楊宇

摘 要：某集團下屬的動力公司管轄整個集團所有的電、水、天然氣、蒸汽、壓縮空氣、混合氣體等動力能源。在傳統(tǒng)的管理體系下，動力能源之間各自為戰(zhàn)，缺乏必要關(guān)聯(lián)，無法形成有機整體，造成工作內(nèi)容雜、重復(fù)性工作內(nèi)容多等弊端明顯。對此，項目組展開了一種新型的能源管理系統(tǒng)研究，實現(xiàn)了各能源介質(zhì)的數(shù)據(jù)采集與集中監(jiān)控、能源數(shù)據(jù)的科學化管理，整體工作效率顯著提升。全新管理系統(tǒng)的主要內(nèi)容包含現(xiàn)場能源管理項目設(shè)計，現(xiàn)場計量儀表組網(wǎng)，能源管理服務(wù)器的搭建，針對網(wǎng)絡(luò)通訊交換機、數(shù)據(jù)采集器、能源管理系統(tǒng)軟件進行的集成開發(fā)測試，設(shè)計能源數(shù)據(jù)中央監(jiān)控屏等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：能源管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；現(xiàn)場計量

中圖分類號：TP315 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0084-02

Abstract： A power company under the jurisdiction of a group of the entire group of electricity， water， natural gas， steam， compressed air， gas mixtures and other power sources. In the traditional management system， the power energy between the war， the lack of necessary linkages， unable to form an organic whole， resulting in the work of miscellaneous， repetitive work and other obvious drawbacks. In this regard， the project team launched a new energy management system research， to achieve the data collection and centralized monitoring of various energy media， energy data scientific management， the overall efficiency significantly improved. The main contents of the new management system include the design of the field energy management project， the networking of the field metering instruments， the building of the energy management server， for the network communication switch， data collector， energy management system software integration development test， the design of energy data central monitoring screen and so on.

Keywords： energy management system； data acquisition； on-site measurement

1 項目擬解決的關(guān)鍵問題

1.1 能源管理系統(tǒng)的總體構(gòu)架

能源管理系統(tǒng)是一套由智能電表，智能水表，智能天然氣表，智能熱計量表，智能渦街流量計、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)通信交換機、服務(wù)器等硬件設(shè)備組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過能源管理系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)集團內(nèi)部各單位的電、水、氣、熱、壓縮空氣、混合氣體數(shù)據(jù)的實時采集、顯示、匯總監(jiān)測及預(yù)警，更為重要的是，系統(tǒng)能針對電、水、氣、熱、壓縮空氣等能源進行統(tǒng)計分析、決策分析、單耗分析，具有實時信息反饋、智能分析、智能預(yù)測、報警等實時處置能力。通過對電、水、天然氣、蒸汽、壓縮空氣、混合氣體總體能耗的實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，各子系統(tǒng)之間能夠相互協(xié)調(diào)聯(lián)動，實現(xiàn)數(shù)字化綠色智慧工廠的建設(shè)目標。

1.2 能源管理系統(tǒng)監(jiān)控計量要求

電計量為二、三級計量體系：二級計量為各配電室變壓器總表，三級為各配電室出線柜子回路，已有變電站自動化系統(tǒng)獨立運行，不用接入數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)報表能夠?qū)С龊笈c變電站自動化系統(tǒng)對比數(shù)據(jù)。全部電表均為具備RS485遠傳通信接口的智能電表，各配電室通過光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋。水系統(tǒng)主要是針對總廠的一級總表和各分廠的二級計量，水表計量考慮了廠區(qū)實際的管網(wǎng)布線情況，分別采用GPRS或者ZIGBEE無線組網(wǎng)實現(xiàn)遠傳通信。天然氣是針對天然氣站的二級計量，主要是上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)控，數(shù)據(jù)已經(jīng)采集進入PLC，可以根據(jù)PLC中的電表地址提取數(shù)據(jù)。壓縮空氣主要是針對動力車間空壓站阿特拉斯空壓機組的在線集中監(jiān)控和每個空壓機流量計計量、廠區(qū)各用氣單位的流量計計量。蒸汽流量計同樣可以實現(xiàn)遠傳計量。其他混合氣體包括H2、O2、Ar、N2等保護氣體，通過PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和西門子上位機監(jiān)控軟件，可以直接從上位機數(shù)據(jù)庫提取所需數(shù)據(jù)。

