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浅谈工业企业能耗在线监测系统的研究与应用

浏览次数：826次   更新时间：2024-11-28 14:32:21

摘 要：围绕重点用能单位能耗在线监测系统建设工作，文中介绍了系统的建设背景和主要内容，分析了工业企业实现能耗数据在线采集、实时监测的总体技术路线和方法建议，提出了通用技术要求。

关键词：工业企业；能耗在线监；系统建设；通用技术

0、引 言

随着节能工作向系统化、精细化、信息化方向发展，节能领域运用物联网、大数据等信息技术手段深挖、细挖节能潜力成为必然趋势。为此，国家从“十二五”开始建设覆盖全国一万多家重点用能单位的能耗在线监测系统。通过该系统，可以准确、及时地掌握全国和分地区、分行业能源消费总量及其构成，提高节能宏观调控的针对性和有效性。建设能耗在线监测系统，是推进能源生产和消费革命、深化创新节能工作的必然选择，是企业进一步挖掘节能潜力、提高能源管理精细化水平的客观需要，也有利于培育和发展节能环保战略性新兴产业，促进经济结构转型升级。

1、能耗在线监测系统建设的有关背景

“十一五”期间，国家建立了重点用能单位能源利用状况报告制度，对重点用能单位能源利用状况实行年度管理。2011年，国家发展改革委、教育部、工业和信息化部、财政部等十二部门联合发布《万家企业节能低碳行动实施方案》,提出要建立万家企业能源利用状况在线监测系统。2012年，《国务院关于印发节能减排“十二五”规划的通知》则进一步提出开展重点用能单位能耗在线监测体系建设试点工作。从2014年下半年开始，国家组织开展能耗在线监测试点，选取北京、河南、陕西3个省市的电力、钢铁、石油石化3个行业的部分重点用能单位开展试点。2015年以后，国家对能耗在线监测系统建设提出了新的要求，在《关于加快推进生态文明建设的意见》、“十三五”规划《纲要》、《“十三五”节能减排综合工作方案》等文件中再次提出了建设能耗在线监测系统的明确要求。2017年，国家发展改革委、原质检总局联合印发《重点用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方案》,明确要求在试点基础上推进能耗在线监测系统建设，到“十三五”末期，基本建成连接各省(区、市)重点用能单位、相关部门和行业数据共享的能耗监测系统，为政府部门统筹能源发展与生态文明建设、强化能源消费总量与强度“双控”提供支撑，为重点用能单位提质降本增效提供服务。

2、能耗在线监测系统的建设内容

能耗在线监测系统主要包括三部分建设内容：一是建设省级平台。省级平台是监测系统的区域性公共服务平台，部署在各省(区、市)电子政务外网和互联网，支持接入市级平台数据，至少应达到国家信息安全等级保护二级的要求。省级平台由省级节能主管部门、质监部门负责建设，要优先使用政务云等计算资源，符合国家对政务信息系统整合共享的工作要求。二是对接国家平台。各省级平台要按照统一的技术标准，将监测数据上传到国家平台。国家平台部署在国家电子政务外网和互联网，由国家发展改革委负责建设，主要功能是接入、汇总、分析各省级平台或重点用能单位直接上传的数据，为能源消费总量与强度“双控”及重点用能单位节能管理等工作提供支持。三是建设重点用能单位接入端系统。重点用能单位接入端系统部署在重点用能单位内部，由重点用能单位负责建设。主要功能是，通过计量仪表、工控系统等采集、汇总本单位能耗数据，将数据上传至省级平台，或直接上传至国家平台。

3、能耗在线监测系统的总体技术路线

3.1 总体技术路线

能耗在线监测系统采用“国家平台+省级平台+重点用能单位端系统”的架构和技术路线(见图1),为各部委、各级节能主管部门和质监部门、重点用能单位等用户提供不同层次的服务。重点用能单位需按照《用能单位能源计量器具配置和管理通则》(GB17167)配备计量仪表。

