智慧化工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)構(gòu)建研究

張 鵬

（巴彥淖爾市工業(yè)節(jié)能監(jiān)測中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 巴彥淖爾 015000）

節(jié)能監(jiān)測技術(shù)是節(jié)能減排、高效節(jié)能的重要支撐技術(shù)，當(dāng)前能源資源日漸枯竭的緊張形勢下，節(jié)能意識的增強(qiáng)以及各行業(yè)對節(jié)能技術(shù)的需求不斷增加，使得節(jié)能技術(shù)的開發(fā)越來越受到人們的重視。工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建是按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分期分批”的原則構(gòu)建，并按照國家有關(guān)規(guī)范及技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研發(fā)的，工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，將讓能源消耗量較大的工業(yè)企業(yè)發(fā)展得到進(jìn)一步規(guī)范。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建是按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分期分批”的原則構(gòu)建的，并按照國家有關(guān)規(guī)范及技術(shù)導(dǎo)則設(shè)計(jì)，本文重點(diǎn)介紹了該項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)思路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以及節(jié)能管理等內(nèi)容，現(xiàn)以某工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控為例，說明該方案的可行性，并提出了今后需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)之處，以保證工業(yè)企業(yè)能源檢測系統(tǒng)可以與時(shí)俱進(jìn)地得到升級與優(yōu)化。把工業(yè)企業(yè)能源監(jiān)測與管理系統(tǒng)打造成技術(shù)領(lǐng)先，功能完備，特色鮮明的工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)控系統(tǒng)，非常重要且必要。

（1）工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)層。利用工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)采集大量數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對工業(yè)企業(yè)能耗、設(shè)備的實(shí)時(shí)采集、分類、統(tǒng)計(jì)，為工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測活動開展提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析和科學(xué)的決策依據(jù)。通過構(gòu)建一整套的企業(yè)能耗監(jiān)控與管理系統(tǒng)，能夠有效地解決企業(yè)的節(jié)能管理和節(jié)能降耗工作落實(shí)中存在的問題，并降低工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的污染。

（2）網(wǎng)絡(luò)通訊層。通訊層主要由開關(guān)、路由器、串行服務(wù)器、光纖轉(zhuǎn)換器組成，通訊傳輸層包括：調(diào)制解調(diào)器和光傳輸模塊，通過這兩個(gè)部分可實(shí)現(xiàn)信號在不同通信通道之間的轉(zhuǎn)換，為各種器件提供良好的工作環(huán)境，并對各種器件進(jìn)行控制與保護(hù)。通訊層為數(shù)據(jù)的交流提供了橋梁，同時(shí)也擔(dān)負(fù)起了服務(wù)器和現(xiàn)場設(shè)備間的通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

我國是一個(gè)高耗能的國家，長期以來，能源利用率較低，只有33%，與世界上其他發(fā)達(dá)國家的能耗水平相差8%~10%。根據(jù)相關(guān)部門的測算，與世界先進(jìn)水平相比，單位產(chǎn)品的能源消耗和能源終端的能源消耗均達(dá)到了3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，能源管理工作的落實(shí)與信息化進(jìn)步緊密相關(guān)。在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，信息化已成為推動社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要力量。我國著眼于國民經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，提出了要以信息化帶動工業(yè)化的決策，所以工業(yè)企業(yè)要充分發(fā)揮資源與資金上的優(yōu)勢，提高產(chǎn)業(yè)競爭力。能源管理中最重要也是應(yīng)用最廣的就是信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，它通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及各種數(shù)據(jù)通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)能源系統(tǒng)的有效控制。

（1）集成平臺層。集成平臺層是一個(gè)集應(yīng)用和運(yùn)行于一體的開放綜合平臺，為能源監(jiān)控中心提供了一個(gè)較為開闊的信息共享與處理環(huán)境。它包括基礎(chǔ)層、應(yīng)用服務(wù)器層、中間件層和應(yīng)用層。其中應(yīng)用集成與應(yīng)用層又包括三個(gè)層次：用戶接口層、業(yè)務(wù)邏輯層和資源管理層。此外，該系統(tǒng)使用統(tǒng)一的工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等各種設(shè)備的信息存取和交互方式提供了接口，使各種應(yīng)用系統(tǒng)可相互接通并實(shí)現(xiàn)有效融合。集成平臺層提供的用于數(shù)據(jù)分享的統(tǒng)一機(jī)制和設(shè)備能夠支持應(yīng)用程序間的協(xié)作，并為各類系統(tǒng)的功能二次開發(fā)提供了一個(gè)整體框架。

