淺析綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)在大型園區(qū)的應用

安科瑞 陳聰

摘要：大型綜合園區(qū)已經(jīng)成為多種能源消耗的重要區(qū)域，為了探索適用于大型綜合園區(qū)的綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)，建立了綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)整體框架，提出了綜合能耗網(wǎng)絡、能耗關系集合、能耗均衡度等概念，并以某大型綜合園區(qū)為例對綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)的采集網(wǎng)絡進行詳細設計，為大型綜合園區(qū)綜合能耗評估分析提供一種新的模式。

關鍵詞：綜合園區(qū) 多能源 能耗 監(jiān)測

1、引言

進入2l世紀以來，我國整體經(jīng)濟發(fā)展迅速，然而經(jīng)濟的快速發(fā)展伴隨著能源供應日趨緊張。經(jīng)過十幾年高能耗推動的發(fā)展時期，能源供需失衡日益嚴重的現(xiàn)實己嚴重制約著我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。2022年1月24日，國務院以國發(fā)[2021)33號印發(fā)《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》將“園區(qū)節(jié)能環(huán)保提升工程”列為“十四五”*大重點工程。“《方案》明確，到2025年，全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降13．5％，能源消費總量得到合理控制，化學需氧量、氨氮、氮氧化物、揮發(fā)性有機物排放總量比2020年分別下降8％、8％、10％以上、10％以上。節(jié)能減排政策機制更加健全，重點行業(yè)能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本達到*先進水平，經(jīng)濟社會發(fā)展綠色轉型取得顯著成效。”的目標。預計到2025年，我國城市生活人口將達到總人口數(shù)的65％以上，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。

目前，建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的3大“耗能大戶”，其中建筑能耗約占全社會能耗的三分之一。在建筑能耗中，共性問題是能耗總量大、增長速度快、能耗指標高、終端用能設備總體能效水平低等。大型綜合園區(qū)作為高能耗建筑的集中區(qū)域，亟需合理有效的綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)對其綜合能耗情況進行掌握，這對支持我國社會健康可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。到2025年，建成一批節(jié)能環(huán)保示范園區(qū)。

2、大型綜合園區(qū)中綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)應用

大型綜合園區(qū)匯聚了多種生產(chǎn)要素，正常運轉需要電、水、冷熱等多種能源消耗，各種能源消耗具有消耗范圍廣、消耗時間不規(guī)律、消耗量大等特點。做好科學的能源管理工作，可以大大地提高能源使用效率，減少能源消費支出。大型綜合園區(qū)中的綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)以園區(qū)內(nèi)各用能設備運行和能耗特征為基礎條件，依據(jù)各類用能設備運行中所采集的反映其能源傳輸、變換與消耗的特征，采用能效協(xié)調控制策略實現(xiàn)能源優(yōu)化使用。系統(tǒng)將建筑內(nèi)各用能系統(tǒng)的能耗信息予以采集、顯示、分析、診斷，并在滿足用戶舒適度的前提下能對能耗的異常波動及時發(fā)送預警，查找問題根源，提供解決方案，為企業(yè)節(jié)能增資提供保障。有效加強建筑能耗統(tǒng)計分析和能效管理的系統(tǒng)性、科學性，提高終端能源利用效率，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，減少能源支出成本。綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)針對園區(qū)內(nèi)各建筑用電、用水及冷／熱量等進行能效綜合管理，包括建筑能耗綜合管理系統(tǒng)和水電冷熱表采集系統(tǒng)。水電冷熱表采集系統(tǒng)實現(xiàn)對園區(qū)各建筑各類用能數(shù)據(jù)的實時采集與上傳；建筑能耗綜合管理系統(tǒng)接收水電冷熱表采集系統(tǒng)上傳的用能數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對園區(qū)各建筑各類用能數(shù)據(jù)的存儲、計算及應用，將分析展現(xiàn)的結果通過園區(qū)局域網(wǎng)進行訪問。

3、主要研究內(nèi)容

綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)框架包括應用業(yè)務層、數(shù)據(jù)采集控制層、數(shù)據(jù)感知層三層架構。

1)功能應用業(yè)務層

能源監(jiān)測、能效分析、能效診斷、輔助決策以及檔案維護、系統(tǒng)管理等用戶功能，通過多維度、可視化的系統(tǒng)功能界面實現(xiàn)與用戶的信息互動；通過建立能耗評估模型，并利用數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計計算、多維分析等手段對能耗數(shù)據(jù)進行分析，為功能應用層提供直接的數(shù)據(jù)支持；數(shù)據(jù)存儲層利用主流結構化數(shù)據(jù)庫對能耗數(shù)據(jù)進行分類存儲，提高邏輯處理層的處理性能；

2)數(shù)據(jù)采集控制層

利用終端采集設備實現(xiàn)對智能電表、智能水表和智能冷熱計量表等遠傳終端的數(shù)據(jù)源采集，為整個綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)支撐和控制依據(jù)。

