一種大型復(fù)雜能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例

楊宇

摘 要：某集團(tuán)下屬的動(dòng)力公司管轄整個(gè)集團(tuán)所有的電、水、天然氣、蒸汽、壓縮空氣、混合氣體等動(dòng)力能源。在傳統(tǒng)的管理體系下，動(dòng)力能源之間各自為戰(zhàn)，缺乏必要關(guān)聯(lián)，無(wú)法形成有機(jī)整體，造成工作內(nèi)容雜、重復(fù)性工作內(nèi)容多等弊端明顯。對(duì)此，項(xiàng)目組展開(kāi)了一種新型的能源管理系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)了各能源介質(zhì)的數(shù)據(jù)采集與集中監(jiān)控、能源數(shù)據(jù)的科學(xué)化管理，整體工作效率顯著提升。全新管理系統(tǒng)的主要內(nèi)容包含現(xiàn)場(chǎng)能源管理項(xiàng)目設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表組網(wǎng)，能源管理服務(wù)器的搭建，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊交換機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、能源管理系統(tǒng)軟件進(jìn)行的集成開(kāi)發(fā)測(cè)試，設(shè)計(jì)能源數(shù)據(jù)中央監(jiān)控屏等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：能源管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）04-0084-02

Abstract： A power company under the jurisdiction of a group of the entire group of electricity， water， natural gas， steam， compressed air， gas mixtures and other power sources. In the traditional management system， the power energy between the war， the lack of necessary linkages， unable to form an organic whole， resulting in the work of miscellaneous， repetitive work and other obvious drawbacks. In this regard， the project team launched a new energy management system research， to achieve the data collection and centralized monitoring of various energy media， energy data scientific management， the overall efficiency significantly improved. The main contents of the new management system include the design of the field energy management project， the networking of the field metering instruments， the building of the energy management server， for the network communication switch， data collector， energy management system software integration development test， the design of energy data central monitoring screen and so on.

Keywords： energy management system； data acquisition； on-site measurement

1 項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 能源管理系統(tǒng)的總體構(gòu)架

能源管理系統(tǒng)是一套由智能電表，智能水表，智能天然氣表，智能熱計(jì)量表，智能渦街流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)通信交換機(jī)、服務(wù)器等硬件設(shè)備組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)能源管理系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)集團(tuán)內(nèi)部各單位的電、水、氣、熱、壓縮空氣、混合氣體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、匯總監(jiān)測(cè)及預(yù)警，更為重要的是，系統(tǒng)能針對(duì)電、水、氣、熱、壓縮空氣等能源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、決策分析、單耗分析，具有實(shí)時(shí)信息反饋、智能分析、智能預(yù)測(cè)、報(bào)警等實(shí)時(shí)處置能力。通過(guò)對(duì)電、水、天然氣、蒸汽、壓縮空氣、混合氣體總體能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析，各子系統(tǒng)之間能夠相互協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化綠色智慧工廠的建設(shè)目標(biāo)。

1.2 能源管理系統(tǒng)監(jiān)控計(jì)量要求

電計(jì)量為二、三級(jí)計(jì)量體系：二級(jí)計(jì)量為各配電室變壓器總表，三級(jí)為各配電室出線柜子回路，已有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，不用接入數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)報(bào)表能夠?qū)С龊笈c變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)比數(shù)據(jù)。全部電表均為具備RS485遠(yuǎn)傳通信接口的智能電表，各配電室通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋。水系統(tǒng)主要是針對(duì)總廠的一級(jí)總表和各分廠的二級(jí)計(jì)量，水表計(jì)量考慮了廠區(qū)實(shí)際的管網(wǎng)布線情況，分別采用GPRS或者ZIGBEE無(wú)線組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳通信。天然氣是針對(duì)天然氣站的二級(jí)計(jì)量，主要是上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)已經(jīng)采集進(jìn)入PLC，可以根據(jù)PLC中的電表地址提取數(shù)據(jù)。壓縮空氣主要是針對(duì)動(dòng)力車(chē)間空壓站阿特拉斯空壓機(jī)組的在線集中監(jiān)控和每個(gè)空壓機(jī)流量計(jì)計(jì)量、廠區(qū)各用氣單位的流量計(jì)計(jì)量。蒸汽流量計(jì)同樣可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳計(jì)量。其他混合氣體包括H2、O2、Ar、N2等保護(hù)氣體，通過(guò)PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和西門(mén)子上位機(jī)監(jiān)控軟件，可以直接從上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)提取所需數(shù)據(jù)。

