淺談智能化背景下用能單位能耗監測與管理系統設計研究

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

      21世紀以來，我國經濟水平逐步邁入世界前列，但企業生產過程中仍存在高能耗、低效率的問題，掣肘企業經濟發展的同時，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濟發展。本研究立足于節能減排發展戰略，設計了一套針對用能單位的能耗監測與管理系統，以期能夠通過該系統提高企業用能效率。建設企業能源管理系統不僅能夠滿足公司當前對能源管理的需求，而且能夠隨企業的持續發展而拓展。該系統的應用可顯著減少企業在能源消耗方面的數據統計、表格維護、報告編制和數據處理等的。該系統通過在線分析監測數據，支持企業實時監控能源消耗，進行統計和深入預測。這不僅為企業在節能減排和持續改進方面提供了可靠的數據基礎，而且還強化了決策制定過程的有效性。

1 系統設計目標

(一)根據能耗數據實時自動采集，實現數字化能源管理基于智能多功能電力測控終端，幫助企業實現能耗數據的自動采集和網絡傳輸，實現全廠區的用電監測等。

        (二)搭建企業智慧用能管理平臺，實現精細化管理基于上傳的多時間尺度、多參數維度用能數據，該系統幫助企業搭建智慧用能管理平臺，實現能耗數據自動報表統計，用能結構、用能趨勢的可視化分析，用能實時監測及告警，安全、節能、降費優化建議與報告管理等，促進企業用能管理水平、管理效率的提升。

        (三)實現產量能耗監測評估，助力企業降低單耗單品能耗可直接反映企業生產工藝、生產效率情況，對同一產品不同生產車間、生產線進行單位能耗統計與分析，有助于企業找出生產差異。

        (四)實現企業用能安全、節能、降費的管控及優化目標基于智慧用能管理平臺的數據分析結果，發現企業在安全、節能、降費3個層面的管控需求及優化空間，并分別為企業提供配用電系統智能運維、配用電系統智能節電、基本電費優化等解決方案，幫助企業實現用能優化，收獲優化效益。

2 能耗監測與管理系統的設計

（一）系統設計思路

         智能能源管理系統的構成包括幾個關鍵組件：監控中心負責整體監管，主干通信網絡確保系統內部信息流暢傳輸，現場監控網絡實現現場數據的實時采集，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、能耗監測與計量、能效提升、用能質量監測、智能設備管理角度出發進行系統化設計，具體思路共分為如下6點：

充分結合公司目前現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；

根據能耗情況，以最終實現集水、電為一體的能源監控系統；

該系統使得能源使用能夠在真實時間內進行在線監測，為能源管理人員提供了多級管理權限。這樣，他們可以在任何時間、任何地點，實時查詢能耗數據和狀態；

充分體現效益，體現管理節能、技術節能的綜合效益；

為制定能源政策提供詳實的依據,以實現資源的科學管理、科學利用的目標；

根據各個配電室、監控中心、檢測點之間的位置提供合適的通信方式及網線連接方案。

（二）系統功能設計

1.能源采集數據網絡

        能源數據采集網絡具有3大特點，即可靠性、冗余性以及可行性，以此實現對企業電、水、油、氣等能源消耗數據的采集，通過構建能源數據網絡，能夠幫助企業實現能流高度集成控制，提高能源利用效率。

2.能源監測系統

        能源監控系統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量安全環保指標、生產核心指標和能源質量參數等，涵蓋了一些關鍵的數據點。這個系統具備多種功能，不僅能實時監測設備的運行狀態，還能分析能耗的歷史趨勢和模式，實時監控能耗情況，通過與生產管理系統的有機結合，實現企業生產作業的一體化管理。

3.能源管理系統

能源管理系統能夠實現對企業作業能耗的管理，具體分為五個方面：

        用能實時監測。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測點的用能數據。通過對電、水、油等各類用能數據的分類分項計量，以及同、環、占比、排名、變化分析，可幫助企業掌握用能詳細數據和發現異常用能，使節能降耗活動有的放矢，有據可依。

        用能報表。可按照日/周/月/年/任意時段等多種時間單位，以及產品/工序/車間等多個分析維度進行用能的統計分析，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。系統可以將不同能源介質的使用量轉換成標準煤，形成企業的碳排放數據。可以按日、月統計，并具備同比、環比功能。系統內可對碳排放數據設置告警，可在碳排放超標前及時提醒企業采取相應措施。

