基于物聯(lián)網(wǎng)的火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)

趙正聰

摘要：火電廠的廠用電率是衡量發(fā)電廠運(yùn)行質(zhì)量的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，降低廠用電率可以降低電能成本，提高相對供電量，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。提出通過建立基于物聯(lián)網(wǎng)的火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廠用電信息采集的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化以及廠用電能效管理的最優(yōu)化、智能化與信息化。論述了廠用電能效管理系統(tǒng)的目標(biāo)、體系結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)以及核心功能，分析了廠用電能效管理系統(tǒng)的直接與間接效益，包括社會(huì)效益、管理效益與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)； 火電廠； 用電能效管理

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2095-2163（2013）05-0066-05

0引言

能源是人類生存和發(fā)展所依賴的重要資源，而電力則是現(xiàn)代化社會(huì)的最主要能源之一。目前，電力能源形式主要包括火電、水電、核電、風(fēng)電、太陽能電力等，其中水電、風(fēng)電、太陽能等清潔能源一直是人類追求的最佳能源形式。但是，目前全球還無法全部由這些清潔電力來保障電力供應(yīng)，火電在電力能源中仍然占據(jù)重要的比例，尤其在我國，火電仍然是主要電力形式。我國是世界第二大能源消費(fèi)國，但人均能源占有量不足世界平均水平的一半，能源稀缺成為制約中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展的瓶頸。我國的火力發(fā)電廠主要是以煤炭為主，約占煤炭消費(fèi)的60%。煤炭消耗一方面存在不可持續(xù)、不可再生的問題，另一方面對環(huán)境污染非常嚴(yán)重，因此提高火電廠效率、實(shí)現(xiàn)火電廠的節(jié)能降耗，對我國經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[1，2]。

火電廠的節(jié)能降耗與效率提升的重要途徑之一就是優(yōu)化火電廠自身廠用電的管理。發(fā)電廠在啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、停役、檢修過程中，有大量以電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用以保證機(jī)組的主要設(shè)備以及輸煤、碎煤、除灰、除塵和水處理等輔助設(shè)備的正常運(yùn)行。這些電動(dòng)機(jī)以及全廠的運(yùn)行、操作、試驗(yàn)、檢修、照明等用電設(shè)備都屬于廠用電負(fù)荷，總的耗電量，統(tǒng)稱為廠用電；廠用電耗電量占發(fā)電廠全部發(fā)電量的百分比，稱為廠用電率。廠用電率是發(fā)電廠運(yùn)行的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，一般火電廠的廠用電率為5%～10%。因此，降低廠用電率可以降低電能成本，提高相應(yīng)對系統(tǒng)的供電量，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義[3，4]。

本文提出通過建立基于物聯(lián)網(wǎng)的火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廠用電信息采集的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化，并且實(shí)現(xiàn)火電廠廠用電能效管理的最優(yōu)化、智能化與信息化。該廠用電能效管理系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測輔機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確掌握電能使用狀況，支持能效優(yōu)化與節(jié)能改造；綜合分析能量利用與損失、設(shè)備效率、能源利用率，優(yōu)化生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)中斷風(fēng)險(xiǎn)，保障電廠高效運(yùn)營；實(shí)現(xiàn)非生產(chǎn)用能（電、水、汽、煤、油等）的精細(xì)化管理，為科學(xué)用能、節(jié)能減排等決策提供支持服務(wù)；優(yōu)化廠用電管理綜合解決方案，提高電力能效利用率[5，6]。

本文首先概括了基于物聯(lián)網(wǎng)的火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)的目標(biāo)，然后論述了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)以及核心功能，最后對系統(tǒng)的效益進(jìn)行了分析。

1系統(tǒng)目標(biāo)

火電廠的制粉系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)等均為高耗電系統(tǒng)，其中，電動(dòng)給水泵、循環(huán)水泵、吸風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)、凝結(jié)水泵等設(shè)備為高耗電設(shè)備[6]。通過優(yōu)化調(diào)度制粉系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、高耗電設(shè)備、非生產(chǎn)用電等廠用電系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行，可以有效降低熱電廠廠用電率，提高廠用電效能，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

發(fā)電企業(yè)非生產(chǎn)用能是指與發(fā)電生產(chǎn)過程無直接關(guān)系，非生產(chǎn)實(shí)際消耗的各類用能。主要包括檢修、輔業(yè)公司的行政、生產(chǎn)用電、用汽、用水、用煤（油）；用于基建和新投機(jī)組的調(diào)試以及帶負(fù)荷運(yùn)行期間耗用的電量；生活區(qū)和關(guān)聯(lián)協(xié)作單位用能等，優(yōu)化分析并降低非生產(chǎn)用電也能降低發(fā)電成本[1，2，6]。

