基于數(shù)據(jù)倉庫的工業(yè)企業(yè)能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭海川，張 浩

(北京五特自動(dòng)化工程有限公司，北京 100053)

0 引言

在能源問題備受關(guān)注的今天，降低能源消耗已成為工業(yè)企業(yè)增效和提升整體競爭力的重要手段。我國工業(yè)企業(yè)能源消耗形勢嚴(yán)峻，企業(yè)能源管理仍然存在諸多問題。其主要表現(xiàn)在：能源數(shù)據(jù)計(jì)量點(diǎn)配置不足，人工抄表計(jì)量可靠性低；企業(yè)各能耗單位的計(jì)量方式不同，信息孤島無法打通；缺乏對(duì)歷史數(shù)據(jù)的科學(xué)分析，無法為節(jié)能評(píng)估提供可靠的參考數(shù)據(jù)，難以有效測評(píng)主要耗能設(shè)備的用能效率等[1-4]。如何提高能源使用效率、降低資源消耗、解決能源信息缺失或失真、能源信息管理工具不完善等問題，是工業(yè)企業(yè)能源管理面臨的重要課題。

建立能源管理系統(tǒng)是解決工業(yè)企業(yè)能源管理問題的重要途徑。能源管理系統(tǒng)對(duì)能源在生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、消耗的全周期、各環(huán)節(jié)進(jìn)行跟蹤和管理，通過建立準(zhǔn)確、可靠的能源指標(biāo)體系來衡量能源利用的效率，評(píng)估節(jié)能效果和能源利用的經(jīng)濟(jì)效益[5]。本文針對(duì)工業(yè)企業(yè)能源管理存在的諸多問題，以及能源管理系統(tǒng)的需求特點(diǎn)，通過采用數(shù)據(jù)抽取以及聯(lián)機(jī)分析處理等數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，構(gòu)建多維度能源數(shù)據(jù)分析體系，設(shè)計(jì)開發(fā)以能耗數(shù)據(jù)計(jì)量、能耗統(tǒng)計(jì)與管理、能源評(píng)價(jià)與分析為主模塊的能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能耗的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、能源統(tǒng)一管理及優(yōu)化利用[6-7]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

工業(yè)企業(yè)使用的能源種類繁多，主要能源介質(zhì)包括水、電、蒸氣、天然氣、煤、焦炭等。由于能源信息分散在以廠區(qū)為劃分范圍的各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)庫平臺(tái)及采集數(shù)據(jù)類型不統(tǒng)一[8]。數(shù)據(jù)倉庫著力解決異構(gòu)平臺(tái)數(shù)據(jù)的采集問題，從而快速、準(zhǔn)確地提供決策支持。

1.1 數(shù)據(jù)倉庫體系構(gòu)建

數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)包含了一系列有效、可行的方法以及一個(gè)完整的體系結(jié)構(gòu)，主要包括數(shù)據(jù)抽取、元數(shù)據(jù)處理以及聯(lián)機(jī)分析等[9]。數(shù)據(jù)倉庫把數(shù)據(jù)從不同的數(shù)據(jù)源中抽取出來，轉(zhuǎn)換為公共的數(shù)據(jù)模型。能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫模型由概念模型、邏輯模型和物理模型組成。

概念模型反映工業(yè)企業(yè)能源管理需求，是數(shù)據(jù)倉庫的核心主題。本文確定的主題分為能耗結(jié)構(gòu)和單位產(chǎn)品能耗兩類[10]。數(shù)據(jù)倉庫概念模型主題設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)倉庫概念模型主題設(shè)計(jì)圖

能耗結(jié)構(gòu)主題邏輯模型展示工業(yè)企業(yè)能耗類型、不同能源類型的消耗占比，以及不同能源類型行業(yè)、區(qū)域的橫縱向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，如圖1(a)所示；單位產(chǎn)品能耗主題描述了工業(yè)企業(yè)每生產(chǎn)單位產(chǎn)品所產(chǎn)生的能源消耗量值及不同能源的消耗比，如圖1(b)所示。

邏輯模型設(shè)計(jì)即維度建模，其將不同主題及其關(guān)聯(lián)的維度映射到具體維表中。物理模型在邏輯模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)合適的物理結(jié)構(gòu)[11-12]。數(shù)據(jù)倉庫物理模型主題設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)倉庫物理模型主題設(shè)計(jì)圖

能耗結(jié)構(gòu)主題主要包括能源消耗結(jié)構(gòu)表、企業(yè)表、能源消耗用途表和能源類型表，如圖2(a)所示；單位產(chǎn)品能耗主題物理數(shù)據(jù)模型包括單位產(chǎn)品能耗表、行業(yè)表、產(chǎn)品類型表、能源類型表等，如圖2(b)所示。

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

能源管理系統(tǒng)的主要功能包括：完善能源計(jì)量儀表、自動(dòng)化系統(tǒng)和接口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)采集和能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過訪問接口，將數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、清洗、轉(zhuǎn)換、裝載，形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)；在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫的支撐下，通過數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分項(xiàng)建模，形成多維度的數(shù)據(jù)倉庫模型，最后通過聯(lián)機(jī)分析等數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘等進(jìn)一步操作。通過集成企業(yè)生產(chǎn)與能源數(shù)據(jù)系統(tǒng)的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)能源計(jì)劃、能源統(tǒng)計(jì)、能源考核等維度的全面能源管理，使得能源系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)和合理的目標(biāo)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

