梁永宏，張 昊，陳 宇

（廣州中浩控制技術(shù)有限公司，廣東廣州 510070）

0 前言

目前世界上常規(guī)能源的儲量有的只能維持半個世紀（如石油），最多的也只能維持一、兩個世紀（如煤）人類生存的需求，而新的能源生產(chǎn)供應(yīng)體系又未能建立，人類面臨著能源危機的威脅。在傳統(tǒng)的化石能源消耗過程中，往往還伴隨著二氧化碳排放、粉塵污染等一系列環(huán)境問題，因此節(jié)約能源已成為全人類的共識。作為世界上最大的發(fā)展中國家，中國生產(chǎn)出了全世界6%的GDP，但消耗了全球17%的能源，每百萬美元能耗是世界平均水平的2.4倍，因此從中央到地方，都在大力倡導節(jié)能降耗[1]。

節(jié)能降耗，可以采取更換耗能設(shè)備、改進生產(chǎn)工藝、使用變頻電機等直接節(jié)能手段，而近年來，越來越多的用能單位開始認識到管理節(jié)能的重要性。傳統(tǒng)上往往采用人工抄表和統(tǒng)計模式進行能源數(shù)據(jù)的簡單匯總，這種簡單模式已不能適應(yīng)全方位、多層次管理用能的需要。很多用能單位開始建設(shè)能源管理系統(tǒng)（以下簡稱EMS），它對生產(chǎn)能源數(shù)據(jù)進行采集、加工、分析和處理，以實現(xiàn)對能源使用的計劃性、高效性、平衡性、可預(yù)測性等全方位的監(jiān)控和管理功能，達到節(jié)能增效的目的[2-3]。

不同的用能單位，采用的能源種類不同，計量設(shè)備不同，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不同，能耗統(tǒng)計方式多樣。特別是一些大型的公共建筑或工業(yè)基地，其內(nèi)部用能模型復雜，這就要求EMS必須能夠可配置，以適應(yīng)不同用能單位的需要。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標

用能單位對能源管理往往有多方面的需求，包括：①了解能源使用量：需要清晰地了解某個時間段、某個設(shè)備、某個部門的能源消耗量和各種關(guān)鍵績效指標；②能源使用質(zhì)量：需要了解能源的質(zhì)量是否符合生產(chǎn)要求，能夠監(jiān)視和改正能源質(zhì)量問題，了解并提升用能設(shè)備的效率；③能源使用可靠性：需要了解能源的使用是否安全可靠，并及時的發(fā)現(xiàn)、處理能源使用的故障，快速恢復能源的供應(yīng)，以提高用能的可靠性。

基于此，EMS的建設(shè)目標一般應(yīng)包括：

1）建立用能模型；

2）單位用能的實時圖型化監(jiān)測[4]；

3）實現(xiàn)用能狀況的實時故障報警[5]；

4）能耗信息的自動采集歸檔；

5）生產(chǎn)企業(yè)單位能耗分析；

6）公共建筑單位面積能耗分析；

7）多級能耗成本分析；

8）分析能耗的變化規(guī)律；

9）實現(xiàn)能耗信息的實時發(fā)布與預(yù)警；

10）自動抄表。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

一個完善的EMS系統(tǒng)，應(yīng)能實現(xiàn)從底層數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測到后臺數(shù)據(jù)分析的所有功能。系統(tǒng)的整體架構(gòu)可分為多個層次[6]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集通訊層：作為整個系統(tǒng)的最低層，它利用安裝在現(xiàn)場的流量、溫度、壓力等傳感器和電能測量等智能儀表，來實時測量耗能數(shù)據(jù)，并分別匯聚到PLC、網(wǎng)關(guān)、RTU等設(shè)備，再將這些PLC、網(wǎng)關(guān)、RTU等設(shè)備，經(jīng)光纖介質(zhì)組成工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，利用MODBUS等通訊協(xié)議，供上層軟件調(diào)用。