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)就是通過建立火電廠廠用電及非生產(chǎn)用電能效管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廠用電及非生產(chǎn)用電能效管理的自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，全方位做好節(jié)電細(xì)化管理工作，實(shí)現(xiàn)能源利用效率的提高，有利于提高發(fā)電企業(yè)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行能力，滿足節(jié)能降耗的能源政策及新的電力市場模式的需求，達(dá)到增強(qiáng)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力的目的。

基于物聯(lián)網(wǎng)的火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下主要目標(biāo)：

（1）通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測輔機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，全面掌握電能使用狀況、電能消耗數(shù)量與構(gòu)成、分布與流向，并通過優(yōu)化分析與節(jié)能改造，降低輔機(jī)電機(jī)的耗電量；

（2）實(shí)現(xiàn)能量利用與損失情況、設(shè)備效率、能源利用率、綜合能耗等信息的綜合管理，支持生產(chǎn)流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)與能效管理，降低生產(chǎn)中斷風(fēng)險(xiǎn)，保障電廠高效運(yùn)營；

（3）實(shí)現(xiàn)非生產(chǎn)用能（電、水、汽、煤、油等）的精細(xì)化管理，提高非生產(chǎn)用能管理水平，為科學(xué)用能、節(jié)能減排構(gòu)造服務(wù)，并為企業(yè)運(yùn)營提供決策依據(jù)；

（4）[JP3]實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)用電與非生產(chǎn)用電信息的全面與綜合管理，為廠用電能效管理的優(yōu)化決策提供支持，逐步減低廠用電率。

2系統(tǒng)總體框架

火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過遍布全廠的物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測設(shè)備/傳感器實(shí)現(xiàn)在線、連續(xù)、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測所有電、水、氣、熱等信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控企業(yè)的能源動(dòng)力應(yīng)用狀況，及時(shí)準(zhǔn)確判斷能源運(yùn)行狀態(tài)和需求趨勢，確保能源生產(chǎn)可靠運(yùn)行。

2.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)[HT5”SS]

基于物聯(lián)網(wǎng)的火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用層次架構(gòu)，包括物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)中間件、應(yīng)用基礎(chǔ)平臺(tái)以及廠用電能效管理應(yīng)用系統(tǒng)四個(gè)層次。同時(shí)，系統(tǒng)還要遵循并滿足電廠相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系與安全規(guī)范體系。

由圖1可知，物聯(lián)網(wǎng)由智能電度表、智能水表、智能熱能表、智能燃?xì)獗?、智能閥門以及其它各類智能傳感器（如溫度傳感器等）通過有線或無線組網(wǎng)的方式構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)廠用電能效管理所需各種信息的實(shí)時(shí)采集以及相關(guān)設(shè)備控制；物聯(lián)網(wǎng)中間件提供對物聯(lián)網(wǎng)的訪問，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、處理、融合以及挖掘等；應(yīng)用基礎(chǔ)平臺(tái)提供應(yīng)用系統(tǒng)一般性功能支持，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、模型管理、工況監(jiān)測、消息管理以及報(bào)警等功能；廠用電能效管理系統(tǒng)提供面向熱電廠廠用電能效管理的各種應(yīng)用功能，包括能耗監(jiān)測、能耗分析、能耗預(yù)測以及能耗優(yōu)化等功能。

2.2系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)[HT5”SS]

火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)采用分布式、多層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)共分為三部分：現(xiàn)場采集子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、控制管理中心，如圖2所示。

在圖2基礎(chǔ)上，對廠用電能效管理系統(tǒng)各組成部分的功能分析如下：

（1）現(xiàn)場采集子系統(tǒng)

現(xiàn)場采集子系統(tǒng)一般部署在非生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)的現(xiàn)場，完成能耗監(jiān)測?，F(xiàn)場采集子系統(tǒng)由計(jì)量裝置、能源數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。其中：

① 計(jì)量裝置是用來度量電、水、燃?xì)?、熱（冷）量等能耗的儀表及輔助設(shè)備的總稱；

② 能源數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)/能源數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)對不同種類用能計(jì)量裝置的數(shù)據(jù)采集，包括電能表、水表、燃?xì)獗?、?冷量表等；

