安科瑞 劉秋霞
摘要：能源是人類社會發展的重要推動力，能源缺乏，將導致人類無法正常開展生產生活活動。如果失去能源的支持，現代社會的運作將會直接癱瘓或崩潰。所以，為了解決目前日益嚴峻的能源問題，應采用高效率的節能監測技術來促進能源的合理利用，從而達到節能減排的目的。文章重點對智慧化工業企業能耗監測管理系統的構成以及該系統的軟件特性進行研究，以期可以通過能耗監測管理系統的使用，讓能源的消耗量得到進一步節約。
關鍵詞：智慧化；工業企業；能耗監測管理系統
1、引言
節能監測技術是節能減排、高效節能的重要支撐技術，當前能源資源日漸枯竭的緊張形勢下，節能意識的增強以及各行業對節能技術的需求不斷增加，使得節能技術的開發越來越受到人們的重視。工業企業能耗監測系統的構建是按照“統一規劃、分期分批"的原則構建，并按照國家有關規范及技術設計進行研發的，工業企業能耗監控系統的出現，將讓能源消耗 量較大的工業企業發展得到進一步規范。
1、系統組成
1.1? 系統總體結構
工業企業能耗監測系統的構建是按照“統一規劃、分期分批"的原則構建的，并按照國家有關規范及技術導則設計，本文重點介紹了該項目的總體設計思路、 數據采集系統、監控網絡以及節能管理等內容，現以某工業企業能耗監控為例，說明該方案的可行性，并提出了今后需要進一步研究和改進之處，以保證工業企業能源檢測系統可以與時俱進地得到升級與優化。把工業企業能源監測與管理系統打造成技術，功能完備，特色鮮明的工業企業能耗監控系統，非常重
要且必要。
（1）工業企業能耗監測系統層。利用工業企業能耗監測系統采集大量數據，可實現對工業企業能耗、設備的實時采集、分類、統計，為工業企業能耗監測活動開展提供了詳細的數據分析和科學的決策依據。 通過構建一整套的企業能耗監控與管理系統，能夠有效地解決企業的節能管理和節能降耗工作落實中存在的問題，并降低工業生產對環境的污染。
（2）網絡通訊層。通訊層主要由開關、路由器、串行服務器、光纖轉換器組成，通訊傳輸層包括：調制解調器和光傳輸模塊，通過這兩個部分可實現信號在不同通信通道之間的轉換，為各種器件提供良好的工作環境，并對各種器件進行控制與保護。通訊層為
數據的交流提供了橋梁，同時也擔負起了服務器和現場設備間的通信數據傳輸的功能。
1.2? 系統體系架構
平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：
我國是一個高耗能的國家的能耗水平相差 8%~10%。根據相關部門的測算，與世界水平相比，單位產品的能源消耗和能源終端的能源消耗均達到了 3 億噸標準煤。因此，能源管理工作的落實與信息化進步緊密相關。在信息技術迅猛發展的今天，信息化已成為推動社會、經濟發展的重要力量。我國著眼于國民經濟的大發展，提出了要以信息化帶動工業化的決策，所以工業企業要充分發揮資源與資金上的優勢，提高產業競爭力。能源管理中至重要也是應用至廣的就是信息系統體系結構，它通過計算機
網絡及各種數據通信技術來實現對整個能源系統的有效控制。
（1）集成平臺層。集成平臺層是一個集應用和運行于一體的開放綜合平臺，為能源監控中心提供了一個較為開闊的信息共享與處理環境。它包括基礎層、應用服務器層、中間件層和應用層。其中應用集成與應用層又包括三個層次：用戶接口層、業務邏輯層和資源管理層。此外，該系統使用統一的工業技術標準，為操作系統、網絡、數據庫等各種設備的信息存取和交互方式提供了接口，使各種應用系統可相互接通并實現有效融合。集成平臺層提供的用于數據分享的統一機制和設備能夠支持應用程序間的協作，并為各類系統的功能二次開發提供了一個整體框架。
（2）應用層。系統集成平臺可以對能源管理中心的各類應用的穩定運作提供總控平臺，如：數據采集、監測、公共數據平臺、能源管理、配電管理、調度員訓練模擬等應用的協同運作。
