淺談工業企業能耗在線監測系統的研究與應用

李明君

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

摘 要：圍繞重點用能單位能耗在線監測系統建設工作，文中介紹了系統的建設背景和主要內容，分析了工業企業實現能耗數據在線采集、實時監測的總體技術路線和方法建議，提出了通用技術要求。

關鍵詞：工業企業；能耗在線監；系統建設；通用技術

0、引 言

隨著節能工作向系統化、精細化、信息化方向發展，節能領域運用物聯網、大數據等信息技術手段深挖、細挖節能潛力成為必然趨勢。為此，國家從“十二五”開始建設覆蓋全國一萬多家重點用能單位的能耗在線監測系統。通過該系統，可以準確、及時地掌握全國和分地區、分行業能源消費總量及其構成，提高節能宏觀調控的針對性和有效性。建設能耗在線監測系統，是推進能源生產和消費革命、深化創新節能工作的必然選擇，是企業進一步挖掘節能潛力、提高能源管理精細化水平的客觀需要，也有利于培育和發展節能環保戰略性新興產業，促進經濟結構轉型升級。

1、能耗在線監測系統建設的有關背景

“十一五”期間，國家建立了重點用能單位能源利用狀況報告制度，對重點用能單位能源利用狀況實行年度管理。2011年，國家發展改革委、教育部、工業和信息化部、財政部等十二部門聯合發布《萬家企業節能低碳行動實施方案》,提出要建立萬家企業能源利用狀況在線監測系統。2012年，《國務院關于印發節能減排“十二五”規劃的通知》則進一步提出開展重點用能單位能耗在線監測體系建設試點工作。從2014年下半年開始，國家組織開展能耗在線監測試點，選取北京、河南、陜西3個省市的電力、鋼鐵、石油石化3個行業的部分重點用能單位開展試點。2015年以后，國家對能耗在線監測系統建設提出了新的要求，在《關于加快推進生態文明建設的意見》、“十三五”規劃《綱要》、《“十三五”節能減排綜合工作方案》等文件中再次提出了建設能耗在線監測系統的明確要求。2017年，國家發展改革委、原質檢總局聯合印發《重點用能單位能耗在線監測系統推廣建設工作方案》,明確要求在試點基礎上推進能耗在線監測系統建設，到“十三五”末期，基本建成連接各省(區、市)重點用能單位、相關部門和行業數據共享的能耗監測系統，為政府部門統籌能源發展與生態文明建設、強化能源消費總量與強度“雙控”提供支撐，為重點用能單位提質降本增效提供服務。

2、能耗在線監測系統的建設內容

能耗在線監測系統主要包括三部分建設內容：一是建設省級平臺。省級平臺是監測系統的區域性公共服務平臺，部署在各省(區、市)電子政務外網和互聯網，支持接入市級平臺數據，至少應達到國家信息安全等級保護二級的要求。省級平臺由省級節能主管部門、質監部門負責建設，要優先使用政務云等計算資源，符合國家對政務信息系統整合共享的工作要求。二是對接國家平臺。各省級平臺要按照統一的技術標準，將監測數據上傳到國家平臺。國家平臺部署在國家電子政務外網和互聯網，由國家發展改革委負責建設，主要功能是接入、匯總、分析各省級平臺或重點用能單位直接上傳的數據，為能源消費總量與強度“雙控”及重點用能單位節能管理等工作提供支持。三是建設重點用能單位接入端系統。重點用能單位接入端系統部署在重點用能單位內部，由重點用能單位負責建設。主要功能是，通過計量儀表、工控系統等采集、匯總本單位能耗數據，將數據上傳至省級平臺，或直接上傳至國家平臺。

3、能耗在線監測系統的總體技術路線

3.1 總體技術路線

能耗在線監測系統采用“國家平臺+省級平臺+重點用能單位端系統”的架構和技術路線(見圖1),為各部委、各級節能主管部門和質監部門、重點用能單位等用戶提供不同層次的服務。重點用能單位需按照《用能單位能源計量器具配置和管理通則》(GB17167)配備計量儀表。

