、水泵、風機、通風機等耗電設備的用電信息。主要監測其用電量，對于大耗電設備監測其電流、電壓及功率因數等信息。       配電類：采集6kv/10kv配電開關設備、變壓器，狀態信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電能質量、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；       環境參數：采集具有485通訊功能的溫度/濕度計；采暖空調供回水溫度； 4.2系統框架 圖5 系統框架        （1）能源消費管理系統：該系統可以對重點用能企業煤、電、油、氣、熱、水等能源和耗能工質進行定期錄入和實時采集，并將收集到的能耗數據進行整理存儲，為匯總分析和上報作數據支持。       （2）能源利用狀況信息報送系統重點用能企業可通過該系統將企業本年度的《能源利用狀況報告》，報送至市節能監察中心，經初審核后，上傳至省節能監察總隊審核，而后上報國家有關部門。       （3）單位能耗水平識別評價系統利用重點用能單位能耗數據，對企業用能狀況進行分析評價，查找問題。為政府節能管理部門掌握、分析信息和研究節能改造并制定相關政策措施提供科學的依據和平臺。       （4）決策服務和專家咨詢服務系統系統提供直觀、簡明、快捷的數據信息查詢和決策支持服務。對重點用能企業的能耗進行科學、合理的咨詢指導，幫助重點用能企業做出及時、正確、可行、有效的解決方案。       （5）能耗預測、能源安全預警系統通過系統全面掌握重點用能企業能源購置、使用、消耗及生產情況，對企業的用能情況進行綜合的評判和分析，對比同期值和限定值，對能耗超標情況予以預警提示。在全面獲取能源使用的基礎上，進行數據挖掘分析，實現能耗的預測分析功能，為政府相關部門的宏觀決策提供支撐體系。       （6）節能監察及信息發布、法律法規知識培訓系統：通過該系統平臺，可對省重點耗能企業做全面節能監察工作；發布節能法律法規標準以及能源基礎知識、能源統計知識、節能監測方法等資料；處理日常節能管理工作相關的公文、通知、公告等。 4.3系統網絡結構        系統把數據信息從各個企業的能源監控中心采集到后臺的數據庫系統，經分析與處理，提供分析預測和預警功能。同時通過門戶網站、無線終端等手段為省、市領導以及相關委辦局提供了多方位、可視化的便捷服務。圖6 系統網絡結構 4.4能耗監測系統產品選型 5總結       “面向典型工業城市的重點用能企業能耗在線監測平臺"的建設是信息化與節能工作相結合的一種可行方式，能有效地提高企業的能源利用效率，挖掘企業的節能潛力，對提高企業的能源科學管理水平具有戰略意義。該系統在齊齊哈爾市應用后，萬元產值能耗降低5%左右，達到了預期的效果，而且隨著監控系統的持續運行，單位能耗仍然會有下降的空間。 【參考文獻】[1]國務院“十三五"節能減排綜合工作方案[Z]. 2015.[2]王曉雯，姚昆，張杰，于莉敏.面向典型工業城市重點用能企業能耗在線監測系統及應用實踐[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版