浅谈智能化背景下用能单位能耗监测与管理系统设计研究

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引言:21世纪以来,我国经济水平逐步迈入世界前列,但企业生产过程中仍存在高能耗、低效率的问题,掣肘企业经济发展的同时,也为我国“双碳”政策的推进造成了阻碍,在很大程度上制约了我国的经济发展。本研究立足于节能减排发展战略,设计了一套针对用能单位的能耗监测与管理系统,以期能够通过该系统提高企业用能效率。建设企业能源管理系统不仅能够满足公司当前对能源管理的需求,而且能够随企业的持续发展而拓展。该系统的应用可显著减少企业在能源消耗方面的数据统计、表格维护、报告编制和数据处理等的成本。该系统通过在线分析监测数据,支持企业实时监控能源消耗,进行统计和深入预测。这不仅为企业在节能减排和持续改进方面提供了可靠的数据基础,而且还强化了决策制定过程的有效性。

作者介绍:

曹华伟,男,现任职于安科瑞电气股份有限公司

Tel:137/7441/3253(V同号)

1 系统设计目标

(一)根据能耗数据实时自动采集,实现数字化能源管理基于智能多功能电力测控终端,帮助企业实现能耗数据的自动采集和网络传输,实现全厂区的用电监测等。

       (二)搭建企业智慧用能管理平台,实现精细化管理基于上传的多时间尺度、多参数维度用能数据,该系统帮助企业搭建智慧用能管理平台,实现能耗数据自动报表统计,用能结构、用能趋势的可视化分析,用能实时监测及告警,安全、节能、降费优化建议与报告管理等,促进企业用能管理水平、管理效率的提升。

       (三)实现产量能耗监测评估,助力企业降低单耗单品能耗可直接反映企业生产工艺、生产效率情况,对同一产品不同生产车间、生产线进行单位能耗统计与分析,有助于企业找出生产差异。

       (四)实现企业用能安全、节能、降费的管控及优化目标基于智慧用能管理平台的数据分析结果,发现企业在安全、节能、降费3个层面的管控需求及优化空间,并分别为企业提供配用电系统智能运维、配用电系统智能节电、基本电费优化等解决方案,帮助企业实现用能优化,收获优化效益。

2 能耗监测与管理系统的设计

(一)系统设计思路

        智能能源管理系统的构成包括几个关键组件:监控中心负责整体监管,主干通信网络确保系统内部信息流畅传输,现场监控网络实现现场数据的实时采集,多种智能计量设备用于测量和记录能源使用,以及网络控制器是连接第三方智能计量设备的关键接口。从安全用能、用能管理自动化、能耗监测与计量、能效提升、用能质量监测、智能设备管理角度出发进行系统化设计,具体思路共分为如下6点:

充分结合公司目前现状及能源管理的特点,设计出科学、完善合理、功能齐全、可实施性强的能源管理平台技术方案;

根据能耗情况,以最终实现集水、电为一体的能源监控系统;

该系统使得能源使用能够在真实时间内进行在线监测,为能源管理人员提供了多级管理权限。这样,他们可以在任何时间、任何地点,实时查询能耗数据和状态;

充分体现效益,体现管理节能、技术节能的综合效益;

为制定能源政策提供详实的依据,以实现资源的科学管理、科学利用的目标;

根据各个配电室、监控中心、检测点之间的位置提供合适的通信方式及网线连接方案。

(二)系统功能设计

1.能源采集数据网络

       能源数据采集网络具有3大特点,即可靠性、冗余性以及可行性,以此实现对企业电、水、油、气等能源消耗数据的采集,通过构建能源数据网络,能够帮助企业实现能流高度集成控制,提高能源利用效率。

2.能源监测系统

       能源监控系统设计用于收集耗能设备的多种信息,包括但不限于设备的质量安全环保指标、生产核心指标和能源质量参数等,涵盖了一些关键的数据点。这个系统具备多种功能,不仅能实时监测设备的运行状态,还能分析能耗的历史趋势和模式,实时监控能耗情况,通过与生产管理系统的有机结合,实现企业生产作业的一体化管理。

