摘要：環境問題已成為制約經濟發展的主要因素，為此我國提出了節能減排的目標。但目前我國節能減排形勢依然嚴峻。截至2015年，全國能源消費總量達到了約40億噸標準煤。嚴峻的能源短缺與資源矛盾浪費日益激烈，對于企業，尤其是高能耗的工礦企業，以科技手段實現能源的實時監測與合理配置。

關鍵詞：能耗監測與能源管理系統；設計；實現

一、引言

隨著改革開放進入深水區，我國的經濟總量已躍居世界前面，但是目前的發展依然是建立在傳統的高能耗、低效率的模式上，而目前環境問題愈發嚴峻，對經濟發展的制約也越來 越嚴重，因此，我們采取的科學技術，加強對能源的控制，建立完善的企業能耗監測與能源管理系統。

二、企業能耗監測與能源管理系統的設計

2.1 企業能耗監測與能源管理系統設計的目標

企業建立能耗監測與能源管理系統主要是為了對一些重要的耗能設備以及能源介質進行實時控制和監控，進而了解和掌握各種能耗設備的運行情況和耗能情況，為做出科學合理的決策提供依據，最終達到能源系統高效、安全地運行的目標。

設計能耗監測與能源管理系統的主要內容包含以下幾點：(1)采集能源相關的數據和信息，對其進行實時監控；(2) 完善網絡系統及自動化系統；(3)至大限度地挖掘企業的節能潛力，從能源的計劃、統計到最終的考核形成全方位的能源管理；(4)建立能源調度模型，從而給出優化能源調度的可行性意見和建議。

2.2 企業能耗監測與能源管理系統的主要架構

2.2.1采集能源數據網絡

能源數據采集網絡可以在現有的基礎上，按照可行性、冗余性和可靠性將工礦企業的三級能源數據采集平臺進一步完善，進而建立更加實用的能源數據采集網絡，以此來適應未來 能流高度集成的需要。

2.2.2能源監測控制中心

能源監測控制中心具備不同的功能，比如狀態監視功能、查詢歷史趨勢、監控實時報表、集成實時監控等功能，再與生產管理系統進行集成，達到管控一體化的目的

2.2.3能源管理平臺

能耗監測與能源管理系統對整個計劃、調度和操作、考核等過程進行閉環管理，從事前、事中和事后進行全方位的考核。

1)事前管理。能源管理系統與生產管理系統實現集成之后可以獲取相關的生產信息，然后再針對各個能源建立耗能模型，并給出各工序能源介質的消耗以及生產計劃，在事前做 好靜態管理。另外，能源管理系統與能源調度系統進行集成，可以對能耗信息進行一定的預測，然后再獲取相關的能源優化調度建議。

2)事中監督。能耗監測與能源管理系統包含調度運行管理和質量環保管理對系統現場的運行狀況進行的實時跟蹤，還可以對能源設備進行在線監督，利用強大的數據分析和挖掘工具分析影響系統運行的不同因素，并對能源的調度和調整進行準確的指導，進而實現節能的目的。

3)事后考核。能耗監測與能源管理系統需要對能源進行控制和管理，因此，需要使本系統的計量結算功能、考核功能、報表功能、統計分析功能等得到實現。只有這些功能都得到實現才能獲取能源的計劃以及定額的執行情況、能源設備運行情況、環境與安全情況等。對一些超額現象要進行處罰，節能現象要給予獎勵。在系統的運行過程中要嚴格執行相關的考核制度，改善當前的高能耗、低效益發展模式。

2.2.4預測、調度能源模型

能耗監測與能源管理系統通過能流數據進行采集、監控 和分析，建立起能源的調度與預測模型。此模型可以對能耗情況進行準確的預測，還可以進行動態模擬計算，進而根據實際情況給出優化調度方案，通過對能源進行合理的調度，使能源的利用效率得到提高，繼而實現節能減排的目的。

1. 企業能耗監測與能源管理系統的實現

3.1 監測和管理能源功能的實現

監測和管理功能的實現主要是依據系統使用的ESP- ISYS系統和綜合集成平臺，進而建立對能源進行綜合監控的系統。本系統可以對相關信息進行全面覆蓋，比如質量安全環保信息、重點耗能和耗電設備信息等。能源管理平臺對搜集到的三級能源數據以及關鍵的耗能設備的運行數據、相關生產 數據、質量環保數據等進行進一步的集成和管理。

