浅谈能源管理系统在电子厂房中的应用

摘要：以能耗管理系统在工业厂房的应用为例，介绍了系统架构及功能。重点分析能耗管理系统在工业厂房实施过程中遇到的难点，并对系统采集的数据进行分析，提出了相应的节能措施，帮助该业厂房达到节约能耗和运行费用的目的。

0引言

随着经济和社会的持续发展，节能成为关系企业生存与发展的重要因素。当前住房和城乡建设部正在建设国家机关办公建筑和大型公共建筑能源管理系统，为建筑节能的建设和发展提供了良好的数据平台。能源管理系统可以实现对能耗数据的采集、分析和远传。本文介绍该系统应用于某工业厂房的情况，将企业的生产管理、计量管理和节能管理提高到一个新的层次。

1项目简介

该工业厂房位于江苏省某市经济开发区，总建筑面积约为5.7万平方米，其中包括1号厂房，2号厂房和中央机房三个区域。1号厂房和2号厂房建筑面积均为26683平方米，厂房共三层，主要是LED芯片以及外延片的生产线和办公室，其中生产线为净化车间，有较高的恒温恒是要求。中央机房建筑面积约为4千平方米，包含所有冷站机组和服务器。目前1号厂房的能耗管理系统已经施工完毕并投入使用中，之后还会对中央机房及2号厂房进行节能监测。

2项目难点分析

根据对工业厂房项目的调研，以及用户对系统的要求，该项目主要有以下三个难点：

2.1在项目的实施过程中要尽可能利用工业厂房已有三相多功能电表，但根据计量需要，我们所加装的电表和工厂已有电表是不同通讯协议的不同种类电表，为满足工业厂房现有工作环境下传输的可靠性，底层数据采集无法通过以太网传输。如何设计一套既能实时采集数据，又具备高度可靠的传输性能的系统?

2.2由于管理人员要求对该厂进行分区域能耗监测管理，且用电量要以车间为单位进行核算，所以建筑区域的划分要以车间为*小单位。照明用电和动力用电在线路设计时就采用的每个车间单独设置计量电表的方式。但是暖通空调系统是根据净化和恒温恒湿要求设计一个空调机组的送风同时分配到多个车间进行空气调节，如何核定各车间的用电量?

2.3为了加强对能耗的管理，分析能耗使用情况，用户要求每月系统要生成节能报表，包括excel表格，柱状图，饼图和曲线图。

2.4由于工业厂房为商业用电，不同时段电价不同在仅知道用电量的情况下，管理者并不能很好的掌握具体费用，为了达到企业既节约能源又降低费用的目的，用户要求系统能有计费功能。为了解决用户的以上需求，我们在现有系统的基础上，又针对他们的特殊需求进行了开发。

3系统总体介绍

3.1系统架构设计

ezEMS能源管理系统(以下简根据称EMS系统)通过安装分类和分项能耗计量装置，采用远程传输等手段及时采集能耗数据，实现重点能耗的在线监测和动态分析功能。该系统由能源管理平台、采集设备、终端计量设备三部分组成。EMS系统是三层体系架构，第一层在需要进行分项计量的设备处安装多功能电表、气表、水表、热表；第二层用相应的能耗采集设备实现无人的、自动的能耗及相关数据的采集，为能源管理平台提供能耗分析的数据基础；第三层通过数据仓库的多维分析功能将采集器获取的能耗及相关数据以图、表等方展现给管理层，同时为管理层定期提供能耗分析报表。系统架构图见图1所示。

图1系统架构图

该项目原有品牌A三箱数字式多功能测控电表125块，电表支持Modbus协议。

通过调研，决定在现有电表的基础上对空调控温和空调加湿进行单独计量，共16个空调机组，用32块品牌B电表单独计量。如下图2所示，原有电表用5个Modbus网关进行数据采集，新装品牌B电表支持DL-T645协议，用3个645网关进行数据采集。8个网关将数据传输到工控机中的PCCAN,采用RS-485通信方式。综上所述，EMS系统支持不同协议的不同品牌电表，并提供了稳定、可靠的传输功能，这种高集成性有助于项目的顺利实施。

 

图2现场计量示意图

3.2能耗管理系统功能简介

EMS系统能对建筑设施整体能耗状况进行实施监测和细致化管理；将电力、水、冷/热量等多类能耗数据的透明化；为其他高级应用提供各类能耗的高精度数据；为建筑设施的节能改造提供依据；对建筑能耗总量进行统计和趋势分析；优化建筑能耗成本的结构。EMS系统通过采用实时能源监控、分户分项能源统计分析、重点能耗设备监控、能耗费率分析等多种手段，使管理者能能在监测能耗的基础上，对重点能耗部分进行节能改造或用电控制，从而起到节能作用。以下简要介绍EMS系统在该工业厂房项目上的六点功能。