（2）應(yīng)用層。系統(tǒng)集成平臺可以對能源管理中心的各類應(yīng)用的穩(wěn)定運(yùn)作提供總控平臺，如：數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、公共數(shù)據(jù)平臺、能源管理、配電管理、調(diào)度員訓(xùn)練模擬等應(yīng)用的協(xié)同運(yùn)作。

2 工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)功能

（1）數(shù)據(jù)采集。集中管理采集器主要用于組態(tài)、校時(shí)、診斷和狀態(tài)監(jiān)控。集中管理采集器主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)硬件組成，其中下位機(jī)硬件包括供電電源電路、時(shí)鐘控制電路、通訊接口電路、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊。本系統(tǒng)能夠很好地與工業(yè)企業(yè)的過程管理系統(tǒng)兼容，充分利用工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)對水、電等數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與變化進(jìn)行精確采集，匯總并安全發(fā)送給其他數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，此外，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集精確、傳輸安全的特點(diǎn)，能耗數(shù)據(jù)采集頻率為每次20 min至3 h，可以按要求進(jìn)行設(shè)定。

（2）人機(jī)界面。人機(jī)界面作為用戶與平臺系統(tǒng)互動的接口，在整個(gè)系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，它是用戶首先見到并使用頻率最高的環(huán)節(jié)。人機(jī)界面安裝了一、二次中文字庫，包括了光柵、向量和文字的輸入以及拼音、位置和五筆輸入。它能實(shí)現(xiàn)多種方式的人機(jī)交互，如鍵盤控制、鼠標(biāo)控制和圖形用戶界面（GUI）控制等，具有良好的交互性和可移植性。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)思想，讓其便于開發(fā)和維護(hù)。本系統(tǒng)具有大屏幕投影驅(qū)動、模擬屏驅(qū)動等多種功能。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測。多層次能源消耗模式（包括地區(qū)模式、建筑模式）融合能源統(tǒng)計(jì)與能源消耗表等功能，能對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)出相應(yīng)的控制命令，從而完成對實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的管理。另外，提供實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺架構(gòu)和軟件功能框架，能對各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的說明并給出部分源代碼，并對系統(tǒng)開發(fā)中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案做簡要介紹，實(shí)現(xiàn)了對能耗的在線監(jiān)控。界面采用的是直觀圖形界面，例如：柱形圖、餅圖、儀表板等，可對能源消耗量以及趨勢進(jìn)行分析和顯示，并支持按小時(shí)、日、月、年的任意導(dǎo)航。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以按照不同的分類、不同的項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)對能源的每日、每周、每月、每年的數(shù)據(jù)分析，并能以不同的格式顯示出來。另外，可按照生產(chǎn)、系別和其他層級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)使用者輸入的起始和終止時(shí)刻，對任意時(shí)間段的能源使用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在對系統(tǒng)的功能進(jìn)行檢測時(shí)，可通過與公用部門的數(shù)據(jù)比對，來驗(yàn)證系統(tǒng)與功能設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)也說明了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可讓節(jié)能工作開展的更有針對性，能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

（5）能耗查詢。工業(yè)企業(yè)能耗查詢系統(tǒng)具有良好的開放性與擴(kuò)展性，能對能源記錄的可實(shí)施狀況進(jìn)行查詢。針對單一區(qū)域、單一部門的綜合條件篩選后，按時(shí)序進(jìn)行電力用電分析（以日為單位，以月為單位，以季為單位，以規(guī)定時(shí)間等為單位），繪制相關(guān)圖表，并生成不同的分析類型的數(shù)據(jù)報(bào)告。用戶可以根據(jù)不同的需要，選擇不同的能源消耗類型（水、電力、供熱）、工業(yè)企業(yè)（政府辦公大樓、能源使用單位、能源消耗單位、公共場所、宿舍），系統(tǒng)會生成豐富多彩的圖表與報(bào)表，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可采用折線圖、條形圖、餅圖、二維表等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果的展示。

（6）數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析能夠分析工業(yè)企業(yè)的能源消耗趨勢，確定能源消耗的指標(biāo)，并對能源消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析。在此基礎(chǔ)上建立節(jié)能評估指標(biāo)體系，并給出具體計(jì)算過程，可讓工業(yè)企業(yè)的能源消耗總量以及趨勢得到更為精確的監(jiān)控，同時(shí)結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)對各類設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行精準(zhǔn)控制。另外，以工業(yè)企業(yè)為例進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用，說明數(shù)據(jù)分析的方法具有可行性及實(shí)用性。數(shù)據(jù)分析具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)分析功能，結(jié)果直觀形象，通過提供能源消耗的數(shù)據(jù)分析，來幫助科研人員開展相關(guān)專業(yè)研究工作，涵蓋的內(nèi)容包括工作時(shí)間、非工作時(shí)段的能源效率的分析、夜晚待機(jī)能源消耗的分析等。