③ 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)量裝置到能源數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)通信，主要包括RS485有線方式、載波方式、Zigbee無線方式等。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通信是整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)系紐帶，使非生產(chǎn)計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)可以覆蓋發(fā)電企業(yè)廠區(qū)各處。在非生產(chǎn)計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)中，隨著監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量的增多以及系統(tǒng)功能的增強(qiáng)，往往需要多種通信方式的組合使用，如光纖網(wǎng)、以太網(wǎng)、GPRS等。

（3）數(shù)據(jù)管理中心

數(shù)據(jù)中心接收并存儲(chǔ)計(jì)量裝置上傳的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心將經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的分類分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、匯總和整合，一方面通過靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的圖表方式將能耗數(shù)據(jù)展示出

2.3系統(tǒng)核心功能

廠用電能效管理系統(tǒng)的核心功能主要分為非生產(chǎn)用電管理功能和生產(chǎn)用電管理功能。另外，基于OpenOffice實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的報(bào)表功能，系統(tǒng)還包括能源部門內(nèi)部報(bào)表、企業(yè)內(nèi)部報(bào)表、企業(yè)對外報(bào)表以及報(bào)表凍結(jié)等功能。

2.3.1非生產(chǎn)用能管理

非生產(chǎn)用能管理的主要目的是對非生產(chǎn)環(huán)節(jié)能耗狀況以及用能過程進(jìn)行管理，挖掘能耗問題，指導(dǎo)節(jié)能改造，優(yōu)化非生產(chǎn)用能管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。主要包含能耗監(jiān)管基礎(chǔ)應(yīng)用、能耗監(jiān)管增值應(yīng)用兩大部分。能耗監(jiān)管基礎(chǔ)應(yīng)用主要包括電能計(jì)量系統(tǒng)、給水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、熱能計(jì)量系統(tǒng)等。

（1）計(jì)量管理

針對非生產(chǎn)環(huán)節(jié)涉及的用電、用水、用氣等用能環(huán)節(jié)，分別安裝計(jì)量裝置，系統(tǒng)支持采用一體化的計(jì)量裝置以及能源網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行分類數(shù)據(jù)的采集。包括：計(jì)量設(shè)備臺(tái)賬管理、抄表管理、計(jì)量監(jiān)測、運(yùn)行監(jiān)視和異常監(jiān)測等。圖3為實(shí)時(shí)電量數(shù)據(jù)監(jiān)測界面。

（2）計(jì)費(fèi)管理

計(jì)費(fèi)計(jì)算系統(tǒng)按照算法與計(jì)算過程相分離的原則，實(shí)現(xiàn)算法描述、算法執(zhí)行順序規(guī)則、業(yè)務(wù)邏輯規(guī)則的可配置，降低算法描述、算法執(zhí)行順序規(guī)則、業(yè)務(wù)邏輯規(guī)則和核算之間的耦合度。主要功能包括：電量電費(fèi)算法配置、電量電費(fèi)業(yè)務(wù)規(guī)則配置、自動(dòng)測試配置、電量電費(fèi)計(jì)算、自動(dòng)測試、運(yùn)算監(jiān)控和核算引擎幾個(gè)部分。

（3）路燈管理

智能路燈控制系統(tǒng)采用基于Zigbee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對路燈的智能化控制，有效降低路燈用電量。系統(tǒng)由監(jiān)控中心、照明主控器、單燈智能控制器三部分組成，可以實(shí)現(xiàn)整體監(jiān)控、單燈監(jiān)控、定時(shí)監(jiān)控、故障回報(bào)、參數(shù)采集、歷史查詢等功能。

（4）指標(biāo)管理

每個(gè)計(jì)量監(jiān)測點(diǎn)對象都可以采用指標(biāo)數(shù)據(jù)及圖形展示。對象的指標(biāo)數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、匯總數(shù)據(jù)；根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的不同特性，可以選擇直觀的圖形化展現(xiàn)方式，如負(fù)荷數(shù)據(jù)的曲線表示，曲線與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，建立對象的圖形化信息；將指標(biāo)數(shù)據(jù)與對象圖形化信息綜合調(diào)控到統(tǒng)一的指標(biāo)面板，提供給業(yè)務(wù)管理人員使用。不同人員關(guān)注不同的對象及指標(biāo)信息，對同一對象的關(guān)注指標(biāo)也可能有所不同，因此，系統(tǒng)提供對關(guān)鍵指標(biāo)的配置服務(wù)，用戶可以對自己關(guān)心的指標(biāo)進(jìn)行個(gè)性化定制。