2? 工業企業能耗監測系統功能
（1）數據采集。集中管理采集器主要用于組態、 校時、診斷和狀態監控。集中管理采集器主要由上位機軟件和下位機硬件組成，其中下位機硬件包括供電電源電路、時鐘控制電路、通訊接口電路、數據處理模塊、電源模塊。本系統能夠很好地與工業企業的過程管理系統兼容，充分利用工業企業網絡對水、電等 數據的產生與變化進行準確采集，匯總并安全發送給其他數據整合系統，此外，該系統具有數據采集準確、傳輸安全的特點，能耗數據采集頻率為每次 20 min至 3 h，可以按要求進行設定。
（2）人機界面。人機界面作為用戶與平臺系統互動的接口，在整個系統中占有舉足輕重的地位，它是用戶首先見到并使用頻率至高的環節。人機界面安裝了一、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。它能實現多種方式的人機交互，如鍵盤控制、鼠標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，模塊化設計思想，讓其便于開發和維護。本系統具有大屏幕投影驅動、模擬屏驅動等多種功能。
（3）實時監測。多層次能源消耗模式（包括地區模式、建筑模式）融合能源統計與能源消耗表等功能，能對采集到的數據進行處理后發出相應的控制命令，從而完成對實時監測數據和歷史數據的管理。另外，提供實時監測平臺架構和軟件功能框架，能對各個模塊進行詳細的說明并給出部分源代碼，并對系統開發中所涉及的關鍵技術及解決方案做簡要介紹，實現了對能耗的在線監控。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行分析和顯示，并支持按小時、日、月、年的任意導航。
（4）數據統計。數據統計可以按照不同的分類、不同的項目，實現對能源的每日、每周、每月、每年的數據分析，并能以不同的格式顯示出來。另外，可按照生產、系別和其他層級進行統計，根據使用者輸入的起始和終止時刻，對任意時間段的能源使用進行統計。在對系統的功能進行檢測時，可通過與公用部門的數據比對，來驗證系統與功能設計的合理性，同時也說明了數據統計可讓節能工作開展的更有針對性，能實現預期目標。
（5）能耗查詢。工業企業能耗查詢系統具有良好的開放性與擴展性，能對能源記錄的可實施狀況進行查詢。針對單一區域、單一部門的綜合條件篩選后，按時序進行電力用電分析（以日為單位，以月為單位，以季為單位，以規定時間等為單位），繪制相關圖表，并生成不同的分析類型的數據報告。用戶可以根據不同的需要，選擇不同的能源消耗類型（水、電力、供熱）、
工業企業（政府辦公大樓、能源使用單位、能源消耗單位、公共場所、宿舍），系統會生成豐富多彩的圖表與報表，并對數據進行分析，可采用折線圖、條形圖、餅圖、二維表等方式進行數據分析結果的展示。
（6）數據分析。數據分析能夠分析工業企業的能源消耗趨勢，確定能源消耗的指標，并對能源消耗進行實時監測和分析。在此基礎上建立節能評估指標體系，并給出具體計算過程，可讓工業企業的能源消耗總量以及趨勢得到更為準確的監控，同時結合實際數據對各類設備的運行進行準確控制。另外，以工業企業為例進行實例應用，說明數據分析的方法具有可行性及實用性。數據分析具有強大的數據處理能力和數據分析功能，結果直觀形象，通過提供能源消耗的數據分析，來幫助科研人員開展相關專業研究工作，涵蓋的內容包括工作時間、非工作時段的能源效率的
分析、夜晚待機能源消耗的分析等。通過對工業企業能源使用的規律進行分析，為能源使用異常狀況的監測提供了基礎數據，既實現各種方式的靈活監控，又可實現在工作狀態和非工作狀態