通過對工業(yè)企業(yè)能源使用的規(guī)律進(jìn)行分析，為能源使用異常狀況的監(jiān)測提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，既實(shí)現(xiàn)各種方式的靈活監(jiān)控，又可實(shí)現(xiàn)在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下的能源探測數(shù)據(jù)融合。在此基礎(chǔ)上建立了基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的能耗消耗異常檢測系統(tǒng)，通過采集建筑用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息和利用數(shù)據(jù)挖掘算法，來挖掘用戶行為模式特征，并根據(jù)這些特征構(gòu)建預(yù)測模型，分析同類型工業(yè)園區(qū)的能耗，并與其他工業(yè)企業(yè)能耗相比較，保證能耗指標(biāo)可得到專業(yè)人員的科學(xué)調(diào)整。

通過不同時(shí)段能耗的對比，能夠清晰地了解能源節(jié)能措施的作用，了解能源消耗的規(guī)律，并提出相應(yīng)的節(jié)能對策。用VisualBasic6.0開發(fā)了能耗監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括統(tǒng)計(jì)模塊和計(jì)算模塊兩個(gè)部分。趨勢曲線擬合歷史值較好，可在一定程度上反映時(shí)間軸變化。曲線支持多縱軸、多曲線顯示，可以為不同曲線設(shè)定不同縱軸，要支持多曲線在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行比較分析，支持單、多曲線在不同時(shí)段內(nèi)的比較和分析，支持曲線顯示設(shè)定。

通過比較能源節(jié)能設(shè)計(jì)與建筑的實(shí)際能源消耗數(shù)值，可以評價(jià)和監(jiān)控工業(yè)園區(qū)運(yùn)作過程中的能源效率，從而實(shí)現(xiàn)能源消耗分析報(bào)告的編制，根據(jù)分析的內(nèi)容，自動產(chǎn)生和輸出報(bào)表。同時(shí)，結(jié)合工程實(shí)例介紹基于WebService技術(shù)的節(jié)能分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和開發(fā)過程。該系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)模式，ASP、NET作為開發(fā)工具。數(shù)據(jù)庫采用SQLServer，通過對我國能源節(jié)能現(xiàn)狀的定量評價(jià)，可以對我國工業(yè)企業(yè)能耗節(jié)能的效益和能耗進(jìn)行預(yù)測，從而達(dá)到提升節(jié)能、環(huán)保效果的目的。該系統(tǒng)具有能源審計(jì)數(shù)據(jù)錄入、輔助審計(jì)計(jì)算、能源審計(jì)報(bào)告的輔助生成和輸出的功能，能源消耗分析在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究中占有舉足輕重的地位。

（7）能耗報(bào)警。能耗報(bào)警支持多種類型的報(bào)警窗口，包括實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)警、查詢報(bào)警等。在一個(gè)報(bào)警庫內(nèi)存儲有多個(gè)報(bào)警數(shù)據(jù)，每個(gè)報(bào)警數(shù)據(jù)對應(yīng)一種報(bào)警方式，使用者可以通過歷史警報(bào)和查詢警報(bào)確認(rèn)信息，并判斷是否存在新的警報(bào)事件。一個(gè)查詢窗口將與報(bào)警庫中的全部警報(bào)事件相聯(lián)系，當(dāng)發(fā)生報(bào)警事件時(shí)，可從報(bào)警庫中查找相應(yīng)的數(shù)據(jù)。報(bào)警信息包括報(bào)警時(shí)間、報(bào)警類型、報(bào)警內(nèi)容等。能源報(bào)警系統(tǒng)支持能源消耗監(jiān)測報(bào)警、能源消耗監(jiān)測、能源跟蹤、電子郵件報(bào)警、短信報(bào)警，同時(shí)具備能耗報(bào)告提供、能耗記錄查詢等功能。根據(jù)不同報(bào)警類別設(shè)置不同的優(yōu)先級，當(dāng)報(bào)警提示出現(xiàn)時(shí)，其他報(bào)警會相應(yīng)地給出響應(yīng)，并在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)出報(bào)警信號。此外，報(bào)警記錄采用主動式報(bào)警方式觸發(fā)警報(bào)，實(shí)現(xiàn)了高異常報(bào)警的快速響應(yīng)。能源報(bào)警與其他能耗工業(yè)企業(yè)聯(lián)動時(shí)，一旦出現(xiàn)能源異常，系統(tǒng)就會自動發(fā)出警報(bào)。另外，系統(tǒng)還能對儀表的故障進(jìn)行報(bào)警，并能將電子郵件和短信系統(tǒng)發(fā)送到工業(yè)企業(yè)內(nèi)部部門，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。

