唐淑芳,邱上進(jìn),陳苗虎
(淮礦西部煤礦投資管理有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)
目前以清潔、低碳、高效為主題,互聯(lián)網(wǎng)和智能化為主要技術(shù)手段特征的全球新一輪能源革命和產(chǎn)業(yè)變革正在興起。“互聯(lián)網(wǎng)+能源”綜合運(yùn)用先進(jìn)電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能管理技術(shù),將分布式能量采集裝置、分布式能量?jī)?chǔ)存裝置等各種類型負(fù)載能源節(jié)點(diǎn)互聯(lián)起來(lái),實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的對(duì)等交換,實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)。“互聯(lián)網(wǎng)+能源”是以“設(shè)備智能、多能協(xié)同、信息對(duì)稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開(kāi)放”為特征,對(duì)提高可再生能源比重,促進(jìn)化石能源高效利用,提升能源綜合效率,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí),形成經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn),提升國(guó)際能源合作具有重要意義。
“互聯(lián)網(wǎng)+能源”作為一種能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新常態(tài),從發(fā)展理念來(lái)看,開(kāi)放、對(duì)等、互聯(lián)、共享是基本理念;從系統(tǒng)構(gòu)成來(lái)看,涉及煤、油、氣、電、冷、熱不同能源形式的互聯(lián)互通,涉及信息和能源之間深度融合,涉及大量豐富商業(yè)模式;從發(fā)展改革角度來(lái)看,涉及能源基礎(chǔ)設(shè)施合理開(kāi)放,涉及能源生產(chǎn)消費(fèi)有機(jī)融合,從而推動(dòng)能源商品屬性進(jìn)一步還原,以及大眾參與程度進(jìn)一步提升。
煤礦行業(yè)在我國(guó)能源企業(yè)中占有重要地位,在一次能源生產(chǎn)中,煤炭生產(chǎn)占70%以上,是保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要能源。在降產(chǎn)能和供給側(cè)改革大背景下,煤礦行業(yè)受到嚴(yán)重影響,產(chǎn)業(yè)升級(jí)和發(fā)展空間很大,傳統(tǒng)粗獷型生產(chǎn)方式必須向精細(xì)化轉(zhuǎn)變。煤礦行業(yè)是我國(guó)九大能耗行業(yè)之一,平均能耗利用率普遍較低且低于全國(guó)平均能源利用率,同時(shí)也是污染排放較為嚴(yán)重行業(yè)之一。煤碳生產(chǎn)節(jié)能不僅能降低噸煤能耗,提高企業(yè)利潤(rùn),還減少排放,保護(hù)環(huán)境,利國(guó)、利民、利己。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年煤礦行業(yè)總能耗折合成煤炭超過(guò)8 500萬(wàn)t/a,約占當(dāng)年我國(guó)生產(chǎn)煤炭總量的5%左右。 如果計(jì)算煤炭產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中損失的能源,則總量將超過(guò)1.5億t/a。因此,煤礦行業(yè)節(jié)能減排已經(jīng)刻不容緩。
煤礦生產(chǎn)企業(yè)能源消費(fèi)主要分為采掘生產(chǎn),提升運(yùn)輸,固定通、壓、排系統(tǒng),輔助生產(chǎn)系統(tǒng),辦公生活以及煤炭洗選等6個(gè)方面。其中,直接圍繞煤炭生產(chǎn)的采掘、提升和運(yùn)輸作業(yè)用電量占煤礦主要能源消費(fèi)的1/2左右,煤炭洗選作業(yè)用電量占主要能源消費(fèi)的1/4左右。根據(jù)大量調(diào)查顯示,煤炭行業(yè)能源管理現(xiàn)狀及不足主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1) 能耗計(jì)量方面。能源消耗數(shù)字化計(jì)量表安裝偏少,能耗數(shù)據(jù)采集主要靠手工抄表,數(shù)據(jù)精細(xì)化程度無(wú)法達(dá)到能耗管理要求,各流程環(huán)節(jié),能耗數(shù)據(jù)都是孤立的,沒(méi)有集中管理,無(wú)法進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。
2) 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面。我國(guó)煤礦行業(yè)設(shè)備和過(guò)程環(huán)節(jié)缺乏能耗標(biāo)準(zhǔn),缺少具有一定技能水平的能耗管理和分析人員。煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)多,流水線長(zhǎng),地下地上工藝復(fù)雜,各環(huán)節(jié)能源配給沒(méi)有優(yōu)化,設(shè)備大馬拉小車、欠負(fù)荷運(yùn)行等能源浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重。
3) 管理考核方面。在很多煤礦企業(yè)中,雖然采掘自動(dòng)化水平很高,但能耗管理水平卻很低。煤礦企業(yè)很少設(shè)置能源管理部門,沒(méi)有一套科學(xué)、完整管理制度。沒(méi)有將能源消耗納入到班組考核,沒(méi)有對(duì)機(jī)器進(jìn)行能效評(píng)估和分析,管理模式粗放。
煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù),以能源流通為抓手,通過(guò)檢測(cè)用電系統(tǒng)設(shè)備的電能、電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因素等技術(shù)參數(shù),采集煤炭生產(chǎn)全流程能耗數(shù)據(jù)并集中管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)工藝和用電設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)的主要目的為:
1) 實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和集中管理。建立一套獨(dú)立的能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),精準(zhǔn)、精細(xì)、實(shí)時(shí)在線采集能耗數(shù)據(jù),將各部門有關(guān)能耗數(shù)據(jù)集中到一個(gè)服務(wù)器,統(tǒng)一管理。
2) 實(shí)時(shí)監(jiān)控能耗數(shù)據(jù),建立精準(zhǔn)考核制度標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)重點(diǎn)能耗設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程,通過(guò)能耗大數(shù)據(jù)分析和工作原理,制定能效考核標(biāo)準(zhǔn)和非正常能耗診斷;通過(guò)對(duì)能耗大數(shù)據(jù)分析,做到能耗透明化管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控,建立精準(zhǔn)有效管理制度和獎(jiǎng)罰措施,對(duì)區(qū)隊(duì)、班組進(jìn)行能耗考核,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。