下的能源探測數據融合。在此基礎上建立了基于大數據分析技術的能耗消耗異常檢測系統，通過采集建筑用電設備的運行狀態信息和利用數據挖掘算法，來挖掘用戶行為模式特征，并根據這些特征構建預測模型，分析同類型工業園區的能耗，并與其他工業企業能耗相比較，保證能耗指標可得到專業人員的科學調整。通過不同時段能耗的對比，能夠清晰地了解能源節能措施的作用，了解能源消耗的規律，并提出相應的節能對策。用 VisualBasic6.0開發了能耗監測系統，該系統主要包括統計模塊和計算模塊兩個部分。趨勢曲線擬合歷史值較好，可在一定程度上反映時間軸變化。曲線支持多縱軸、多曲線顯示，可以為不同曲線設定不同縱軸，要支持多曲線在相同時間內進行比較分析，支持單、多曲線在不同時段內的比較和分析，支持曲線顯示設定。通過比較能源節能設計與建筑的實際能源消耗數值，可以評價和監控工業園區運作過程中的能源效率，
從而實現能源消耗分析報告的編制，根據分析的內容，自動產生和輸出報表。同時，結合工程實例介紹基于WebService 技術的節能分析系統設計方法和開發過程。該系統采用 B/S 結構模式，ASP、NET 作為開發工具。數據庫采用 SQLServer，通過對我國能源節能現狀的定量評價，可以對我國工業企業能耗節能的效益和能耗進行預測，從而達到提升節能、環保效果的目的。該系統具有能源審計數據錄入、輔助審計計算、能源審計報告的輔助生成和輸出的功能，能源消耗分析
在工業生產領域的研究中占有舉足輕重的地位。
（7）能耗報警。能耗報警支持多種類型的報警窗口，包括實時報警、歷史報警、查詢報警等。在一個報警庫內存儲有多個報警數據，每個報警數據對應一種報警方式，使用者可以通過歷史警報和查詢警報確認信息，并判斷是否存在新的警報事件。一個查詢窗口將與報警庫中的全部警報事件相聯系，當發生報警事件時，可從報警庫中查找相應的數據。報警信息包括報警時間、報警類型、報警內容等。能源報警系統支持能源消耗監測報警、能源消耗監測、能源跟蹤、電子郵件報警、短信報警，同時具備能耗報告提供、能耗記錄查詢等功能。根據不同報警類別設置不同的
優先級，當報警提示出現時，其他報警會相應地給出響應，并在第一時間內發出報警信號。此外，報警記錄采用主動式報警方式觸發警報，實現了高異常報警的快速響應。能源報警與其他能耗工業企業聯動時，一旦出現能源異常，系統就會自動發出警報。另外，系統還能對儀表的故障進行報警，并能將電子郵件和短信系統發送到工業企業內部部門，實現實時報警。
（8）定額管理。工業企業能源指標的管理可以根據自然資源部、教育部、各地區的能源消耗、用水量的定額和實際的能源消耗統計數據，給出工業企業能源消耗的合理建議，并制定能源消耗的管理體系。建立工業企業能源基本資料的統計體系，從挖掘節約空間、建設節約工業企業、完善工業企業生產和能源設施等幾個方面建立能源分類統計體系，能源消耗統計體系，考核評價體系等，對各專業的節能效果實施量化考評。同時，還可配合以節約能源為核心指標的績效考核機制，對工業企業的能源消耗以及環境污染情況進行跟蹤式的監控。另外，可通過完善各項規章制度，加強過程控制，達到節能降耗目的。同時，通過多種統計表格的形式，對能源消耗進行全面的公示，采用多種靈活的結算方法，實現對工業企業的定額管理。
（9）能耗分析子系統與能耗公示。將不同部門采集到的大量數據進行分類匯總后，結合電力需求側管理（DSM）模型，建立一套基于大數據分析的能效預測系統，并在實際應用中取得了令人滿意的效果。通過對能源消耗的大量數據處理和分析，可生成各種統計圖表，實時顯示能源消耗的歷史數據，并可讓現有數據與歷史數據進行對比，甚至對未來能源消耗趨勢進行預測，實現對能源指標的合理評價，從而對能源消耗趨勢進行科學的管理。通過網絡向公眾公布各種能源能耗、節能等級及能耗結構，并為同類園區的節能等級進行排序。利用ASP、NET 技術，SQLServer 數據庫，基于 B/S 模式開發平臺進行系統總體設計和功能模塊劃，對系統關鍵技術做了重點闡述，至后給出測試結果及結論，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行數據周期的分配。