（8）定額管理。工業(yè)企業(yè)能源指標(biāo)的管理可以根據(jù)自然資源部、教育部、各地區(qū)的能源消耗、用水量的定額和實(shí)際的能源消耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，給出工業(yè)企業(yè)能源消耗的合理建議，并制定能源消耗的管理體系。建立工業(yè)企業(yè)能源基本資料的專用統(tǒng)計(jì)體系，從挖掘節(jié)約空間、建設(shè)節(jié)約工業(yè)企業(yè)、完善工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)和能源設(shè)施等幾個(gè)方面建立能源分類統(tǒng)計(jì)體系，能源消耗統(tǒng)計(jì)體系，考核評價(jià)體系等，對各專業(yè)的節(jié)能效果實(shí)施量化考評。同時(shí)，還可配合以節(jié)約能源為核心指標(biāo)的績效考核機(jī)制，對工業(yè)企業(yè)的能源消耗以及環(huán)境污染情況進(jìn)行跟蹤式的監(jiān)控。另外，可通過完善各項(xiàng)規(guī)章制度，加強(qiáng)過程控制，達(dá)到節(jié)能降耗目的。同時(shí)，通過多種統(tǒng)計(jì)表格的形式，對能源消耗進(jìn)行全面的公示，采用多種靈活的結(jié)算方法，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)企業(yè)的定額管理。

（9）能耗分析子系統(tǒng)與能耗公示。將不同部門采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總后，結(jié)合電力需求側(cè)管理（DSM）模型，建立一套基于大數(shù)據(jù)分析的能效預(yù)測系統(tǒng)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了令人滿意的效果。通過對能源消耗的大量數(shù)據(jù)處理和分析，可生成各種統(tǒng)計(jì)圖表，實(shí)時(shí)顯示能源消耗的歷史數(shù)據(jù)，并可讓現(xiàn)有數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，甚至對未來能源消耗趨勢進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對能源指標(biāo)的合理評價(jià)，從而對能源消耗趨勢進(jìn)行科學(xué)的管理。

通過網(wǎng)絡(luò)向公眾公布各種能源能耗、節(jié)能等級及能耗結(jié)構(gòu)，并為同類園區(qū)的節(jié)能等級進(jìn)行排序。利用ASP、NET技術(shù)，SQLServer數(shù)據(jù)庫，基于B/S模式開發(fā)平臺進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和功能模塊劃，對系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)做了重點(diǎn)闡述，最后給出測試結(jié)果及結(jié)論，公布方式采用表格、餅圖、條形圖，界面直觀、形象，并支持用戶按需要進(jìn)行數(shù)據(jù)周期的分配。

（10）電能計(jì)量子系統(tǒng)。電能計(jì)量子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)按戶、按項(xiàng)目、按類別的實(shí)時(shí)測量。根據(jù)用戶負(fù)荷曲線計(jì)算出相應(yīng)的電量值，并按照國家規(guī)定的電價(jià)進(jìn)行計(jì)費(fèi)，從而達(dá)到引導(dǎo)人們科學(xué)用電、節(jié)約用電的目的，同時(shí)也能提高供電企業(yè)管理水平和經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)將以B/S為主要研究方向，應(yīng)用業(yè)界普遍采用的實(shí)時(shí)通訊與數(shù)據(jù)采集技術(shù)，并與后臺數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的全面、實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。通過電能計(jì)量子系統(tǒng)，還可以進(jìn)行全面協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對電力供應(yīng)、成本支付、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析等過程的監(jiān)控，為工業(yè)生產(chǎn)以及其他各部門的電力需求提供基本的供應(yīng)保障。

電能計(jì)量子系統(tǒng)包括：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、中繼數(shù)據(jù)的傳遞、后臺數(shù)據(jù)的處理、前端查詢的統(tǒng)計(jì)和管理，選用智能電子電能表對電能的使用量以及時(shí)段峰值進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與分析，其具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口以及標(biāo)準(zhǔn)的專用通訊協(xié)議，可直接監(jiān)控整個(gè)工業(yè)企業(yè)的電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)運(yùn)作。

3 結(jié)束語

文章重點(diǎn)論述了工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)的功能，所以在當(dāng)前能源愈發(fā)緊張的形勢下，需要增強(qiáng)節(jié)能意識，也要加大各行業(yè)對節(jié)能技術(shù)的使用力度，尤其是工業(yè)企業(yè)，故在智慧化能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的構(gòu)建研究方面還有一段路要走。