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技術文章

淺談能源管理系統在企業中的應用及系統介紹

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淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:能源管理系統是對能源消耗的一種監控管理系統,它可以實時監測各類型能源使用的情況,自動分析各設備的能耗、能效情況并給出合理建議,從而進一步對設備進行優化,以實現企業對能源使用的理想配置,確保所有設備處于高效、節能、減排的運行狀態。
關鍵詞:能源管理;能耗采集;能耗分析;用能監測
1能源管理系統應用背景
1.1能源管理概述
    能源的消耗是持續的,沒有規劃地任意使用是不可取的,隨著我國經濟的發展和環境資源壓力越來越大,節能減排形勢嚴峻,在中國,持續高速的經濟增長的同時也引發了能源供應危機等問題。節能減排、低碳環保不再只是一個社會的熱點話題,更是我們未來的必經之路。認真貫徹落實黨的精神,要求加快推進節能降耗,加快實施清潔生產,加快資源循環利用,向節約、清潔、低碳、高效生產方式轉變,實施節約與開發并舉、把節約放在前列的能源發展戰略。
    一個企業建設能源管理系統不僅能夠滿足公司對能源管理的需求,而且能夠隨企業的持續發展而拓展。利用該系統能夠有效降低企業因能源消耗數據統計、表單維護以及報表、數據處理而產生的費用,通過對監測數據進行在線分析,幫助企業進行能源消耗的實時監測、準確統計和詳細預測,為企業節能降耗和自我完善提供確鑿的數據基礎和有力的決策支持。
1.2企業現狀分析
    能耗數據信息是企業的重要能耗點和關鍵指標,多數企業并沒有充分運用信息化集中管理手段,采集某個車間或設備的能耗信息,沒有該信息就無法在生產過程中準確分析能量消耗情況和成本情況,造成了能耗在生產過程中沒有起到關鍵作用和指導作用。大多數企業仍然使用的老式儀表并沒有預留數據通信接口,儀表無法形成網絡連接,能耗等信息的采集主要靠傳統的人工抄表進行數據記錄,工作強度大,人工易出錯造成數據不準確,數據無法通過結構化存儲,無法在企業內部通過信息化系統之間共享。
1.3企業管理需求
1.3.1用電監控
    能源管理系統主要目標之一是采集與監測用電信息,建立企業的能耗數據中心,為企業的精細化運營、生產成本的降低提供數據管理平臺:通過實時、準確采集電力數據,解決原人工完成的電力數據采集任務;通過數據分析及時發現電力能耗問題,通過能耗總量走勢分析、電總能耗的偏差分析、電能耗按設備或區域進行對比、環比分析等,為企業生產運營提供有力的決策數據;實現設備的智能化用電,提高電能利用率,達到節能效果;對重點工作流程的電能耗指標、單位產品能耗指標等進行監控,對規定的節能目標設置警戒線,對未達目標的指標進行自動告警、動態監測及在生產過程中實時監測。
1.3.2用水監控
    可以在廠區地圖上按照區域監控各個廠區、車間的工業用水、生活用水、綠化用水等實時數據。實時顯示用水計劃情況,有效監督整個廠區用水管理。
1.3.3用氣監控
    可以實現對整個廠區的天然氣、壓縮空氣、高溫蒸汽等氣體能耗進行實時監控和使用安全進行集中管理,達到有效避免浪費及規范操作的目的。
1.3.4能耗分析
    能源成本分析和賬單管理;能源消耗統計臺賬與報表。
1.4解決思路
    通過對原有水、電、氣表進行替換,改用具有通訊遠傳功能的智能監測儀表,采集檢測數據后,上傳至通訊管理服務器,能源管理系統對能耗使用情況進行分析與呈現。
1.5能源管理系統基本功能
1.5.1在線監測:
    實時查看各監測點的多種能耗指標,包括電壓、電流、負荷、電量,用水流量、用氣流量等。
1.5.2統計分析:
    從費用、能耗、指標三部分出發,分為日、月、年三大模塊,并通過能源消耗軌跡圖、表格等多種形式,反映用能設備的能源消耗情況。且便于操作、查看歷史數據。
1.5.3數據分析比較
    單臺用能設備不同時間段內的能耗指標差異的比較,及同一時間段內同類能源設備的能耗指標差異的比較,指導用戶進行能耗使用的管理。