圖1 能耗在線監測系統技術路線

國家平臺部署在國家電子政務外網和互聯網，由國家發展改革委負責建設，主要功能是接入、匯總、分析各省級平臺或重點用能單位直接上傳的數據，為能源消費總量與強度“雙控”及重點用能單位節能管理等工作提供支持。國家平臺達到國家信息安全等級保護三級要求，可以為相關部門提供數據接口，實現信息共享。

省級平臺是監測系統的區域性公共服務平臺，部署在各省(區、市)電子政務外網和互聯網，支持接入市級平臺數據，至少應達到國家信息安全等級保護二級的要求。省級平臺由省級節能主管部門、質監部門負責建設，優先使用政務云等計算資源。主要是接收本區域內重點用能單位上傳的數據，整合能源供應單位、其他行業節能主管部門系統，按統一的技術標準與國家平臺進行數據對接，為本省節能主管部門、質監、住建、交通等相關部門以及重點用能單位等提供支持服務。

重點用能單位端系統一般由能耗在線監測端設備、計量器具、工業控制系統、生產監控管理系統、管理信息系統、通信網絡及相應的管理軟件等組成，部署在重點用能單位內部，由重點用能單位負責建設，主要為用能單位提供能源管理服務。重點用能單位端系統通過互聯網或傳輸專線等方式將采集到的數據上傳至省級平臺，再由省級平臺經電子政務外網上傳國家平臺。

3.2 技術方法建議

(1)完善能源計量器具配備

企業依法配備能源計量器具，并定期檢定或校準，能源計量器具應滿足數據采集接口要求。進出用能單位(一級)和進出主要次級用能單位(二級)計量器具配備率和在線率達到100%;企業根據重點耗能設備或工序的能耗情況和儀表安裝的可行性，完善主要用能設備(三級)計量器具配備。計量器具配備率和準確度等級達到《用能單位能源計量器具配備和管理通則》(GB17176)的要求。

(2)部署完善能源數據采集網絡

開展能源計量儀表(含新增、改造及已有儀表)現場數據采集系統的適應性接入改造，基于已有自動化系統(DCS、PLC及電力綜保系統等),完善現場數據采集網絡和工業主干網絡，在滿足安全性和隔離性技術要求下，實現能源計量數據、能源系統操作和質量數據、關鍵生產數據集中統一采集到能耗在線監測端設備。

(3)開發能耗在線監測系統軟硬件系統

企業能源管理中心信息系統分為三層：數據采集層、數據應用層和人機交互層。數據采集層由企業交互終端和數據采集機(如有必要)組成，企業交互終端內置控制器及智能儀表標準協議，可與****品牌的控制器和智能儀表實現組態配置通訊接口，內置實時數據庫，用于暫存關鍵數據；內置OPC接口，便于與第三方控制系統或信息系統通訊。企業如果有特殊需要，也可以添置數據采集機，采集機須預置與生產現場智能儀表、PLC和DCS等現場測量和控制裝置的通訊協議，以便于相關數據的采集；數據應用層由多臺服務器組成，服務器用于存儲數據、存儲和運行模型庫(數據和數據的固有關系)、存儲定制的人機交互界面等；人機交互層，該層由多種形式的人機交互設備組成，可以是大屏幕顯示器、PC機或移動終端等，這些設備應方便生產管理人員使用能源管理中心信息系統的各項功能。

(4)部署能源集中監控平臺

基于實時數據庫和監控圖組態系統，建設監控系統。實現對各級(集團、分廠、車間、重要耗能設備)多種能源介質(煤、電、蒸汽、水、燃料氣、氮氣等)產、存、耗全過程的實時監控，掌握其歷史和實時趨勢。實時記錄能源系統事件，實時掌握能源使用消耗情況，實現對各類產能、供能和用能過程及設備的實時監控、異常報警和分析管理。對重點耗能設備(變壓器、鍋爐、加熱爐、汽機、風機、空壓機、泵等)進行能效實時計算與監控，實時監控與優化設備的能源利用率、設備運行與生產負荷之間的匹配度。通過綜合監控系統，建設集團、分廠、車間、重要耗能設備四級能源監控系統。