图1 能耗在线监测系统技术路线

国家平台部署在国家电子政务外网和互联网，由国家发展改革委负责建设，主要功能是接入、汇总、分析各省级平台或重点用能单位直接上传的数据，为能源消费总量与强度“双控”及重点用能单位节能管理等工作提供支持。国家平台达到国家信息安全等级保护三级要求，可以为相关部门提供数据接口，实现信息共享。

省级平台是监测系统的区域性公共服务平台，部署在各省(区、市)电子政务外网和互联网，支持接入市级平台数据，至少应达到国家信息安全等级保护二级的要求。省级平台由省级节能主管部门、质监部门负责建设，优先使用政务云等计算资源。主要是接收本区域内重点用能单位上传的数据，整合能源供应单位、其他行业节能主管部门系统，按统一的技术标准与国家平台进行数据对接，为本省节能主管部门、质监、住建、交通等相关部门以及重点用能单位等提供支持服务。

重点用能单位端系统一般由能耗在线监测端设备、计量器具、工业控制系统、生产监控管理系统、管理信息系统、通信网络及相应的管理软件等组成，部署在重点用能单位内部，由重点用能单位负责建设，主要为用能单位提供能源管理服务。重点用能单位端系统通过互联网或传输专线等方式将采集到的数据上传至省级平台，再由省级平台经电子政务外网上传国家平台。

3.2 技术方法建议

(1)完善能源计量器具配备

企业依法配备能源计量器具，并定期检定或校准，能源计量器具应满足数据采集接口要求。进出用能单位(一级)和进出主要次级用能单位(二级)计量器具配备率和在线率达到100%;企业根据重点耗能设备或工序的能耗情况和仪表安装的可行性，完善主要用能设备(三级)计量器具配备。计量器具配备率和准确度等级达到《用能单位能源计量器具配备和管理通则》(GB17176)的要求。

(2)部署完善能源数据采集网络

开展能源计量仪表(含新增、改造及已有仪表)现场数据采集系统的适应性接入改造，基于已有自动化系统(DCS、PLC及电力综保系统等),完善现场数据采集网络和工业主干网络，在满足安全性和隔离性技术要求下，实现能源计量数据、能源系统操作和质量数据、关键生产数据集中统一采集到能耗在线监测端设备。

(3)开发能耗在线监测系统软硬件系统

企业能源管理中心信息系统分为三层：数据采集层、数据应用层和人机交互层。数据采集层由企业交互终端和数据采集机(如有必要)组成，企业交互终端内置控制器及智能仪表标准协议，可与全球知名品牌的控制器和智能仪表实现组态配置通讯接口，内置实时数据库，用于暂存关键数据；内置OPC接口，便于与第三方控制系统或信息系统通讯。企业如果有特殊需要，也可以添置数据采集机，采集机须预置与生产现场智能仪表、PLC和DCS等现场测量和控制装置的通讯协议，以便于相关数据的采集；数据应用层由多台服务器组成，服务器用于存储数据、存储和运行模型库(数据和数据的固有关系)、存储定制的人机交互界面等；人机交互层，该层由多种形式的人机交互设备组成，可以是大屏幕显示器、PC机或移动终端等，这些设备应方便生产管理人员使用能源管理中心信息系统的各项功能。

(4)部署能源集中监控平台

基于实时数据库和监控图组态系统，建设监控系统。实现对各级(集团、分厂、车间、重要耗能设备)多种能源介质(煤、电、蒸汽、水、燃料气、氮气等)产、存、耗全过程的实时监控，掌握其历史和实时趋势。实时记录能源系统事件，实时掌握能源使用消耗情况，实现对各类产能、供能和用能过程及设备的实时监控、异常报警和分析管理。对重点耗能设备(变压器、锅炉、加热炉、汽机、风机、空压机、泵等)进行能效实时计算与监控，实时监控与优化设备的能源利用率、设备运行与生产负荷之间的匹配度。通过综合监控系统，建设集团、分厂、车间、重要耗能设备四级能源监控系统。