3.能源管理系统

能源管理系统能够实现对企业作业能耗的管理,具体分为五个方面:

       用能实时监测。平台提供强大的用能分析功能,可在线查看图形化展示的各监测点的用能数据。通过对电、水、油等各类用能数据的分类分项计量,以及同、环、占比、排名、变化分析,可帮助企业掌握用能详细数据和发现异常用能,使节能降耗活动有的放矢,有据可依。

       用能报表。可按照日/周/月/年/任意时段等多种时间单位,以及产品/工序/车间等多个分析维度进行用能的统计分析,形成不同时间尺度下的用能报表,并能支持Excel格式下载。

       碳排放计算。系统可以将不同能源介质的使用量转换成标准煤,形成企业的碳排放数据。可以按日、月统计,并具备同比、环比功能。系统内可对碳排放数据设置告警,可在碳排放超标前及时提醒企业采取相应措施。

       能源平衡。系统通过能流图的形式直观展示企业各类能源的使用方向,帮助企业管理者掌握企业对不同能源介质使用的平衡。

       电费分析。系统可按照电网公司计费方式,每个月自动生成企业的电费分析报告,分析企业各项电费占比及用电合理性。系统通过智能分析,向用户建议更经济的电费报装方式,节省电费。同时,系统实时采集计算用户月度平均功率因数,可以设定阀值,自动提醒用户及时处理功率因数不达标问题,避免罚款。

3 能耗监测与管理系统的实现

      (一)能耗监测和管理功能的实现能耗监测与管理功能依托ESP-ISYS平台以及系统集成技术,以此构建智能化能耗综合监测管理系统。本系统能够实现对企业能耗设备及设备相关信息的全范围采集,如设备信息、设备耗电情况、设备耗电预测等。同时,系统还能根据采集的生产数据、能耗信息进一步集成、管理关键能耗设备,以此优化设备能耗,提高能源使用效率。另外,本系统还能校正、诊断所采集的设备能耗数据,实时监控各能耗设备的运行情况,并对这些设备进行周期性故障诊断。一旦发现运行异常,便会开启警报功能。本系统应用到企业生产作业中,能够进一步帮助企业预测能源消耗,优化能源调配流程,实现对能源资源的集成管理和控制。

      (二)数据采集与自动化功能的实现

实现数据采集和自动化功能,核心依赖于系统的网络结构。该结构采用三层交换技术来进行局域网络的划分。在这种架构中,核心层,也就是系统的管理层,主要基于工业级以太环网的设计理念来构建,具体框架如图所示。

能耗

为了有效监控企业能耗设备的运行状况,不仅要通过数据采集模块同步收集能源使用数据,还需对关键能耗设备的环境质量安全数据、操作数据和生产数据进行详细采集。为了提升数据采集系统的能力,在一些生产设备的回路上安装计量仪表,并对那些无通信接口的计量仪表进行升级改造,以增加计量仪表的覆盖率。这些措施将促进系统在能耗监测与管理方面的效能。

(三)能源平衡和调度功能的实现

        为了有效利用能源平衡和调度功能,首先建立基于能耗数据采集与分析的框架。此外,系统中应整合一个优化的调度模型,进而能够根据能耗采集数据对企业生产能耗进行预测。同时,再加入动态模拟算法,还能够在预测能耗的基础上实现对企业生产能耗成本的评估,并结合各设备运行的情况制定能源优化调度方案,从而帮助企业实现节能减排的建设目标。

4 安科瑞企业能源管控系统概述

       安科瑞企业能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式,对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理,监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况,通过数据分析、挖掘和趋势分析,帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析,为企业加强能源管理,提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

5 应用场所

       钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。

6 系统结构

       现场通过厂区局域网和平台通讯,平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后,客户可以在任意能与局域网联通的地方,通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

系统可分为三层:即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

       现场设备层:主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等,也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任,这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