1.3 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

能源管理系統(tǒng)包括現(xiàn)場信息采集層（各種計量表計），網(wǎng)絡(luò)通訊層（數(shù)據(jù)采集、通訊光纜），管理應(yīng)用層（服務(wù)器、監(jiān)控主機、顯示屏、管理軟件）等單元構(gòu)成，具備B/S架構(gòu)模式。[1]軟件系統(tǒng)在同一車間內(nèi)不限制儀表、控制柜等數(shù)據(jù)采集點的連接數(shù)；支持數(shù)據(jù)采集點的增/刪、能耗參數(shù)的手動錄入功能。能源監(jiān)控平臺包括軟件和硬件兩部分，如圖1所示。其中硬件平臺的主要功能為現(xiàn)場表計數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備的互聯(lián)互通、采集數(shù)據(jù)的傳輸及存儲；軟件平臺則實現(xiàn)了所有功能的集合：數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及系統(tǒng)報警。

2 能源管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

能源管理系統(tǒng)軟件由能源數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)、能源動力SCADA監(jiān)控平臺、EMS能源管理平臺三部分組成，分別部署在能源數(shù)據(jù)中心，各能源設(shè)施現(xiàn)場工作站工控機、能源數(shù)據(jù)中心機房WEB服務(wù)器。軟件支持分布式部署，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定有效性、連續(xù)性等。

能源數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)將重點能源生產(chǎn)設(shè)施及用能單位分別用不同顏色圖標標注出實時能耗信息，并及時公開各用能單位能源趨勢報表和同/環(huán)比對比數(shù)據(jù)。[2]能源動力SCADA監(jiān)控平臺采用上位機組態(tài)軟件實現(xiàn)現(xiàn)場值守，顯示空壓機主要工藝組態(tài)畫面和實時數(shù)據(jù)。EMS能源管理系統(tǒng)軟件平臺提供全廠區(qū)實時總能耗數(shù)據(jù)、各單位用能實時排名和趨勢分析；支持能源動力SCADA平臺的WEB畫面發(fā)布，實現(xiàn)電、水、壓縮空氣、蒸汽、天然氣、混合氣體等不同能源介質(zhì)的可視化模擬運行監(jiān)控管理。能源監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)能源介質(zhì)不同工況分別創(chuàng)建不同的工況監(jiān)控界面，并提供實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、趨勢曲線、變量告警等功能；同時也能提供能源時、日、月的峰平谷抄表、實績查詢年報表、分類能耗報表、單位能源統(tǒng)計報表及導出。

2.1 能源管理系統(tǒng)的安全機制設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)計有完整的用戶劃分機制，用戶擁有獨立的賬號和密碼，登錄相應(yīng)的模塊時必須進行身份驗證。[3]系統(tǒng)可對不同用戶的各種權(quán)限進行設(shè)定，能夠根據(jù)用戶的權(quán)限范圍和級別進行功能菜單及業(yè)務(wù)操作權(quán)限的限定。用戶管理員能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的注冊管理，按照人員崗位屬性進行系統(tǒng)訪問限制；也包含對角色與系統(tǒng)權(quán)限之間的關(guān)系進行管理。

2.2 能源管理系統(tǒng)的基本特征

（1）應(yīng)用層軟件特征。系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺面向數(shù)據(jù)庫進行編程開發(fā)，穩(wěn)定性及兼容性較好，具備功能模塊化、標準化、可視化配置編程開發(fā)的典型功能特征。軟件系統(tǒng)包含能源監(jiān)測、能源統(tǒng)計分析、能效分析等標準的功能模塊，并支持網(wǎng)頁瀏覽等基本應(yīng)用，支持面向MySQL的數(shù)據(jù)庫開發(fā)。為便于實現(xiàn)后期系統(tǒng)平滑升級擴展和日常維護，系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)庫管理環(huán)境，同時也具備鏈接池管理功能，便于后期維護。（2）數(shù)據(jù)庫技術(shù)要點。數(shù)據(jù)庫能滿足及時、大量采集、處理和存儲各種能耗及設(shè)備運行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)備份與轉(zhuǎn)儲，系統(tǒng)提供了安全的數(shù)據(jù)庫備份、轉(zhuǎn)儲策略，安全地實現(xiàn)了大容量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲，以不影響實時數(shù)據(jù)交互并保證歷史數(shù)據(jù)安全為目的。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)要求具備良好的數(shù)據(jù)和索引的壓縮技術(shù)，具有較低的空間膨脹率；在系統(tǒng)硬件資源允許的條件下，對超大型數(shù)據(jù)庫及結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜查詢實現(xiàn)響應(yīng)的時間能夠達到亞秒級，并且不隨文件數(shù)量增大而效率降低，數(shù)據(jù)庫規(guī)模僅受硬件資源的限制。