1.3 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

能源管理系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)信息采集層（各種計(jì)量表計(jì)），網(wǎng)絡(luò)通訊層（數(shù)據(jù)采集、通訊光纜），管理應(yīng)用層（服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)、顯示屏、管理軟件）等單元構(gòu)成，具備B/S架構(gòu)模式。[1]軟件系統(tǒng)在同一車(chē)間內(nèi)不限制儀表、控制柜等數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的連接數(shù)；支持?jǐn)?shù)據(jù)采集點(diǎn)的增/刪、能耗參數(shù)的手動(dòng)錄入功能。能源監(jiān)控平臺(tái)包括軟件和硬件兩部分，如圖1所示。其中硬件平臺(tái)的主要功能為現(xiàn)場(chǎng)表計(jì)數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備的互聯(lián)互通、采集數(shù)據(jù)的傳輸及存儲(chǔ)；軟件平臺(tái)則實(shí)現(xiàn)了所有功能的集合：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及系統(tǒng)報(bào)警。

2 能源管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

能源管理系統(tǒng)軟件由能源數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)、能源動(dòng)力SCADA監(jiān)控平臺(tái)、EMS能源管理平臺(tái)三部分組成，分別部署在能源數(shù)據(jù)中心，各能源設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)工作站工控機(jī)、能源數(shù)據(jù)中心機(jī)房WEB服務(wù)器。軟件支持分布式部署，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定有效性、連續(xù)性等。

能源數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)將重點(diǎn)能源生產(chǎn)設(shè)施及用能單位分別用不同顏色圖標(biāo)標(biāo)注出實(shí)時(shí)能耗信息，并及時(shí)公開(kāi)各用能單位能源趨勢(shì)報(bào)表和同/環(huán)比對(duì)比數(shù)據(jù)。[2]能源動(dòng)力SCADA監(jiān)控平臺(tái)采用上位機(jī)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)值守，顯示空壓機(jī)主要工藝組態(tài)畫(huà)面和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。EMS能源管理系統(tǒng)軟件平臺(tái)提供全廠區(qū)實(shí)時(shí)總能耗數(shù)據(jù)、各單位用能實(shí)時(shí)排名和趨勢(shì)分析；支持能源動(dòng)力SCADA平臺(tái)的WEB畫(huà)面發(fā)布，實(shí)現(xiàn)電、水、壓縮空氣、蒸汽、天然氣、混合氣體等不同能源介質(zhì)的可視化模擬運(yùn)行監(jiān)控管理。能源監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)能源介質(zhì)不同工況分別創(chuàng)建不同的工況監(jiān)控界面，并提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢、趨勢(shì)曲線、變量告警等功能；同時(shí)也能提供能源時(shí)、日、月的峰平谷抄表、實(shí)績(jī)查詢年報(bào)表、分類(lèi)能耗報(bào)表、單位能源統(tǒng)計(jì)報(bào)表及導(dǎo)出。

2.1 能源管理系統(tǒng)的安全機(jī)制設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完整的用戶劃分機(jī)制，用戶擁有獨(dú)立的賬號(hào)和密碼，登錄相應(yīng)的模塊時(shí)必須進(jìn)行身份驗(yàn)證。[3]系統(tǒng)可對(duì)不同用戶的各種權(quán)限進(jìn)行設(shè)定，能夠根據(jù)用戶的權(quán)限范圍和級(jí)別進(jìn)行功能菜單及業(yè)務(wù)操作權(quán)限的限定。用戶管理員能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的注冊(cè)管理，按照人員崗位屬性進(jìn)行系統(tǒng)訪問(wèn)限制；也包含對(duì)角色與系統(tǒng)權(quán)限之間的關(guān)系進(jìn)行管理。

2.2 能源管理系統(tǒng)的基本特征

（1）應(yīng)用層軟件特征。系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)面向數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，穩(wěn)定性及兼容性較好，具備功能模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化配置編程開(kāi)發(fā)的典型功能特征。軟件系統(tǒng)包含能源監(jiān)測(cè)、能源統(tǒng)計(jì)分析、能效分析等標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊，并支持網(wǎng)頁(yè)瀏覽等基本應(yīng)用，支持面向MySQL的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)。為便于實(shí)現(xiàn)后期系統(tǒng)平滑升級(jí)擴(kuò)展和日常維護(hù)，系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)庫(kù)管理環(huán)境，同時(shí)也具備鏈接池管理功能，便于后期維護(hù)。（2）數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)要點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫(kù)能滿足及時(shí)、大量采集、處理和存儲(chǔ)各種能耗及設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)備份與轉(zhuǎn)儲(chǔ)，系統(tǒng)提供了安全的數(shù)據(jù)庫(kù)備份、轉(zhuǎn)儲(chǔ)策略，安全地實(shí)現(xiàn)了大容量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)，以不影響實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互并保證歷史數(shù)據(jù)安全為目的。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)要求具備良好的數(shù)據(jù)和索引的壓縮技術(shù)，具有較低的空間膨脹率；在系統(tǒng)硬件資源允許的條件下，對(duì)超大型數(shù)據(jù)庫(kù)及結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜查詢實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的時(shí)間能夠達(dá)到亞秒級(jí)，并且不隨文件數(shù)量增大而效率降低，數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模僅受硬件資源的限制。