(1)可自定义建筑结构

EMS系统将电表的数据划分到厂房的办公室、车间及其它公共区域，能够通过电量区域架构图清楚的看到每个区域的用电情况。根据调研发现净化空调的高效送风口均匀分布于厂区，所以根据空调送风口个数(即送风量)采用按比例折算的方式计算得到虚拟电表的电量。用这个办法将整个厂区按照生产车间进行了建筑区域细分，便于该厂对各个生产段进行用电计量。由于照明用电和动力用电均按车间单独计量，所以工业厂房的能耗分区实现了以车间为*小单位进行统计，以便管理者对各车间能耗成本比重和发展趋势有准确的掌握，制定有的放矢的节能策略，并将节能指标分解到各个部门，使节能工作责任明确。

(2)分析报表

为了方便用户掌握系统能耗特点，分析系统能耗规律，EMS系统可对能耗进行分项、分建筑区域以及分支路的统计，生成多种能耗统计报表，如：

分项能耗报表：系统根据建筑消耗各类能源的主要用途划分进行采集和整理的能耗数据，分为空调用电、动力用电、照明用电、特殊用电四大项。该报表又可逐层分解为十六小类以便将建筑能耗术语规范化，将用能系统各异的建筑能耗归一化，从而为管理者提供建筑能耗横向比较与分析的依据。

建筑区域能耗报表：基于对建筑区域的划分标准，该报表向高层管理人员提供各个区域逐时、逐日、逐月、逐年的统计，使管理者清晰地掌握各单位每月/季、年的用能量。

支路能耗报表：能够查看所有支路在各时段上的用电情况，为一下步的节能改造提供了重要的依据。

(3)能耗费用管理

能耗费用管理分为两个部分：第一部分定义能耗费用的计划名称、计划项目、地区名称以及开始/结束日期(如下图二所示);第二部分按照当地商业电价定义峰、平、谷三个不同时间段的电价(如下图三所示)。

能耗费用管理分为两个部分：第一部分定义能耗费用的计划名称、计划项目、地区名称以及开始/结束日期(如下图二所示);第二部分按照当地商业电价定义峰、平、谷三个不同时间段的电价(如下图四所示)。

 

图3能耗费用管理图                                                                                                                    4能耗费用详细信息管理

(4)底层设备配置管理

EMS系统丰富的表具类型支持和灵活的采集器管理可以满足各种用户需求，底层支持M-bus、MODBUS、DL-T645等常用协议的电表、水表、冷热量表，能够兼容目前市面上绝大部分计量表具。表具管理直观简单，回路名称、表具编号、所属采集器等信息能够在配置界面上详细的展现出来；每种表具所采集的数据种类可以灵活更改、配置。只要是表具支持并能够采集的数据，都可以直接在界面上增减、更改，配置换算比例。各种表具可以灵活的通过采集器管理和电表、水表、冷热量表管理进行分类、整理，并通过分项和建筑区域划分简单直观的将能耗在用户界面上表现出来。单个表具的能耗量还可以单独从支路能耗中去查询。

(5)用户权限管理

EMS系统将用户权限管理分为了用户管理和角色管理两个部分，使用时应先对角色进行定义，并为不同的角色分配对应的权限。如：

管理员角色：除基本功能外，可对其分配电度仪表管理，电建筑区域管理，用户权限管理等功能板块。

用户角色：只对其开放查看电能分析，水量分析，分析报表等基础功能，并且只有查看权利不能对其进行配置。之后还要进入用户管理界面为不同用户建立新的用户名、密码以及角色，这样不同的用户在使用时看到的界面就是其所需要的那部分功能，提高了EMS系统的安全性，也有利于管理人员对该系统进行统一的控制与维护。

(6)专家系统

系统定期将工厂能耗使用情况做出统计，并通过专家系统对该运行期间累计的大量数据进行仿真运算，以便获得节能量及节能收益数据，对能耗使用状况给予评价。让用户能及时发现潜在的能耗超标现象，及时制定调整措施。

4实际项目数据分析

通过一段时间的稳定运行，我们将采集到的数据进行了分析，得出该工业厂房目前的能耗情况：日平均总能耗为50000kWh(费用约为30000元),单位面积平均能耗1.9kWh/m2,。

本项目工业厂房实行的是三班制工作时间，工人轮流倒休，每天二十四小时生产线都会有生产活动，所以用电量每天变化都不大。如下图5所示为该工厂一周的用电情况，每日用电总量均在50000kWh上下波动，因此后续仅对单日能耗数据进行分析。

 