綜上，系統(tǒng)平臺具備二次開發(fā)的能力，便于用戶對應(yīng)用模塊進行修改和升級。

3 能源數(shù)據(jù)中心硬件方案設(shè)計

數(shù)據(jù)采集器是平臺重要的信號采集設(shè)備，規(guī)約轉(zhuǎn)換器是網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換設(shè)備，對不同的電力系統(tǒng)進行標準化轉(zhuǎn)換，所以需要設(shè)備應(yīng)具備高可靠性，高穩(wěn)定性，高安全性，兼容性強。服務(wù)器是能源管理系統(tǒng)的核心設(shè)備，也是軟件運行的平臺；千兆交換機是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，容量滿足使用需求和前瞻性。

3.1 系統(tǒng)的工作模式

能源管理系統(tǒng)建設(shè)項目的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括能源數(shù)據(jù)中心大屏、設(shè)施站房監(jiān)控值班站、系統(tǒng)主干光纖網(wǎng)絡(luò)、能源工作站、設(shè)備和現(xiàn)場儀表等內(nèi)容，按功能分為EMS能源管理、大屏集中監(jiān)控、能源動力SCADA系統(tǒng)（空壓站）三個子系統(tǒng)。

管理應(yīng)用層應(yīng)配置系統(tǒng)服務(wù)器和能源管理工作站，對整個設(shè)施的數(shù)據(jù)和信息進行集中查看與管理。能源管理系統(tǒng)的服務(wù)器有2臺，數(shù)據(jù)服務(wù)器和WEB服務(wù)器，互為備用，主服務(wù)器具備數(shù)據(jù)服務(wù)器與WEB服務(wù)器的功能，主服務(wù)器與備用服務(wù)器數(shù)據(jù)同步。

（1）通信傳輸層。為了方便分區(qū)域的管理，在廠區(qū)各個分區(qū)設(shè)置能源工作站數(shù)據(jù)采集裝置，完成分區(qū)數(shù)據(jù)的集中上傳和管理。各數(shù)據(jù)采集器可同時向系統(tǒng)主站上傳數(shù)據(jù)信息，并接受系統(tǒng)主站的監(jiān)視控制指令，每個采集器以具體的計量表計數(shù)量進行配置，充分考慮車間現(xiàn)場的水、電、動力設(shè)備，并設(shè)置了必要的冗余端口。（2）系統(tǒng)主干數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)主干數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)包括通訊成套裝置與快速光纖以太網(wǎng)，必須確保主干數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重冗余，傳輸部分采用星形雙網(wǎng)或者自愈環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為確保傳輸抗干擾性，采用全光纖網(wǎng)絡(luò)。光纜采用6芯室外鎧裝光纜。（3）現(xiàn)場信息采集層?，F(xiàn)場信息采集層包括通訊成套設(shè)備、現(xiàn)場總線測控網(wǎng)絡(luò)和計量表計?，F(xiàn)場信息采集層須具備靈活的組網(wǎng)特點、高抗干擾特性和良好的系統(tǒng)兼容性與開放性，防護等級高，適應(yīng)汽車發(fā)動機制造環(huán)境的應(yīng)用需要。

3.2 大屏集中監(jiān)控子系統(tǒng)

集控中心設(shè)置有大屏幕顯示子系統(tǒng)，采用拼接屏的方案，將9塊46寸LED顯示屏以3×3的方式拼接組成大屏。顯示內(nèi)容分別為能源數(shù)據(jù)、設(shè)備（空壓站、電力、給水）監(jiān)控畫面、用能過程（各能源種類單線圖、網(wǎng)絡(luò)圖）。

（1）多種信號接入。拼接系統(tǒng)提供HDMI、VGA、YPbPr、BNC、RJ45信號輸入接口，可滿足各類數(shù)字信號（HDMI、DVI）、模擬信號（VGA、RGB）、CVBS信號、IP網(wǎng)絡(luò)信號等接入顯示。（2）單屏顯示。每個液晶單元可以單獨顯示一路電腦畫面或監(jiān)控錄像等圖像格式，不同顯示單元所顯示的信號或數(shù)據(jù)可任意切換。（3）全屏拼接顯示。液晶拼接單元可以全屏拼接顯示電腦畫面或監(jiān)控錄像等圖像格式，信號可任意切換。

4 結(jié)束語

經(jīng)過項目的安裝、試運行及其驗證測試，整個能源監(jiān)管平臺總體運行平穩(wěn)，各項參數(shù)均全面達到了預(yù)定的設(shè)計指標，下一步將繼續(xù)對系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性進行測試，同時還考慮引入EMS動態(tài)管理，并入集團公司層面信息化建設(shè)。

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