（10）電能計量子系統。電能計量子系統可實現按戶、按項目、按類別的實時測量。根據用戶負荷曲線計算出相應的電量值，并按照國家規定的電價進行計費，從而達到引導人們科學用電、節約用電的目的，同時也能提高供電企業管理水平和經濟效益，具有很好的推廣應用價值。在此基礎上，本系統將以 B/S 為主要研究方向，應用業界普遍采用的實時通訊與數據采集技術，并與后臺數據庫相結合，實現對電力系統的全面、實時監控與管理。通過電能計量子系統，還可以進行全面協作，實現對電力供應、成本支付、數據的統計和分析等過程的監控，為工業生產以及其他各部門的電力需求提供基本的供應保障。電能計量子系統包括：遠程數據采集、中繼數據的傳遞、后臺數據的處理、前端查詢的統計和管理，選用智能電子電能表對電能的使用量以及時段峰值進行數據收集與分析，其具備遠程數據接口以及標準的通訊協議，可直接監控整個工業企業的電力系統的基礎運作。
3、平臺設計與功能
3、1 系統平臺設計
智慧能源管理平臺采用去中心化的分布式網 絡構架設計如圖 2 所示，采用 B / S 模式，實現云端建模、設計及部署，簡化了客戶端的維護工作，為 以業務模式為基礎的功能模塊擴展提供軟件支撐 基礎。滿足集團海量實時數據地存儲和處理的要 求，存儲在系統中的歷史數據刪除，系統不 會因為數據量的攀升影響到存儲和訪問速度。遵 循系統應用插件規范進行二次開發，開發的功能 模塊插件可無縫配置到應用界面中使用。
3、2 系統實施
每家工廠實施能碳管理系統建設，首先是制 定出符合管理要求的能碳管理架構，該架構可以 隨著管理需求的變化而靈活調整。能碳管理架構 可按照廠區、車間、生產線進行配置，將能耗數據 與管理架構進行對應關聯，全面的展示出能源管 理的范圍和深度。
3、3功能
AcrelEMS企業微電網能效管理系統提供基于行業特點細分的能效管理解決方案，支持有線/無線方案接入各類智能設備，并提供多種第三方系統接口協議，融合企業微電網電力監控、能耗統計、電能質量分析及治理、智能照明控制、主要用能設備監控、充電樁運營管理、分布式光伏監控、儲能管理等功能，通過一個平臺即可全局、整體的對企業電網進行進行集中監控、統一調度、統一運維，滿足企業用電可靠、安全、節約、有序用電要求。平臺支持中英文切換，現已應用于多個行業和地區用戶側能源管理和電力運維平臺，單個平臺已接入1600多個用戶變電所數據，提供能源分析和運維管理功能。
圖3AcrelEMS能效管理平臺應用
電力監控
對企業高低壓變配電系統的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償柜及電纜等配電相關設備的電氣參數、運行狀態、接點溫度進行實時監測和控制，監測企業微電網主要回路的電能質量并進行治理，對故障及時處理并發出告警信息，提高企業供電可靠性。
圖4電力監控功能
能耗分析
采集企業電、水、燃氣等能源消耗，進行分類分項能耗統計，計算單位面積或單位產品的能耗數據以及趨勢，對標主要用能設備能效進行能效診斷，計算企業碳排放，為企業制定碳達峰、碳中和路線提供數據支持。
圖5能耗分析功能
照明控制
智能照明控制功能可以根據企業情況實現定時控制、光照感應控制、場景控制、調光控制等，并結合紅外傳感器、超聲波傳感器，實現人來燈亮、人走燈滅，并可以根據系統的控制策略實現集中控制，為企業節約照明用電。