        能源平衡。系統通過能流圖的形式直觀展示企業各類能源的使用方向，幫助企業管理者掌握企業對不同能源介質使用的平衡。

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

3 能耗監測與管理系統的實現

       （一）能耗監測和管理功能的實現能耗監測與管理功能依托ESP-ISYS平臺以及系統集成技術，以此構建智能化能耗綜合監測管理系統。本系統能夠實現對企業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，系統還能根據采集的生產數據、能耗信息進一步集成、管理關鍵能耗設備，以此優化設備能耗，提高能源使用效率。另外，本系統還能校正、診斷所采集的設備能耗數據，實時監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。一旦發現運行異常，便會開啟警報功能。本系統應用到企業生產作業中，能夠進一步幫助企業預測能源消耗，優化能源調配流程，實現對能源資源的集成管理和控制。

       （二）數據采集與自動化功能的實現

實現數據采集和自動化功能，核心依賴于系統的網絡結構。該結構采用三層交換技術來進行局域網絡的劃分。在這種架構中，核心層，也就是系統的管理層，主要基于工業級以太環網的設計理念來構建，具體框架如圖1所示。

         為了有效監控企業能耗設備的運行狀況，不僅要通過數據采集模塊同步收集能源使用數據，還需對關鍵能耗設備的環境質量安全數據、操作數據和生產數據進行詳細采集。為了提升數據采集系統的能力，在一些生產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在能耗監測與管理方面的效能。

（三）能源平衡和調度功能的實現

         為了有效利用能源平衡和調度功能，首先建立基于能耗數據采集與分析的框架。此外，系統中應整合一個優化的調度模型，進而能夠根據能耗采集數據對企業生產能耗進行預測。同時，再加入動態模擬算法，還能夠在預測能耗的基礎上實現對企業生產能耗的評估，并結合各設備運行的情況制定能源優化調度方案，從而幫助企業實現節能減排的建設目標。

4 安科瑞企業能源管控系統概述

        安科瑞企業能源管控系統采用自動化、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、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源分析、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 應用場所

        鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、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、木材、工業園區、醫院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業。

6 系統結構

        現場通過廠區局域網和平臺通訊，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聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

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

        網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，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構進行設計，詳細拓撲結構如下：

7 系統功能

         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。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

7.1平臺登錄

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

7.2用戶展示

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

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、分類能耗等企業級統計數據。

7.4數據監控

      對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

• 能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。

• 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、門禁水浸狀態及能耗數據。

• 實時統計：實時統計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

• 數據展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區域、不同設備的不同的能耗參數；

• 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，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，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、系統彈窗等報警提示；

7.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

7.6變壓器監控    

      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劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

7.7儀表實時監控

展示各個水電氣儀表的實時參數變化，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集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源，標煤排放等的情況。

7.9用能統計

從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、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、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，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。

7.1成本分析

統計各個監測節點（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產品單耗統計

      與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，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。

7.12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、要求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，評定能源消耗是否合理。

7.13運行監測

      系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，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，靈活生產各種報表，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。

7.15同比、環比

       提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環比

7.16分析報告       

      以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，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。

7.17能耗設備用能

監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

7.18線損分析

根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時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。

7.19碳排放管理

      按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。對單位產值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現超標預警，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。

7.20電能質量監測

實時監測諧波含量、三相不平衡度、功率因數等，確保功率因數不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現故障。

7.21運維管理

       系統支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。

7.22報警管理

      針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業提前預警，避免發生火災事故和被罰款導致用能成本過高。支持分級分類報警，可對報警進行派發與閉環處理。

7.23能耗抄表

可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。

7.24能耗分析自定義時間抄表

可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

7.25容需量報表

提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業實現容改需，降低基本電費。

7.26復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。

7.27文檔管理

對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統管理，支持文件的上傳和下載。

7.28 3D可視化大屏

對場景進行虛擬仿真，展示各區域運行及能源消耗情況，可實現分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監測點位的自定義綁定。

7.29 3D子系統

對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。

7.30工業組態

可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。

7.31自定義駕駛艙

       可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

7.32基礎數據管理

對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、能源、公示、及相關參數進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。

7.33手機APP

       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、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

7.34知識產權證書

8 系統硬件配置

9 結束語

      相較于發達國家，我國在企業生產能耗管理方面較為落后，在能耗監測與管理系統的建設方面仍不夠完善。在智能化工業的背景下，企業生產、管理均已朝著現代化的方向發展，智能化、自動化技術的應用效果愈發顯著，不僅能夠幫助企業降低生產成本，并且還能推動企業現代化管理的轉型。現階段，國內企業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。通過建立能耗監控和管理系統，企業能夠對關鍵能耗設備進行監控，對質量和環境數據進行分析，并利用能源調度與平衡功能，進一步優化能源利用效率，為企業后續生產制定可行的能源調度方案，這對于企業節能減排建設目標的實現有著重要意義。

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測與管理系統設計研究.

[2]安科瑞企業微電網設計與選型手冊.2022.05版.

[3]安科瑞企業能源管控平臺.2023.06版.