能源管理系統還可以對收集到的能源數據進行校正和診斷，對各個耗能設備進行實時監視、故障診斷與應急聯動等功能，在實際的運行過程中可以結合能源優化調度系統實現能源的預測與優化調度等，進而實現能源管控的一體化。

3.2 數據采集與自動化功能的實現

本系統數據采集功能的實現主要是結合企業當前的網絡架構，利用三層交換技術實現局域網的劃分。核心層一般采用工業以太環網設計，圖1為數據采集的網絡示意圖。

另外，為了滿足本系統的要求，需要采集的能源數據包含了一些重點的耗能耗電設備運行數據、質量環保安全數據，以及與能源相關的一些生產數據等。在系統的具體運行過程中需要結合企業的實際情況設置相應的計量儀表，并且還需要改造沒有通訊接口的計量儀表，這樣不但可以提高能源儀表的配備率，而且也為能源系統的監控與管理提供了堅實的保證。

3.3 平衡和調度能源功能的實現

本系統中能源的調度與平衡功能的實現需要在對能源數據的采集和分析的基礎上進行，通過建立相關的優化調度模型，實現對能源生產與消耗的預測。另外，可以借助在線系統對能源進行動態模擬計算，還可以在預測和模擬的基礎上對未來一段時間內的能源消耗成本進行簡要的預測，給出更優化的具體調度方案和意見，進而實現節能減排的目標3.3.2新通信技術應用。

四、應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、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、木材、工業園區、醫院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業。

五、系統結構

現場通過廠區局域網和平臺通訊，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聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、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、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，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：

六、系統功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

6.1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。

6.2大屏展示

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

6.3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、分類能耗等企業級統計數據。

6.4數據監控

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

• 能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。
  • 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、門禁水浸狀態及能耗數據。
  • 實時統計：實時統計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；
  • 數據展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區域、不同設備的不同的能耗參數；
• 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，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，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、系統彈窗等報警提示；

6.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

6.6變壓器監控

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劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

6.7儀表實時監控

展示各個水電氣儀表的實時參數變化，以曲線圖的方式展示。

6.8能源中控

將所有有關能源的能源參數集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業線的對比，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。

6.9用能統計

從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、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、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，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。

6.10成本分析

統計各個監測節點（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。

6.11產品單耗統計

與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

6.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、指定時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。

6.13運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

6.14自定義能耗報表

用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產各種報表，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。

6.15同比、環比

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

同比

環比

6.16分析報告

以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

6.17能耗設備用能

監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

6.18線損分析

根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發現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。

6.19碳排放管理

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

6.20電能質量監測

實時監測諧波含量、三相不平衡度、功率因數等，確保功率因數不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現故障。

6.21運維管理

系統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，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。

6.22報警管理

針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業提前預警，避免發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，可對報警進行派發與閉環處理。

6.23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。

6.24能耗分析自定義時間抄表

可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

6.25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，幫助企業實現容改需，降低基本電費。

6.26復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。

6.27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管理，支持文件的上傳和下載。

6.28 3D可視化大屏

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

6.29 3D子系統

對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。

6.30工業組態

可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。

6.31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據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

6.32基礎數據管理

對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、能源、公示、及相關參數進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。

6.33手機APP

APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

6.34知識產權證書

七、系統硬件配置

八、結論

在國外，很多公司已經開始應用能耗監測和能源管理系統，歐洲專門有一項研究工程致力于為中小企業中的制造型企業開發具體提高能效的方法。目前，能源管理過程中應用的新方法主要有：(1)將現有的能源管理軟件與AMI-MOSES平臺進行整合；(2)為收集能耗數據、數據分析和運行平臺提供新的硬件。

對我國而言，能耗管理起步較晚，因此，目前能耗監測與管理系統尚不完善，但有很大的發展空間。無論政府還是企業管理者都要認識到計算機技術對現代化管理起到的重要作用，它不但可以使企業的運行成本不斷降低，而且使企業實現了信息化的管理。目前，我國國內不少研究機構已致力于這方面的工作，也提出了相關的建議，旨在改變我國工礦企業當前高能耗、低收益的發展模式。企業建立起能耗監測與能源管理系統，可以對企業中的一些重點耗能設備、質量環境數據等進行分析整理，進而充分發揮系統的能源調度與平衡功能，為未來一段時間內的能源消耗成本進行分析，并給出可行的能源調度方案。