3)數(shù)據(jù)感知層：

數(shù)據(jù)感知層作為整個系統(tǒng)平臺的底層，用來采集信息，主要由各類傳感器組成，用來連接個能耗設備，實施采集能耗數(shù)據(jù)。

4、監(jiān)測網(wǎng)絡設計

綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)需要海量且數(shù)據(jù)支撐，因此監(jiān)測網(wǎng)絡的設計尤其重要。本小節(jié)以某大型綜合園區(qū)為例詳細描述監(jiān)測網(wǎng)絡的設計原則及實現(xiàn)方式。

監(jiān)測網(wǎng)絡設計原則：

1)主干線路優(yōu)先

首先，監(jiān)測網(wǎng)絡的設計首先應滿足主干線路優(yōu)先的原則，智慧園區(qū)主干線路的監(jiān)測數(shù)據(jù)往往直觀的展示了園區(qū)整體的能耗情況，能夠為從園區(qū)整體上進行能耗分析提供直接的數(shù)據(jù)支持

2)重要區(qū)域優(yōu)先

其次，監(jiān)測網(wǎng)絡的設計應滿足重要區(qū)域優(yōu)先的原則，所謂重要區(qū)域直接影響智慧園區(qū)正常運行的區(qū)域，例如智慧園區(qū)變配電站的用電監(jiān)測、供水站的用水監(jiān)測等。

3)經(jīng)濟性原則

根據(jù)實際情況，對于不重要且可以通過計算得到節(jié)點，可以盡量不安裝或少安裝表計，以便節(jié)省實施費用。需要匯總的數(shù)據(jù)如果可以通過分表計計算得到，就無需再安裝總表計，

4)節(jié)能潛力大優(yōu)先

能耗監(jiān)測的目的是進行節(jié)能，因此應著重選取高耗能、節(jié)能潛力較大的設備進行監(jiān)測。高耗能設備一般是指耗能量大、在用數(shù)量多、節(jié)能潛力較大的中央空調、各種泵類以及鍋爐、換熱壓力容器、電梯、起重機械等特種設備。

5、能耗監(jiān)控系統(tǒng)設計

能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎上增加了對水、電、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國家有關規(guī)定實施能源審計，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上人民政府管理節(jié)能工作的部門報送能源審計報告。

6、平臺介紹

 6.1、安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)概述

安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產(chǎn)線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數(shù)據(jù)和支持。

6.2、應用場所

  鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業(yè)、木材、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產(chǎn)品、工器具制造等離散制造業(yè)。

6.3、系統(tǒng)結構

現(xiàn)場通過廠區(qū)局域網(wǎng)和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網(wǎng)聯(lián)通的地方，通過有權限的賬號登陸網(wǎng)頁以及手機APP查看各處的運行情況。

  系統(tǒng)可分為三層：即現(xiàn)場設備層、網(wǎng)絡通訊層和平臺管理層。

  現(xiàn)場設備層：主要是連接于網(wǎng)絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統(tǒng)必要的基本組成元素。肩負著采集數(shù)據(jù)的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網(wǎng)絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監(jiān)測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

  網(wǎng)絡通訊層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關、網(wǎng)絡交換機等設備。智能網(wǎng)關主動采集現(xiàn)場設備層設備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉換，數(shù)據(jù)存儲，并通過網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器，智能網(wǎng)關可在網(wǎng)絡故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網(wǎng)絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務器端數(shù)據(jù)不丟失。

   平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數(shù)據(jù)服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

   平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

6.4、工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測系統(tǒng)功能

   平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理。實時監(jiān)測企業(yè)各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率和節(jié)能潛力，為節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（1）平臺登錄

   在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

（2）大屏展示

   用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業(yè)及各區(qū)域的能耗折標、產(chǎn)值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區(qū)域展示該區(qū)域的分類能耗、產(chǎn)值等相關信息。

（3）首頁

   首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業(yè)級統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)監(jiān)控

   對企業(yè)各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠實時的監(jiān)測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業(yè)削峰填谷、調整負載等技改措施提供數(shù)據(jù)支撐。

   能源實時監(jiān)控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監(jiān)測，確保用能環(huán)節(jié)的持續(xù)穩(wěn)定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網(wǎng)絡圖、能源計量網(wǎng)絡圖等功能。

   能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數(shù)越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統(tǒng)彈窗報警提示等；

   配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀表的實時參數(shù)、門禁水浸狀態(tài)及能耗數(shù)據(jù)。

   實時統(tǒng)計：實時統(tǒng)計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

   數(shù)據(jù)展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區(qū)域、不同設備的不同的能耗參數(shù)；

   檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關處理操作，可以對報警參數(shù)進行在線設置，當能源參數(shù)越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統(tǒng)彈窗等報警提示；

（5）視頻監(jiān)控

  接入攝像頭，實時掌控企業(yè)內(nèi)實際情況。

（6）變壓器監(jiān)控

  展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規(guī)劃。通過各種運行參數(shù)狀態(tài)下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據(jù)運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

（7）儀表實時監(jiān)控

  展示各個水電氣儀表的實時參數(shù)變化，以曲線圖的方式展示。

（8）能源中控

  將所有有關能源的能源參數(shù)集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個產(chǎn)業(yè)線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