現(xiàn)場監(jiān)測層：該層主要實現(xiàn)對能耗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，包括所有的模擬量（如三相電流、線電壓、相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無功電能等）、開關(guān)量（如斷路器的分合狀態(tài)、故障跳閘信息、接地刀的分合狀態(tài)等）進行實時和定時數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)對所有的模擬量均采用交流采樣，保證測量的高精度和實時性；對開關(guān)量進行實時掃描，對開關(guān)變位進行事件記錄輸出并告警，該層一般可基于工業(yè)組態(tài)軟件構(gòu)建[7]。

數(shù)據(jù)存儲層：該層利用OPC協(xié)議，首先獲得現(xiàn)場監(jiān)測層的實時數(shù)據(jù)，再經(jīng)專門開發(fā)的DataLog程序，將實時數(shù)據(jù)采用變化存儲等方式壓縮處理后，直接存入到SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。然后利用數(shù)據(jù)庫Job對能耗實時數(shù)據(jù)進行歸并，并和ERP等管理信息系統(tǒng)交互，形成供數(shù)據(jù)分析使用的歸檔庫。

業(yè)務(wù)分析應(yīng)用層：該層是整個EMS系統(tǒng)的核心，通過與數(shù)據(jù)存儲層的交互，實現(xiàn)能耗建模，并以網(wǎng)頁和報表等方式，實現(xiàn)KPI分析、成本分析、趨勢分析等功能。該層主要采用C#語言和SQL Server Report Service技術(shù)進行開發(fā)。

整個系統(tǒng)架構(gòu)分為多層后，各層之間有清晰的接口。對于符合協(xié)議要求的計量設(shè)備，均能方便地通過配置方式直接接入系統(tǒng)，當系統(tǒng)規(guī)模擴大時，現(xiàn)場監(jiān)測站點也可方便地以配置方式增加。

3 用能模型描述

清晰、準確地描述用能模型，是EMS系統(tǒng)的核心。利用計量設(shè)備物理模型與用能單位組織結(jié)構(gòu)實體模型間的映射，可以有效地描述復雜的用能模型。

（1）計量設(shè)備物理模型

系統(tǒng)主要通過自動讀取計量設(shè)備的測點實時值，再進行特定時間段的差值運算來計算對應(yīng)的能耗信息。因此需要管理計量設(shè)備的代碼、名稱、類型、狀態(tài)及下屬的測點地址、名稱等信息。圖2是某工廠的計量設(shè)備物理模型示例。

（2）實體概念模型

不同用能單位的組織機構(gòu)、用能設(shè)備單元差異較大，統(tǒng)計需求也各不相同，且隨運行時間的推移，而不斷發(fā)生變化。為了適應(yīng)這種變化，軟件設(shè)計以樹狀層次結(jié)構(gòu)為核心，來清晰描述這種概念模型。對于樹中的每個節(jié)點，均代表一個實體，實體可以用來表達組織結(jié)構(gòu)、耗能設(shè)備或計算用的邏輯虛節(jié)點等，并擁有實體代碼、名稱、層級、類型等信息。圖3是某工廠的實體概念模型示例。

圖2 計量設(shè)備物理模型示例

（3）用能分配

圖3 實體概念模型結(jié)構(gòu)示例

用能分配主要實現(xiàn)實體概念模型與計量設(shè)備物理模型間的關(guān)聯(lián)，將相關(guān)計量設(shè)備分配到對應(yīng)的實體。需要強調(diào)的是，在企業(yè)實際應(yīng)用中，這種分配并不局限于簡單的一對一關(guān)系，可能出現(xiàn)一對多、多對多的關(guān)系。如某兩個同時開關(guān)的并聯(lián)設(shè)備，可能共用一個計量電表，此時可依據(jù)每個設(shè)備的額定功率，進行固定比例的能耗分配。

4 軟件分析功能

4.1 多級單位能耗分析

對于生產(chǎn)企業(yè)，單位能耗是一個非常重要的KPI指標，單位產(chǎn)量或單位產(chǎn)值所消耗的某種能源量。

（1）能源類型管理

在生產(chǎn)企業(yè)中，可能會用到多種能源。系統(tǒng)實現(xiàn)對不同類型能源的管理，包括代碼、名稱、計量單位等信息，并維護不同類型能源間的換算關(guān)系。