       网络通讯层:包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据,并可进行规约转换,数据存储,并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器,智能网关可在网络故障时将数据存储在本地,待网络恢复时从中断的位置继续上传数据,保证服务器端数据不丢失。

平台管理层:包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器,一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

平台采用分层分布式结构进行设计,详细拓扑结构如下:

能耗

7 系统功能

         平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式,对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况,通过数据分析、挖掘和趋势分析,帮助企业加强能源管理,提高能源利用效率和节能潜力,为节能改造提供数据依据。

7.1平台登录

在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码,进行登录,防止未授权人员浏览有关信息。

 

7.2用户展示

用户登录成功之后进入大屏展示页面,展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况,点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

能耗

7.3首页

首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

能耗

7.4数据监控

      对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况,同时能更快的掌握点位的报警,并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

  能源实时监控:对于水、电、气等能源消耗进行实时监测,确保用能环节的持续稳定运行,显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。

能流图:需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示;当能源参数越限报警,可提供报警重要性等级分类,同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等;

配电图:将配电房真实情况画入配电图,实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。

实时统计:实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值;

数据展示:通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数;

检测:对能源报警信息进行集中显示,可以对报警阈值信息进行相关处理操作,可以对报警参数进行在线设置,当能源参数越限报警,可提供报警重要性等级分类,具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示;

能耗

7.5视频监控

接入摄像头,实时掌控企业内实际情况。

能耗

7.6变压器监控    

      展示各电压器的负载情况,从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析,找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载,从而降低用电单耗,使电能损失降低。

能耗

7.7仪表实时监控

展示各个水电气仪表的实时参数变化,以曲线图的方式展示。

能耗

7.8能源中控        

     将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中,能从多个维度对比分析,实现各个产业线的对比,帮助领导掌控整个工厂的能源消耗,能源成本,标煤排放等的情况。

能耗

7.9用能统计

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、数字表等方式对企业用能统计、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。

能耗

7.10成本分析

统计各个监测节点(工厂、车间)的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用,其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

能耗

7.11产品单耗统计

      与企业MES系统对接,通过产品产量以及系统采集的能耗数据,在产品单耗中生成产品单耗趋势图,并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标,以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺,从而降低能耗。

能耗

7.12绩效分析

      对各类能源使用、消耗、转换,按班组、区域、车间,产线、工段、设备等进行日、周、月、年、要求时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核,帮助企业了解内部能效水平和节能潜力,评定能源消耗是否合理。

能耗

7.13运行监测

      系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集,监测设备及工艺运行状态,如温度、湿度、流量、压力、速度等,并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据,支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

能耗

7.14自定义能耗报表

用户可通过自定义报表头与列,灵活生产各种报表,查看企业各个节点的能耗,单耗,成本,综合能耗等信息,并同比、环比报表,支持导出报表。

能耗

8 系统硬件配置

能耗

作者介绍:

曹华伟,男,现任职于安科瑞电气股份有限公司

Tel:137/7441/3253(V同号)

9 结束语

      相较于发达国家,我国在企业生产能耗管理方面较为落后,在能耗监测与管理系统的建设方面仍不够完善。在智能化工业的背景下,企业生产、管理均已朝着现代化的方向发展,智能化、自动化技术的应用效果愈发显著,不仅能够帮助企业降低生产成本,并且还能推动企业现代化管理的转型。现阶段,国内企业在能耗管理方面的研究逐渐增多,并取得了较为理想的效果,企业在降低高能耗和提升收益方面已取得初步的进展。通过建立能耗监控和管理系统,企业能够对关键能耗设备进行监控,对质量和环境数据进行分析,并利用能源调度与平衡功能,进一步优化能源利用效率,为企业后续生产制定可行的能源调度方案,这对于企业节能减排建设目标的实现有着重要意义。

参考文献

[1]杜彩文,陈勇,张宣,陈静.智能化背景下用能单位能耗监测与管理系统设计研究.

[2]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.

[3]安科瑞企业能源管控平台.2023.06版.

审核编辑 黄宇

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