图5工厂日用电量累计图

分别从EMS系统中选取建筑区域电能分析饼图(下图6)和建筑区域电能分析曲线图(下图7)对其进行说明。1号厂房按建筑区域共分为十个大区域，分别为：外延一、外延二、芯片前、芯片后、QC、技术中心、厂区照明、厂务、办公室、消防。其中外延一、外延二及厂务用电量较大，达到总用电量的75%,这三个区域建筑面积之和占总建筑面积的40%。因此外延和厂务工艺用能是工业厂房的能耗大户和节能重点，管理人员在以后的节能工作中可以从这三个区域入手，进行用能控制或能耗改造，从而达到节能降耗的目的。

从建筑区域电能分析曲线图可以看出12:00-16:00和18:00-20:00为能耗高峰期，根据上述该市商业电价可以看出12:00-16:00电价为0.667元/kWh,18:00-20:00电价为1.112元/kWh。根据图8给出的数据进行计算可得高峰期用电总费用为14779.46元，建议将能耗大的工序调至夜班零点到早上七点，若做次调整总电费降为5661.37元，节约电费9118.09元，可以节约电费约30%。针对以上用能情况该系统定期将分析报表发送给工厂管理层，他们采纳了我们的节能建议，在未做任何节能改造的前提下，仅对工业流程进行了调整，便节省了大量运行费用，取得了显著成效。

 

图6建筑区域电能分析饼图 

 

图7建筑区域电能分析曲线

 

图8高峰期用电量统计

5AcrelEMS-SEMI电子厂房能效管理平台

5.1平台概述

AcrelEMS-SEMI电子厂房能效管理平台集变电站综合自动化、电力监控、电能质量分析及治理、电气安全、能耗分析、照明控制、设备运维于一体，为建立可靠、安全、高效的工厂能源管理体系提供数据支持。同时引入先进技术，配合厂务系统优化，简化全厂管理，并利用实时数据，优化能效并预防风险，保障关键制造设备的稳定运行和良品率，降低综合成本，*终达到高效运营和卓越制造的目的。

5.2平台组成

安科瑞AcrelEMS-SEMI电子厂房管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了电力监控系统、变电所综合自动化、电能质量监测与治理、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、消防应急照明和疏散指示系统、智能照明控制系统、能耗监测系统、新能源充电桩、预付费系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对电子厂房的用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足厂房用电可靠、安全、稳定、高效、有序的要求。

 

5.3平台拓扑图

6平台子系统

6.1电力监控

电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。

 

6.2电能质量监测与治理

监测各进线回路电能质量，包括电压暂降、谐波畸变、闪变等数据波形记录，进而判断配电系统扰动方向。

配置有源滤波装置和无功补偿装置对0.4kV侧电能质量进行补偿和治理，并监测有源滤波装置和无功补偿装置运行情况，确保电能质量符合生产要求。

 

 

 

6.3变电站综合自动化

变电站综合自动化系统主要针对110kV变电站、10kV变电所和10kV柴油发电机部分，在变电站设置Acrel-1000变电站综合自动化系统子站，实现本地遥测、遥信、遥控、报警、报表等功能，并把数据上传至AcrelEMS-SEMI能效管理平台，实现集中监测和报警。

 

6.4电气安全

AcrelEMS电子厂房能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。

 

6.5智能照明控制

单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式。

 

6.6能耗分析

AcrelEMS电子厂房能效管理系统为工厂搭建计量体系，显示能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助企业分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。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、数字表等方式对工厂用能统计、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。

 

6.7充电桩管理

电动汽车和电瓶车充电桩管理，包括收费管理、资产管理。

 

6.8职工公寓管理

对厂区内职工宿舍进行负载管理，包括恶性负载识别管理、负载阈值管理，避免因为恶性负载引起火灾。对员工宿舍进行水电收费管理，支持微信、支付宝等缴费方式，采集职工宿舍能耗数据。

 

7相关平台部署硬件选型清单

7.1电力监控系统硬件配置

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2能耗管理系统硬件配置方案

 

 

 

 

 

7.3智能照明控制系统硬件配置方案

 

 

 

 

 

7.5消防设备电源监控系统硬件配置方案

 

7.6防火门监控系统硬件配置方案

 

7.7消防应急照明和疏散指示系统硬件配置方案

 

 

 

 

7.8电能质量治理解决方案硬件配置方案

 

 

 

7.9充电桩系统硬件配置方案

 

 

7.10预付费系统硬件配置方案

 

 

 

 

8结束语

如上所述，EMS能耗管理系统是节能工作中的一个重要手段。本工业厂房通过能源管理系统获得了数据，对这些数据进行分析，并可做出相应的节能措施，达到节约能耗和运行费用的目的。

实践证明，节能是一个不断循环、不断反馈、不断优化的过程，能耗管理系统的运用为节能工作搭建了一个很好的平台，能有效支撑合同能源管理项的发展。

参考文献

[1]孙雅佩.能源管理系统在工业厂房中的应用.

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

审核编辑 黄宇