1.5.4分析結果展現形式:
    能源管理系統可在服務器界面展示,也可通過APP或微信服務號展示相關信息,用戶可隨時了解配電室現場運行情況、水、氣能源消耗情況。平臺同時具有故障及時報警、信息推送等功能。
2能源管理系統方案設計
2.1設計目標
    能源管理系統是應用物聯網技術結合現代合理用能管理思想為企業構建的信息系統,其目標是讓企業通過智能化能源管理系統科學用能,實現“安全、可靠、經濟、高效、潔凈"的用能目標和用能管理的“可視化"。
    通過用能管理的“可視化"運用,幫助企業改變用能方式、提升用能效率、優化資源配置及改善用能環境,實現:減少能源消耗,降低用能成本。
2.2結構設計
2.2.1系統結構
    能源管理系統包括能效管理應用層、網絡通訊層、現場設備層。
圖1 能源管理系統示意圖
    ◎能效管理應用層:完成數據采集、校驗、分析、處理、輸出、系統維護、授權使用、權限分級控制等;并可將現場運行的重要數據、報警信息、故障信息等傳送到企業決策人員。
    ◎網絡通訊層:現場采用RSX485、以太網、5G、WIFI等傳輸方式,將區域內的能源采集模塊連接至相對的通訊管理機,各通訊管理機通過網絡連接至中央服務器。
    ◎現場設備層:現場設備層負責電、水、氣參數的采集和上傳?,F場設備層有多功能電力儀表、多功能電能表、水、氣能等采集裝置組成。
2.2.2功能結構
    ◎數據采集結構
    收集分布在企業配網中的能耗數據,如將電壓、電流的模擬信號轉換成數字信號,將電能數據傳輸到數據主站;主要設備有多功能電力儀表、485通信服務器、485通信網絡、5G通信網絡等,系統將各種傳感器互聯成網絡與主站系統連接;
    ◎數據中心結構
    包括數據主站系統、數據庫系統和數據處理系統與信息發布系統:
    數據主站系統:接收企業傳感器采集的數據進行解析及存儲,同時向企業傳感器發布指令,請求所需要的數據;
    數據庫系統:存儲企業能耗指標數據和數據處理系統的處理結果;
    數據處理系統:完成企業能耗數據加工。系統包括應用服務器、數據分析模型、信息展示模型、智能用電模型等;
    信息發布系統:將企業管理信息發布到Web服務器,企業通過登陸互聯網獲取電能管理信息。系統包括Web服務器、Web應用、信息安全系統等。
3能源管理系統具體實現分析
3.1系統概述
    能源管理系統是采用先進的智能化集成技術,基于B/S架構的能源管理平臺,該平臺采集各個能耗監測點的能耗和運行信息,形成能耗的分類、分項、分區域統計分析,對能源的統一調度、優化能源介質平衡、減少煤氣放散、提高環保質量、降低企業綜合能耗和提高勞動生產率有重要作用,幫助客戶更優化的使用能源,從而實現“節能管理、綠色能效"。
3.2平臺構架
    能源管理系統采用B/S多層結構。在B/S模式中,客戶端運行標準的瀏覽器軟件,通過HTTP協議向Web服務器提出頁面訪問請求,頁面執行相應的邏輯程序(一般通過組件訪問數據庫),Web服務器再將頁面程序執行返回的結果進行轉化,轉變成HTML文檔形式轉發給客戶端瀏覽器。
    系統采用三層體系結構,可以滿足用戶個性化需求以及系統安全性等方面的需要;同時保持系統核心架構的穩定性,從而可以保證定制系統的質量、穩定性、開發周期和開發成本等方面的要求。
3.3系統功能介紹
    (1)用戶登錄認證功能。系統可采用用戶名和登錄密碼認證登錄,進入主界面后會自動彈出新增告警信息,提醒值班及運維人員及時查看和處理。
    (2)能源看板功能。通過能流圖形象的將該企業各部門主要設備用能情況展示出來。
    (3)能源監控功能。能源監控展示的實時數據和歷史數據,通過數字表格或圖形曲線的方式將數據形象的展示出來。
    (4)能耗統計功能。能耗統計包括分項能耗、部門能耗和能耗這三部分,將企業中各部門及各監測點實際用能情況,通過不同的展示方式展現出來。
    (5)能耗分析功能。能耗分析包括企業用能分析、部門綜合能耗、設備用能分析和指標綜合分析這四類,將企業中各部門及各監測點實際用能情況,通過不同的分析方式展現出來。