(5)健全管理制度

企业根据生产过程和能量系统特点，制定切合实际的能耗在线监测制度，充分发挥能耗在线监测系统的作用。企业需将能源管理工作提升到与产品质量管理和产量管理同等高度，针对不同产品和不同重点耗能设备或工序，制定能耗预警指标体系；制定节能优化生产操作指南。基于能源管理信息系统分析工具，制定持续改进的节能工作方案，实施在线能效绩效考核管理，落实节能奖惩制度。

4、工业企业能耗在线监测系统建设通用技术要求

能耗在线监测端系统部署在重点用能单位内部，主要功能是通过计量仪表、工业控制系统等采集、汇总本单位能耗数据，将数据上传至省级平台，或直接上传至国家平台。能耗在线监测端系统要通过网闸、防火墙、隔离等安全措施，确保内部系统安全和数据安全；要具备远程升级维保、一端多传、接收国家和省级平台推送信息和用能单位自身能源管理所需的功能。

端系统的核心是能耗在线监测端设备，是重点用能单位的信息节点。重点用能单位管理信息系统、生产执行系统、仪表中的能耗相关数据通过有线或无线网络的方式，传输到能耗在线监测端设备。能耗在线监测端设备对采集到的数据进行统计汇总，经验证、筛选、整理打包后，采用HT-TPS进行通道保护传送至上级系统应用平台。能耗在线监测端设备在接入互联网之前应采用防火墙隔离可能来自互联网的网络攻击，可选硬件或软件防火墙。用能单位当前未配置硬件防火墙时，需配置硬件防火墙。

能耗监测端设备作为连接用能单位生产控制网络与办公网络、互联网的关键节点设备，须保障数据传递的安全隔离，即能耗监测端设备数据接入端和数据发送端之间的物理隔离和逻辑隔离，数据接入端网络和数据发送端网络之间的数据交换，只能通过配置的数据，其他数据都被完全过滤无法通过。

能耗监测端设备需采用“2+1”架构设计，以双主机加专用隔离部件的方式组成，即由内网主机、外网主机、安全隔离数据交互单元三部分组成。用于连接生产控制网络数据输出系统主机(如生产过程控制系统、配电自动化系统、企业生产自动化系统等)网络与企业办公网络，实现两个网络之间的数据传递、安全隔离、信息流访问控制、内容过滤和信息交换等。能耗监测端设备中的内、外部主机通过安全隔离数据交互单元连接(由专用隔离部件构成),安全隔离数据交互单元是两个网络之间的可信物理信道。该内部信道裁剪了TCP/IP等功能网络协议栈，采用私有协议实现协议隔离。对于用能单位能耗数据的采集与远传，属于安全性要求较高而实时性要求相对较低的应用场合，安全隔离数据交互单元还将采用一组互斥的分时切换电子开关实现内部物理信道的通断控制，以分时切换连接方式完成信息摆渡，从而在两个网络之间形成一个不存在实时物理连接的隔离区。

5、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。

6、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。

7、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：

8、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。

8.1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。

8.2大屏展示

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。

8.3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。

8.4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；

8.5视频监控

接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

8.6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。

8.7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。

8.8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。

8.9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。

8.10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。

8.11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。

8.12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、指定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。

8.13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。

8.14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。

8.15同比、环比

提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。

同比

环比

8.16分析报告

以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

8.17能耗设备用能

监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。

8.18线损分析

根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。

8.19碳排放管理

按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。

8.20电能质量监测

实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。

8.21运维管理

系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。

8.22报警管理

针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。

8.23能耗抄表

可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。

8.24能耗分析自定义时间抄表

可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。

8.25容需量报表

提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。

8.26复费率报表

对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。

8.27文档管理

对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。

8.28 3D可视化大屏

对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。

8.29 3D子系统

对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。

8.30工业组态

可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。

8.31自定义驾驶舱

可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

8.32基础数据管理

对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。

8.33手机APP

APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。

8.34知识产权证书

9、系统硬件配置