（2）產(chǎn)品類型管理

一個車間或生產(chǎn)線，往往會生產(chǎn)多種產(chǎn)品，而每種產(chǎn)品的標準能耗有較大差異。因此系統(tǒng)對產(chǎn)品類型進行管理，包括產(chǎn)品代碼、名稱、標準能耗等信息，并依據(jù)標準能耗實現(xiàn)產(chǎn)量的換算。

（3）產(chǎn)量及產(chǎn)值

某時間段的產(chǎn)量信息可以來自于現(xiàn)場的產(chǎn)量計數(shù)器，對沒有產(chǎn)量計數(shù)的產(chǎn)線，可以選擇手工方式錄入產(chǎn)量，或從現(xiàn)場PLC系統(tǒng)讀入實時產(chǎn)量。輸入的產(chǎn)品產(chǎn)量對應(yīng)于概念模型的某個實體，可進一步用于進行計算產(chǎn)值。

（4）多級單位能耗的遞歸計算

基于實體概念模型，系統(tǒng)采用定時遞歸計算的方式，自樹的頁節(jié)點向根匯總計算每個實體單元每小時的單位能耗信息，并將計算結(jié)果按小時、日、月、年的時間段存入歸檔數(shù)據(jù)庫中，以滿足報表的查詢需求。

4.2 多級單位面積綜合能耗分析

對于公共建筑，常用的KPI指標是單位面積的綜合能耗。除了面積相對固定，不需計算產(chǎn)量、產(chǎn)值外，其計算方式和單位能耗的計算方式類似。

4.3 能耗成本分析

（1）能源單價管理

不同的能源產(chǎn)品，具有不同的產(chǎn)品單價，而即使同一種產(chǎn)品，如電力，在不同波、峰、谷時間段的單價也各不相同。

（2）能耗成本管理

知道能源用量與能源單價，可以計算出產(chǎn)品的能耗總成本，企業(yè)可據(jù)此進行分析，合理地組織生產(chǎn)，以減低能耗成本。

4.4 能耗趨勢分析

（1）同比分析

對選定的實體單元，主要實現(xiàn)歷年同期的能耗總量、單位能耗單位面積綜合能耗等關(guān)鍵能耗指標比較，了解每年的能耗水平趨勢。

（2）環(huán)比分析

對選定的實體單元，主要實現(xiàn)最近幾個月的關(guān)鍵能耗指標比較，了解近期的能耗水平趨勢。

（3）對比分析

對任意選定的多個實體單元，可以選定時間段的關(guān)鍵能耗指標比較，顯示能耗差距，如圖4所示。

圖4 能耗趨勢分析示例

圖5 現(xiàn)場能耗看板示例

4.5 實現(xiàn)能耗信息的實時發(fā)布

利用現(xiàn)場的能耗看板，可以讓一線的人員了解實時能耗指標，提高節(jié)能意識，如圖5是某工廠24小時實時能耗的現(xiàn)場看板。

4.6 抄表功能

利用后臺數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)在特定時刻自動生成統(tǒng)計日、月、年報表，以替代傳統(tǒng)的人工抄表。

5 結(jié)束語

本文介紹的能源管理系統(tǒng)，已在廣州珠江醫(yī)院和某大型外資企業(yè)成功使用。系統(tǒng)不止?jié)M足了現(xiàn)場能源監(jiān)測的要求，還可以實現(xiàn)多層次、多維度的KPI數(shù)據(jù)分析。在實際項目中，不同單位的分析要求會略有差異，但由于采用了基于計量設(shè)備物理模型與企業(yè)組織結(jié)構(gòu)實體模型映射的設(shè)計，使系統(tǒng)具有了較高的靈活性，系統(tǒng)可以方便地通過配置適應(yīng)不同單位的計量設(shè)備或組織結(jié)構(gòu)變更，大大減少定制開發(fā)的工作量。

EMS作為用能單位信息系統(tǒng)的有機組成部分，將來可以進一步與用能單位的ERP等系統(tǒng)實現(xiàn)充分集成，以更大地發(fā)揮EMS的效能。

［1］白保良，羅寧，李捍東.貴州黔南復烤廠能源管理系統(tǒng)設(shè)計［J］.信息通信，2012（2）：123-124.

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［6］秦根建.能源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.智能建筑與城市信息，2010（5）：74-75.

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