    (6)報表功能。報表功能分為日報表、月報表和年報表。通過多樣化的報表服務滿足生產現場的多種多樣需求。報表設有打印功能,可定時自動打印或觸發條件打印,并可導出到excel表格中,顯著減少抄表工作的人力成本,提高用戶的經濟效益。
    (7)告警功能??稍O置和提示設備的能耗等告警信息。
    (8)APP或微信功能。通過APP或微信服務號及時了解設備現場運行情況、能源消耗情況、實現故障及時報警,信息推送等功能。
3.4網絡傳輸方案
    采用嵌入式低功耗ARM核心的工業級嵌入式智能網關,作為站端監控系統的核心,解決各類現場設備接入、數據傳輸和協議轉換問題,提供完整的協議層解決方案,支持各種常見電力系統通信規約,可定制私有協議,同時具有事件處理功能。支持數據凍結和階段性存儲。支持向云平臺的數據傳輸,并可接收云平臺的指令實現就地控制、自動巡檢等功能,支持遠程系統升級。
3.5服務器部署方案
    選用一臺應用服務器和一臺數據庫服務器,實現業務和數據分離的架構,服務器部署在企業內部,企業內需要有互聯網連接,可將系統訪問接口發布于互聯網,便于后期的數據訪問。
4系統實現目標
    (1)實現對企業所使用的各種能源進行計量,對企業的水、氣、電能耗數據實現遠程抄表,能耗數據界面化,對比分析能耗報表,實施監控和考核。杜絕跑、冒、滴、漏現象的發生,分析比較能耗歷史數據,為節能技改提供科學依據。
    (2)通過手機APP或網頁,生產企業可以通過能源消耗監測及大數據分析云計算中心對生產的設備進行遠程加解密、設備故障報警。
    (3)通過采集與監測能耗信息,建立企業的能耗數據中心,為企業的精細化運營、生產成本的降低提供數據支撐。
    (4)減少值班人員工作強度,避免人工抄表的數據不準確因素,提高事故的反應速度及解決效率。
    (5)通過數據分析及時發現能耗問題,通過能耗總量走勢分析、能耗的偏差分析,能耗按設備或區域進行對比、環比分析等,為公司生產運營提供有力的決策數據;提高能源利用率,達到節能效果。
5安科瑞企業能源管理平臺
5.1 平臺概述
    安科瑞企業能源管理平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式,對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理,監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況,通過數據分析、挖掘和趨勢分析,幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析,為企業加強能源管理,提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。
5.2應用場所
    鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業、木材、化學原料以及機電設備、電器產品、工器具制造等。
5.3平臺結構

圖2 平臺結構
5.4平臺主要功能
5.4.1首頁
    首頁通過展示企業各類能耗總量、折標值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗占比、區域能源消耗對比,并三維展示企業重要工藝或設備的能源消耗動態,可直觀了解企業當前用能。
5.4.2運行監控
    能源管理系統的動態顯示對企業使用的各種能源(電、水、蒸汽)進行實時監控,并提供從概貌到具體的動態圖形顯示,并提供區域數據監控,在工廠平面圖或者某個車間的平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據。系統提供對能源管理系統運行狀態的實時監視功能,實現對能源系統運行過程中關鍵的用能狀態參數的變化趨勢、耗能設備的運行狀態以及系統運行報警事件進行實時監視,確保整個能源供給、轉換和消耗過程的安全、可靠和穩定。系統提供圖形化工具,不僅可以組態出數字化的監控界面,還具有實時趨勢顯示。
(1)變配電系統的電氣主接線圖展示,實現對全電量參數以及開關斷路器狀態的實時監視,如電壓、電流、頻率、功率、功率因數、三相不平衡度、諧波等參數。