圖6照明控制功能
分布式光伏監控
監測企業分布式光伏電站運行情況，包括逆變器運行數據、光伏發電效率分析、發電量及收益統計以及光伏發電功率控制。
圖7分布式光伏發電監測
儲能管理
監測儲能系統、電池管理系統(BMS)和儲能變流器(PCS)運行，包括運行模式、功率控制模式，功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度，根據企業峰谷特點和電價波動以及上級平臺指令設置儲能系統的充放電策略，控制儲能系統充放電，實現削峰填谷，降低企業用電成本。
圖8儲能管理
充電樁運營管理
監測企業充電樁的運行狀態，提供充電樁收費管理和狀態監測功能，并根據企業負荷率變化和虛擬電廠的調度指令調節充電樁的充電功率，使企業微電網穩定安全運行。
圖9充電樁管理
自定義駕駛艙
可根據用戶的關注點自行繪制所需的駕駛艙頁面，包括能源預收費、充電樁運營、電梯、空調、照明等各種設備的能耗統計、收益統計、運維情況等。
圖10能源物聯網駕駛艙定義
數據采集和數據監測
實時監測各配電柜的電壓、電流等電力參數，實現遙測、遙信、遙控。實時監測各配電室溫濕度、煙感、水浸等環境參數。監視變壓器的運行狀態及用能參數，測算損耗，找出經濟運行區間，降低能源損耗。
圖11數據采集和監測
能耗統計分析
主要是對能耗的數據、能耗分項以及區域能耗和能耗指標等進行統計。其中還包含總能耗定比,也就是指實際消耗的能量所占據總能量的百分比,并利用各種圖形的方式進行表示，用于綜合能耗分析。
圖12能耗統計分析
電氣和消防安全管理
接入電氣火災探測器、無線測溫傳感器、智能斷路器等設備，對配電回路的剩余電流、線纜溫度等火災危險參數進行實時監控和管理。在消防水池、消防水箱等地方安裝消防水位表，檢測消防水位的變化；消防水管、噴淋等地方安裝消防水壓表，檢測消防管道的壓力。在家庭、賓館、公寓等存在煙霧、可燃氣體的室內場所，安裝獨立式煙感或可燃氣體探測器，檢測這些場所是否存在煙霧和可燃氣體。
圖13電氣消防安全管理
能源收費管理
適用于物業租賃方對出租物業的能源收費管理，支持水電一體化收費管理，具備租戶開戶、銷戶、退差操作，支持分時電價和階梯電價設置和功率過載閾值設置，可對接支付應用程序實現自助支付。
圖14能耗收費管理
充電樁運營管理
當用戶要管理多個充電站的充電樁時可把充電樁自助接入平臺，實現對充電樁狀態的監測和掃碼、刷卡充電收費管理。在用電高峰期如充電負荷過高超出供電變壓器承受范圍還可以自動設置充電功率限制或新增充電限制，或投入新能源，確保能源供應安全。
圖15充電樁運營管理
照明控制管理
可遠程控制照明設備的開關，并可以根據光照度、經緯度日出日落時間和時間設置策略來自動控制燈光，節約照明能源。
圖16照明控制管理
碳排放分析
統計用戶的碳排放量并追蹤碳排放足跡，提供碳排放清單，進行配額核算和配額考核。
圖17碳排放分析
5、4硬件設備組成
不同工業及能源企業的智能化能源管理系統，通常為環形網絡連接、星形網絡連接的結構，形成層級式連接的工業環網，其中管控中心主站點負責下屬多個子站的控制，具體能源管理系統的子站環網結構如下圖2所示。
6、結語
在“雙碳"目標與智慧城市建設的雙重驅動下，工業園區作為城市能耗與碳排放的主要載體，面臨能效提升、成本優化與環保合規的多重壓力。傳統能源管理存在數據孤島、響應滯后、多能協同不足等問題，難以滿足精細化、智能化的管理需求。本文重點論述了工業企業能耗監測系統的功能， 所以在當前能源愈發緊張的形勢下，需要增強節能意識，也要加大各行業對節能技術的使用力度，尤其是工業企業。
參考文獻
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