能源管理系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫采集各級(jí)介質(zhì)的系統(tǒng)信息、重點(diǎn)耗能設(shè)備信息及與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息；通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，對(duì)能耗數(shù)據(jù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合集成、統(tǒng)計(jì)、監(jiān)視和管理。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)診斷與校正，能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，能耗信息和關(guān)鍵耗能設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視、報(bào)警、故障診斷與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。

2.1 能耗數(shù)據(jù)的全面采集計(jì)量

為滿足能源管理系統(tǒng)的建設(shè)要求，需要對(duì)水、電、氣等分類能耗數(shù)據(jù)以及重點(diǎn)耗能設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且根據(jù)能源消耗的不同用途和負(fù)荷性質(zhì)，對(duì)不同的用能設(shè)備或區(qū)域進(jìn)行分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)對(duì)能源管理系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)的全面采集和計(jì)量，系統(tǒng)根據(jù)工業(yè)企業(yè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在廠區(qū)布置工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為主干網(wǎng)，各管理分區(qū)的能源計(jì)量設(shè)備通過通信管理機(jī)匯聚至工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。能源管理中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過冗余I/O數(shù)采服務(wù)器接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。能源管理系統(tǒng)通過防火墻與企業(yè)資源計(jì)劃(enterprise resource planning,ERP)系統(tǒng)進(jìn)行連接，確保能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)的物理隔離，保證信息安全。

2.2 能耗信息綜合統(tǒng)計(jì)和管理

為實(shí)現(xiàn)能耗信息綜合統(tǒng)計(jì)和管理，建立符合不同管理需求的能源分項(xiàng)計(jì)量管理模型，確保構(gòu)建的能耗分類、分項(xiàng)、分區(qū)域計(jì)量對(duì)象的組織結(jié)構(gòu)能最大程度地保持與實(shí)際能源管理考核的一致性；對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行精度控制，通過對(duì)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和歸一化處理，保證數(shù)據(jù)的有效性和一致性；通過主元成分分析(principal component analysis，PCA)等聚類分析方法，對(duì)多維能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，通過小波分析、多目標(biāo)粒子群(multi-objective particle swarm optimization，MOPSO)等算法，對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的優(yōu)化處理，并將結(jié)果通過曲線、表格、餅圖等多種圖形化方式進(jìn)行可視化能耗統(tǒng)計(jì)、分析、展示。

對(duì)關(guān)鍵用能設(shè)備狀態(tài)、重點(diǎn)耗能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為系統(tǒng)異常運(yùn)行狀態(tài)提供事件報(bào)警和故障分析等功能，確保整個(gè)能源供給、轉(zhuǎn)換、消耗過程的安全、穩(wěn)定、可靠，并為故障診斷提供依據(jù)和分析手段。關(guān)鍵設(shè)備能耗評(píng)估指標(biāo)如圖4所示。

圖4 關(guān)鍵設(shè)備能耗評(píng)估指標(biāo)示意圖

2.3 能源管理評(píng)價(jià)與分析

在實(shí)現(xiàn)能源管理系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)工業(yè)企業(yè)各類能源在使用中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行能源平衡分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能源在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能情況，提醒企業(yè)盡早干預(yù)。針對(duì)企業(yè)實(shí)際運(yùn)行中的不同工況，建立企業(yè)能源運(yùn)行模型庫，對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)和重點(diǎn)耗能設(shè)備進(jìn)行模擬和仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源介質(zhì)消耗和生產(chǎn)的在線精準(zhǔn)預(yù)測；結(jié)合精細(xì)化的生產(chǎn)工藝流程和單位能耗指標(biāo)等參數(shù)，給出整廠能源優(yōu)化調(diào)度的建議和能源管理方案。通過動(dòng)態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度，提高能源使用效率，為關(guān)聯(lián)生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)提供穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案。具體步驟如下。

①建立能源管理在線模擬模型，精確計(jì)算能源介質(zhì)消耗內(nèi)部詳細(xì)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能源跑冒滴漏現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)能源信息精準(zhǔn)預(yù)測。

②建立能源工藝流程模型、能耗指標(biāo)考核檢查、能源調(diào)度運(yùn)行等功能模塊的完整能源閉環(huán)管理事務(wù)流，實(shí)現(xiàn)能源動(dòng)態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度。

③實(shí)現(xiàn)能源管理系統(tǒng)和制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)的集成，整合并管控能源數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

針對(duì)能效模型數(shù)值模擬和能源消耗數(shù)據(jù)分析，找到影響能效的關(guān)鍵因素，確定在不同條件下影響能效的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)定各級(jí)能耗額定標(biāo)準(zhǔn)和審計(jì)考核制度，為能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更深層次挖掘、分析、加工和創(chuàng)造提供條件，由此構(gòu)建實(shí)現(xiàn)能源管理、監(jiān)控、預(yù)警、分析和評(píng)價(jià)的工業(yè)企業(yè)一體化能源管理系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

本文在總結(jié)工業(yè)企業(yè)能源使用和能源管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，按照能源管理系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)和功能要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)倉庫的工業(yè)企業(yè)能源管理系統(tǒng)。通過對(duì)能耗信息全面計(jì)量、分析和管理，實(shí)現(xiàn)從能源計(jì)劃、能源調(diào)度、能源管理實(shí)施到能耗統(tǒng)計(jì)、能耗情況考核的全面管理，確保工業(yè)企業(yè)能準(zhǔn)確把握能源消耗過程及走向，方便企業(yè)管理者制定精細(xì)化的能耗計(jì)劃任務(wù)，為工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排計(jì)劃提供決策支持。