(2) 水、燃氣、壓縮空氣等系統各分支管道分布示意圖以及流量、壓力、溫度等參數狀態的實時監視;
(3)重點用能設備系統(如壓機等)的運行狀態以及用能參數的實時監視;
(4)過壓、過流、欠壓等保護信號報警、系統通信中斷、電量、非電量參數越限、能耗超標預警等實時事件報警監視。
(5)工藝流程圖展示重點關注工藝各設備運行參量以及能耗情況
5.4.3變壓器監控
    展示各變壓器負載情況,從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比,測算變壓器損耗,找出變壓器經濟運行區間。根據變壓器經濟運行區間,調整負載,從而降低變壓器損耗,節約電量。
5.4.4用能統計
    系統支持為企業不同的計量監測對象,提供快速查詢顯示日、周、月、季、年的企業用能情況同比環比、產品單耗、產品折標對比、能耗等。數據通過棒圖,餅圖,直方圖等形式,實現對系統中耗電量、耗水量、耗氣量等能耗數據的統計分析。大到整個企業,小到單個設備或車間,通過對這些區域的計量節點能耗數據查詢分析,實現整個企業能耗數據的統計分析,滿足用戶實現對任意時段內區域、車間、工藝和設備類型等的能耗數據查詢要求。通過對比不同區域等的能耗數據情況,了解不同對象區域等的能耗規律,自動對這些對象進行能耗,找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方,從而調整能源分配策略,減少能源使用過程中的浪費。
5.4.5分項用能
    系統提供對企業分項用能的分項統計。根據分項,用柱狀圖以及餅圖,展示各分項用能情況,直觀,清晰。通過用能趨勢,及時掌握企業分項用能趨勢情況。對于分項用能異常,能即時發現,調整策略,改善用能,節約能源。
5.4.6產品/產值單耗
    系統可以與企業MES系統對接,導入產品產量。對不能導入的數據提供人工錄入功能。通過系統采集的能耗數據,結合產品產量,計算產品單耗,生成產品單耗趨勢圖,并進行同比和環比分析。以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝,從而降低能耗。
5.4.7用能成本分析
    系統支持為企業整體以及車間等各個需要單獨進行能耗考核的對象提供各種能源消耗的總費用成本的統計對比功能??商峁╇?、水、氣等各種能源類型在統計周期中的消耗量以及對應的費用數據,并且可以將各種能源的費用進行百分比占比統計和對比,以了解整個企業能源費用成本的詳細分布情況。同時支持對單位成本費用進行分析。用戶可選擇多個考核區域進行耗能成本的對比分析,為用戶建立有效的績效獎懲機制和日常管理提供真實、可靠的數據依據。
5.4.8用能成本分析
    系統支持為企業以及需要單獨考核計量的區域提供能源成本預算管理功能,允許用戶錄入能源成本的詳細預算計劃,通過對比能源實際費用和預算費用進行預算執行管理,可以直觀的了解到每月或者每年能源成本是否超出預算,方便用戶及時的進行預算的調整和干預。此外,系統還支持按照的預測算法進行能源成本的成本預測,根據歷史的預算執行情況和實際耗能的數據預測后續的幾個月的能源成本費用,幫助用戶進行有效的成本計劃管理。
5.4.9績效分析
    對各類能源使用、消耗、轉換,按班組、區域、車間,產線、工段、設備等進行日、周、月、年時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核,幫助企業了解內部能效水平和節能潛力。
5.4.10能耗預測
    通過對企業車間、生產工藝、生產設備等的能耗使用情況進行分析,建立能耗計算模型,根據人工智能算法對數據和模型進行修正,對未來企業能耗趨勢進行分析,為節能提供有效的決策依據。
5.4.11運行監測
    系統的設備運行監測功能專門針對重點耗能設備提供管理,主要包括設備運行狀態及關鍵參數監視、設備臺賬管理、設備能耗統計分析以及設備維護管理。通過對設備工作狀態參數以及工況參數的實時采集和監視可及時判斷設備的運行工況是否正常;設備能耗統計分析可提供針對設備對象的實時耗能量以及歷史耗能趨勢的分析和對比;設備臺賬管理以及維護管理可建立設備基本信息檔案,可快速實現對于設備各種特性參數的查詢和統計分類,對設備及其主要零配件的檢修、更換歷史記錄進行信息化管理,并可提供設備計劃檢修到期提醒以及逾期檢修告警等功能,便于為每一個重要設備建立經濟運行檔案,確保設備的安全、穩定、經濟運行。