（9）用能統(tǒng)計

  從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、車間、生產(chǎn)工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對企業(yè)用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標對比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統(tǒng)計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

（10）成本分析

  統(tǒng)計各個監(jiān)測節(jié)點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。

（11）產(chǎn)品單耗統(tǒng)計

  與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品單耗中生成產(chǎn)品單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析。同時將產(chǎn)品單耗與行業(yè)/國家/國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

（12）績效分析

  對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區(qū)域、車間，產(chǎn)線、工段、設備等進行日、周、月、年、*定時段績效統(tǒng)計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內(nèi)部能效水平和節(jié)能潛力，評定能源消耗是否合理。

（13）運行監(jiān)測

   系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測設備及工藝運行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統(tǒng)一次運行監(jiān)視?？芍苯訌膭討B(tài)監(jiān)測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

（14）自定義能耗報表

   用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產(chǎn)各種報表，查看企業(yè)各個節(jié)點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環(huán)比報表，支持導出報表。

（15）同比、環(huán)比

   提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環(huán)比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統(tǒng)計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環(huán)比

（16）分析報告

   以年、月、日對企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統(tǒng)計分析，讓用戶更加了解系統(tǒng)的運行情況，并為用戶提供數(shù)據(jù)基礎，方便用戶發(fā)現(xiàn)設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。

（17）能耗設備用能

   監(jiān)控耗能設備運行、停機及異常狀態(tài)，及時解決設備故障停運導致無法正常生產(chǎn)。 

（18）線損分析

   根據(jù)節(jié)點、能源分類，查詢各個節(jié)點線路上的能源損耗數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。

（19）碳排放管理

   按照區(qū)域對碳排放總量的變化趨勢進行統(tǒng)計，并進行同環(huán)比分析。對單位產(chǎn)值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現(xiàn)超標預警，提升區(qū)域減排水平，促進碳達峰目標實現(xiàn)。

（20）電能質量監(jiān)測

   實時監(jiān)測諧波含量、三相不平衡度、功率因數(shù)等，確保功率因數(shù)不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現(xiàn)故障。

（21）運維管理

   系統(tǒng)支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執(zhí)行巡檢、完成工單、巡檢發(fā)現(xiàn)問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養(yǎng)需要。

（22）報警管理

   針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現(xiàn)電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業(yè)提前預警，避免發(fā)生火災事故和被罰款導致用能成本過高。支持分級分類報警，可對報警進行派發(fā)與閉環(huán)處理。

（23）能耗抄表

   可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。

（24）能耗分析自定義時間抄表

   可自定義時間段內(nèi)各個拓撲節(jié)點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

（25）容需量報表

   提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業(yè)實現(xiàn)容改需，降低基本電費。

（26）復費率報表

   對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析，為企業(yè)分時用電，優(yōu)化成本效益提供數(shù)據(jù)支持。

（27）文檔管理

   對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統(tǒng)管理，支持文件的上傳和下載。

（28）3D可視化大屏

   對場景進行虛擬仿真，展示各區(qū)域運行及能源消耗情況，可實現(xiàn)分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監(jiān)測點位的自定義綁定。

（29）3D子系統(tǒng)

   對各動力子系統(tǒng)進行虛擬仿真，展示子系統(tǒng)的動力管線、設備的實時狀態(tài)及能源消耗情況，可實現(xiàn)動態(tài)的能源流向效果。

（30）工業(yè)組態(tài)

   可通過圖形化的編輯方式自定義組態(tài)圖，展示設備運行狀態(tài)及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（31）自定義駕駛艙

   可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數(shù)據(jù)及各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源包括API、數(shù)據(jù)庫查詢、MQTT、Excel等方式。

（32）基礎數(shù)據(jù)管理

   對系統(tǒng)的項目、探測器、設備型號、電參量、節(jié)點、能源、公示、及相關參數(shù)進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。

（33）手機APP

  APP支持Android、iOS操作系統(tǒng)，方便用戶按能源分類、區(qū)域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業(yè)能源消耗、產(chǎn)線比對、效率分析、同環(huán)比分析、能耗折標、事件記錄、運行監(jiān)視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

（34）知識產(chǎn)權證書

6.5系統(tǒng)硬件配置

7、結論

本文結合目前大型綜合園區(qū)中多種能源消耗量大、結構復雜等特點，設計了綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)框架，并在能耗網(wǎng)絡的基礎上，所設計的綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)，提出了監(jiān)測網(wǎng)絡的設計原則并以大型綜合園區(qū)為例詳細闡述了監(jiān)測網(wǎng)絡的架構設計。未來的主要研究包括以實際數(shù)據(jù)為支撐，進行深入的實驗，探索影響大型綜合園區(qū)能耗水平的主要因素，建立綜合能耗評估模型，實現(xiàn)對大型綜合園區(qū)各種能耗水平進行客觀的評估。在系統(tǒng)完成后將為降低園區(qū)管理的人力和運營成本和園區(qū)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]楊培研.綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)在大型綜合園區(qū)研究和設計

[2]吳曉.企業(yè)能耗在線檢測系統(tǒng)規(guī)劃與建設

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版