(5)健全管理制度

企業根據生產過程和能量系統特點，制定切合實際的能耗在線監測制度，充分發揮能耗在線監測系統的作用。企業需將能源管理工作提升到與產品質量管理和產量管理同等高度，針對不同產品和不同重點耗能設備或工序，制定能耗預警指標體系；制定節能優化生產操作指南。基于能源管理信息系統分析工具，制定持續改進的節能工作方案，實施在線能效績效考核管理，落實節能獎懲制度。

4、工業企業能耗在線監測系統建設通用技術要求

能耗在線監測端系統部署在重點用能單位內部，主要功能是通過計量儀表、工業控制系統等采集、匯總本單位能耗數據，將數據上傳至省級平臺，或直接上傳至國家平臺。能耗在線監測端系統要通過網閘、防火墻、隔離等安全措施，確保內部系統安全和數據安全；要具備遠程升級維保、一端多傳、接收國家和省級平臺推送信息和用能單位自身能源管理所需的功能。

端系統的核心是能耗在線監測端設備，是重點用能單位的信息節點。重點用能單位管理信息系統、生產執行系統、儀表中的能耗相關數據通過有線或無線網絡的方式，傳輸到能耗在線監測端設備。能耗在線監測端設備對采集到的數據進行統計匯總，經驗證、篩選、整理打包后，采用HT-TPS進行通道保護傳送至上級系統應用平臺。能耗在線監測端設備在接入互聯網之前應采用防火墻隔離可能來自互聯網的網絡攻擊，可選硬件或軟件防火墻。用能單位當前未配置硬件防火墻時，需配置硬件防火墻。

能耗監測端設備作為連接用能單位生產控制網絡與辦公網絡、互聯網的關鍵節點設備，須保障數據傳遞的安全隔離，即能耗監測端設備數據接入端和數據發送端之間的物理隔離和邏輯隔離，數據接入端網絡和數據發送端網絡之間的數據交換，只能通過配置的數據，其他數據都被**過濾無法通過。

能耗監測端設備需采用“2+1”架構設計，以雙主機加專用隔離部件的方式組成，即由內網主機、外網主機、安全隔離數據交互單元三部分組成。用于連接生產控制網絡數據輸出系統主機(如生產過程控制系統、配電自動化系統、企業生產自動化系統等)網絡與企業辦公網絡，實現兩個網絡之間的數據傳遞、安全隔離、信息流訪問控制、內容過濾和信息交換等。能耗監測端設備中的內、外部主機通過安全隔離數據交互單元連接(由專用隔離部件構成),安全隔離數據交互單元是兩個網絡之間的可信物理信道。該內部信道裁剪了TCP/IP等功能網絡協議棧，采用私有協議實現協議隔離。對于用能單位能耗數據的采集與遠傳，屬于安全性要求較高而實時性要求相對較低的應用場合，安全隔離數據交互單元還將采用一組互斥的分時切換電子開關實現內部物理信道的通斷控制，以分時切換連接方式完成信息擺渡，從而在兩個網絡之間形成一個不存在實時物理連接的隔離區。

5、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、能源成本分析、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。

6、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。

7、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：

8、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。

8.1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。

8.2大屏展示

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。

8.3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。

8.4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；

8.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

8.6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。

8.7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。

8.8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，能源成本，標煤排放等的情況。

8.9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。

8.19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。

8.11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。

8.12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、**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。

8.13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。

8.14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。

8.15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

8.16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。

8.17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。

8.18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。

8.19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。

8.20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。

8.21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。

8.22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。

8.23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。

8.24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。

8.25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。

8.26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。

8.27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。

8.28 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。

8.29 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。

8.30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。

8.31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。

8.32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。

8.33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。

8.34知識產權證書

9、系統硬件配置

參考文獻

[1]劉永光.能耗在線監測項目建設技術方案研究[J]建筑技術開發，2020(2):146-147

[2]楊紹鵬.王璐.時希杰.工業企業能耗在線監測通用技術研究[J].應用能源技術，2021(8):38-41.

[3]安科瑞企業微電網設計與選型手冊.2022.05版.

[4]安科瑞企業能源管控平臺.2020.08版.

作者簡介：李明君，男，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要研究方向為工業能源管理系統。