綜上，系統(tǒng)平臺(tái)具備二次開(kāi)發(fā)的能力，便于用戶對(duì)應(yīng)用模塊進(jìn)行修改和升級(jí)。

3 能源數(shù)據(jù)中心硬件方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器是平臺(tái)重要的信號(hào)采集設(shè)備，規(guī)約轉(zhuǎn)換器是網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換設(shè)備，對(duì)不同的電力系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，所以需要設(shè)備應(yīng)具備高可靠性，高穩(wěn)定性，高安全性，兼容性強(qiáng)。服務(wù)器是能源管理系統(tǒng)的核心設(shè)備，也是軟件運(yùn)行的平臺(tái)；千兆交換機(jī)是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，容量滿足使用需求和前瞻性。

3.1 系統(tǒng)的工作模式

能源管理系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括能源數(shù)據(jù)中心大屏、設(shè)施站房監(jiān)控值班站、系統(tǒng)主干光纖網(wǎng)絡(luò)、能源工作站、設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表等內(nèi)容，按功能分為EMS能源管理、大屏集中監(jiān)控、能源動(dòng)力SCADA系統(tǒng)（空壓站）三個(gè)子系統(tǒng)。

管理應(yīng)用層應(yīng)配置系統(tǒng)服務(wù)器和能源管理工作站，對(duì)整個(gè)設(shè)施的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行集中查看與管理。能源管理系統(tǒng)的服務(wù)器有2臺(tái)，數(shù)據(jù)服務(wù)器和WEB服務(wù)器，互為備用，主服務(wù)器具備數(shù)據(jù)服務(wù)器與WEB服務(wù)器的功能，主服務(wù)器與備用服務(wù)器數(shù)據(jù)同步。

（1）通信傳輸層。為了方便分區(qū)域的管理，在廠區(qū)各個(gè)分區(qū)設(shè)置能源工作站數(shù)據(jù)采集裝置，完成分區(qū)數(shù)據(jù)的集中上傳和管理。各數(shù)據(jù)采集器可同時(shí)向系統(tǒng)主站上傳數(shù)據(jù)信息，并接受系統(tǒng)主站的監(jiān)視控制指令，每個(gè)采集器以具體的計(jì)量表計(jì)數(shù)量進(jìn)行配置，充分考慮車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的水、電、動(dòng)力設(shè)備，并設(shè)置了必要的冗余端口。（2）系統(tǒng)主干數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)主干數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)包括通訊成套裝置與快速光纖以太網(wǎng)，必須確保主干數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重冗余，傳輸部分采用星形雙網(wǎng)或者自愈環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為確保傳輸抗干擾性，采用全光纖網(wǎng)絡(luò)。光纜采用6芯室外鎧裝光纜。（3）現(xiàn)場(chǎng)信息采集層?，F(xiàn)場(chǎng)信息采集層包括通訊成套設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)和計(jì)量表計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)信息采集層須具備靈活的組網(wǎng)特點(diǎn)、高抗干擾特性和良好的系統(tǒng)兼容性與開(kāi)放性，防護(hù)等級(jí)高，適應(yīng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)制造環(huán)境的應(yīng)用需要。

3.2 大屏集中監(jiān)控子系統(tǒng)

集控中心設(shè)置有大屏幕顯示子系統(tǒng)，采用拼接屏的方案，將9塊46寸LED顯示屏以3×3的方式拼接組成大屏。顯示內(nèi)容分別為能源數(shù)據(jù)、設(shè)備（空壓站、電力、給水）監(jiān)控畫(huà)面、用能過(guò)程（各能源種類(lèi)單線圖、網(wǎng)絡(luò)圖）。

（1）多種信號(hào)接入。拼接系統(tǒng)提供HDMI、VGA、YPbPr、BNC、RJ45信號(hào)輸入接口，可滿足各類(lèi)數(shù)字信號(hào)（HDMI、DVI）、模擬信號(hào)（VGA、RGB）、CVBS信號(hào)、IP網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等接入顯示。（2）單屏顯示。每個(gè)液晶單元可以單獨(dú)顯示一路電腦畫(huà)面或監(jiān)控錄像等圖像格式，不同顯示單元所顯示的信號(hào)或數(shù)據(jù)可任意切換。（3）全屏拼接顯示。液晶拼接單元可以全屏拼接顯示電腦畫(huà)面或監(jiān)控錄像等圖像格式，信號(hào)可任意切換。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)項(xiàng)目的安裝、試運(yùn)行及其驗(yàn)證測(cè)試，整個(gè)能源監(jiān)管平臺(tái)總體運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)參數(shù)均全面達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)，下一步將繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)還考慮引入EMS動(dòng)態(tài)管理，并入集團(tuán)公司層面信息化建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅震宇.新鋼能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與能源平衡控制策略研究[D].東北大學(xué)，2013.

[2]周寧寧，劉繼義.能源計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)計(jì)量，2013（12）：78-79.

[3]謝堅(jiān).基于單點(diǎn)登錄的互聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2014.