另外，系統(tǒng)為領(lǐng)導(dǎo)層、決策層特別設(shè)立了各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)的儀表盤功能，可以幫助決策者對整個(gè)電網(wǎng)的電量計(jì)量情況、負(fù)荷變化情況、數(shù)據(jù)異常情況、資產(chǎn)運(yùn)行情況等進(jìn)行及時(shí)、全面、準(zhǔn)確地了解，為進(jìn)行宏觀戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施和階段目標(biāo)的調(diào)控提供快捷的數(shù)字化輔助功能。

2.3.2生產(chǎn)用電管理

發(fā)電廠中高壓輔機(jī)所耗的總電量占全部廠用電量的70%～75%，深挖高壓電機(jī)節(jié)電潛力，降低耗電量，將是降低廠用電率的關(guān)鍵。通過發(fā)電廠用電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在線分析輔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，在保證機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定的前提下，優(yōu)化輔機(jī)運(yùn)行方式并進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造，從而在降低輔機(jī)單耗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了全廠用電率[3，4]。

（1）能量消耗監(jiān)測

系統(tǒng)可精確統(tǒng)計(jì)全廠的用電負(fù)荷情況，提供相應(yīng)的負(fù)荷分析曲線。除電能參數(shù)外，還包括電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、諧波等電量參數(shù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與顯示，從而減少傳統(tǒng)的人工抄表與分析工作。圖4為能耗監(jiān)測系統(tǒng)界面。

（2）電能分析和諧波分析

系統(tǒng)可以在線監(jiān)測配電系統(tǒng)的電壓、諧波及功率因數(shù)等電能質(zhì)量參數(shù)，通過諧波分量圖和趨勢圖等，使用戶及時(shí)了解真實(shí)用電環(huán)境，避免諧波危害和電能質(zhì)量問題的發(fā)生，并對電能質(zhì)量問題進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。同時(shí)，依據(jù)系統(tǒng)提供的各次諧波數(shù)據(jù)，有針對性地制定諧波治理，優(yōu)化電能質(zhì)量。

（3）性能指標(biāo)管理系統(tǒng)

根據(jù)火電廠SIS系統(tǒng)積累的機(jī)組數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘算法，根據(jù)某種性能指標(biāo)，找出機(jī)組相似運(yùn)行工況下的最佳運(yùn)行狀態(tài)，指導(dǎo)運(yùn)行操作，并最終通過數(shù)據(jù)累積，達(dá)到機(jī)組全工況下的優(yōu)化。

（4）能效管理及優(yōu)化

能耗管理及優(yōu)化是能效管理平臺(tái)的高級功能，通過利用曲線圖、趨勢圖、柱狀圖等對設(shè)備用電的功率、三相功率因素、諧波等電能質(zhì)量及電能使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析用電結(jié)構(gòu)是否合理，為用戶提供有效的節(jié)能信息，找出設(shè)備用電的缺口，對用電不合理的設(shè)備及時(shí)調(diào)整，同時(shí)優(yōu)化用電模式，并結(jié)合企業(yè)的用電管理考核機(jī)制，最大限度地滿足企業(yè)節(jié)能需要，由此為企業(yè)的節(jié)能考核提供最終決策依據(jù)。主要包括：相似工況下的參數(shù)對比和歷史工況的數(shù)據(jù)查詢功能。

3系統(tǒng)效益

在火電廠部署與應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)的火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)廠用電狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析以及廠用電的科學(xué)管理，為降低廠用電率提供支持，同時(shí)也可為電廠企業(yè)帶來顯著的效益。

（1）社會(huì)效益

基于物聯(lián)網(wǎng)的火電廠廠用電能效管理系統(tǒng)在電廠的應(yīng)用，能夠有效促進(jìn)火電廠降低廠用電率和供電煤耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減少火電廠產(chǎn)生的環(huán)境污染。

（2）管理效益

① 可以克服用電管理中存在的抄表工作強(qiáng)度大，工作效率低、及時(shí)性差、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等問題；

② 通過物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)視，及時(shí)準(zhǔn)確了解各主要生產(chǎn)設(shè)備耗電量，比較發(fā)電廠主要輔機(jī)設(shè)備的耗電情況及設(shè)備運(yùn)行工況，指導(dǎo)運(yùn)行值班人員調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。經(jīng)過指標(biāo)計(jì)算和指標(biāo)分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)組廠用電率的可控；