5.4.12能源平衡及損耗分析
    能源平衡及損耗統計分析主要為企業的電、水、氣等能源在轉換、運輸、使用過程中的各個環節提供能量平衡分析,及時的發現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題,提醒用戶及時進行干預。通過分別統計重要用能環節的能源供給量和能源消耗量并計算兩者之間的差值損耗量,來評估個各環節的用能損耗程度。比如對用水系統的干管計量和各個車間支管的計量消耗量之和進行損耗分析,有利于及時發現是否存在水管漏水或者違規用水的情況;對用電系統的低壓進線計量和各饋線回路的計量消耗量之和進行損耗分析,來評估判斷是否存在違規用電、竊電等異常用電現場,幫助用戶發現并糾正能源使用過程中的能源浪費問題,降低能源綜合運行成本。
5.4.13節能分析
    節能分析主要是為企業在實施節能措施后,具體節能效果的分析,通過錄入節能措施,對比分析實施節能措施前與實施節能措施后的用能情況,以此來評判節能措施的實施效果,為企業節能提供幫助,提高經濟效益。
5.4.14分析報告
    系統提供的用戶分析報告主要是為企業的中、高層管理人員提供有關企業的能耗數據統計結果匯總和分析結論展示,注重整體能耗狀況和變化趨勢的說明。一般包括企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況,用能趨勢,重點能耗,綜合能耗等。通過豐富多樣的圖形化組件組態成為一份用戶分析報告,讓用戶了解系統的運行情況,方便用戶發現設備異常,從而找出改善點,以及針對用能情況挖掘節能潛力。
5.4.15事件記錄
    事件報警分析主要是為系統的異常運行狀態或故障原因診斷分析提供依據和分析手段。系統運行過程中所產生的各種報警時間均會被自動記錄和存儲,通過對事件的發生時間、范圍對象、事件的類型、事件的等級以及事件描述關鍵字搜索查詢,即可快速的實現對目標事件的查詢和分類。
5.4.16自定義報表
    用戶可通過自定義報表頭與列,靈活生成各種報表,從各種能耗數據及費用比較,到電力峰谷平報表;從碳排放報告到系統能耗評估,從能耗指標到能耗預算等等,使用者無需繁瑣的編輯,只需要簡單操作就能生成精美的報表。
5.4.17移動端支持
    APP支持Android、iOS操作系統,方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、效率分析、同環比分析、能耗折標、用能預測、運行監視、異常報警等。
5.4.18運行環境
    (1)瀏覽器運行設備
    (2)臺式電腦,手機、平板等移動端設備
    (3)瀏覽器運行環境
    (4)支持火狐、搜狗、360等主流瀏覽器訪問
    (5)客戶端運行設備
    (6)安卓系統移動設備(android 5.0以上),蘋果ios系統
5.5現場設備選型(根據實際需求選配)

6結束語
    該系統在實時監測各種類型能源的能耗,通過相同設備能效指標對比,及時發現低能效設備,進而對設備進行優化,提高設備性能;通過對運行參數監測,讓所有設備節能運行,以實現企業對能源使用的理想配置,實現企業節能、減排的目的。


【參考文獻】

[1]周斌,能源信息管理系統的開發和應用[J]2004年
[2]吉朝輝,周軼.淺談能源管理系統在企業中的應用[J].石油化工建設,2021,43(S2):150-152.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版


作者簡介:淮亞利,女,本科,現就職于安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為建筑能耗監測系統。



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