3) 優(yōu)化各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)、部門之間的能源配給。煤礦各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的能源流通有其內(nèi)在規(guī)律,以井下采掘生產(chǎn)煤炭和掘進(jìn)進(jìn)尺為參考依據(jù),通過(guò)集中數(shù)據(jù),關(guān)聯(lián)分析,可以實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)、部門之間的能源優(yōu)化配給,避免“大馬拉小車”現(xiàn)象。
4) 實(shí)現(xiàn)能源消耗預(yù)警。在用能過(guò)程中,針對(duì)設(shè)備空載,可設(shè)置一定的報(bào)警閾值進(jìn)行報(bào)警,提示使用者可能存在的能源浪費(fèi)情況。在礦井總需求用量超出設(shè)定最大值時(shí),預(yù)警提示相關(guān)部門需要關(guān)閉一些負(fù)載,保證最大需量范圍內(nèi)的一類負(fù)荷用電需求;在系統(tǒng)能耗出現(xiàn)異常時(shí),預(yù)警提示相關(guān)工作人員對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)等。
煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu),基于Java語(yǔ)言、MyEcplice開(kāi)發(fā)工具、Tomcat服務(wù)器及MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)而成,提供內(nèi)外網(wǎng)訪問(wèn)功能,具有跨終端訪問(wèn)特性,具有一定的功能擴(kuò)展性,維護(hù)升級(jí)簡(jiǎn)單。
B/S架構(gòu)的web管理系統(tǒng)可以從結(jié)構(gòu)上分3層(B/S/D),即用戶服務(wù)層、應(yīng)用邏輯層、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)層,系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)
1) 用戶服務(wù)層,即瀏覽器端,提供網(wǎng)頁(yè)人性化界面,可注冊(cè)、查詢、提交相關(guān)數(shù)據(jù)。服務(wù)層除了可在瀏覽器進(jìn)行訪問(wèn),也可以在其他程序訪問(wèn)。
2) 應(yīng)用邏輯層,包括界面處理層、應(yīng)用處理層和數(shù)據(jù)庫(kù)操作層,界面處理層使用JSP/Servlet進(jìn)行頁(yè)面顯示,應(yīng)用處理層處理從界面層或數(shù)據(jù)層獲取的命令和數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)操作層直接和數(shù)據(jù)庫(kù)通信,提供多個(gè)原理性的DAO操作,如增加、修改、刪除等。
3) 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)層,封裝了數(shù)據(jù)庫(kù)的基本操作,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)表。
煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)硬件設(shè)施主要由智能化數(shù)字電力儀表、能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。以智能化數(shù)字儀表(傳感器)為主,構(gòu)成底層感知網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)采集能耗數(shù)據(jù)。感知網(wǎng)絡(luò)與能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)相連,采用TCP/IP有線傳輸網(wǎng)絡(luò)或LORA窄帶物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò),將采集數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器。能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)具有采集數(shù)據(jù)周期可調(diào),數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng),支持?jǐn)?shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳,支持多協(xié)議數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)傳輸方式多樣化等特點(diǎn)。通過(guò)軟件設(shè)置,能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)可適合不同協(xié)議能耗計(jì)量數(shù)字儀表協(xié)議,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)鐘讀寫(xiě)、斷點(diǎn)續(xù)傳、TCP/IP協(xié)議傳輸、無(wú)線傳輸、MD5加密認(rèn)證和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能,解決了傳輸速度較高的以太網(wǎng)和傳輸速度較低的現(xiàn)場(chǎng)總線之間不同速度和不同協(xié)議的問(wèn)題。
系統(tǒng)物理上采用兩級(jí)服務(wù)器,第一級(jí)為內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器,在礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng),用于運(yùn)行全部的能源管理系統(tǒng);第二級(jí)為云端服務(wù)器,架設(shè)在集團(tuán)公司機(jī)房或公共云端,提供數(shù)據(jù)異地備份及遠(yuǎn)程服務(wù),更便于集團(tuán)公司對(duì)分布在各地的煤礦能耗數(shù)據(jù)管理。

圖2 煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1) 配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)??蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)中各支路各儀表的用能及電力參數(shù)。
2) 部門/班組分析??蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各部門/班組各設(shè)備的用能比、同比、環(huán)比和電流趨勢(shì)等。
3) 原始數(shù)據(jù)查詢。可按時(shí)間查詢電量、電流、電壓以及功率等電力參數(shù)的原始數(shù)值。
4) 能耗數(shù)據(jù)查詢??砂磿r(shí)間查詢分鐘、小時(shí)、天、月以及年的用能數(shù)據(jù)。
5) 能耗圖表。提供繪制能耗折線圖、柱狀圖、餅形圖的功能。
6) 電力參數(shù)圖表。提供繪制電流、電壓、功率以及頻率等電力參數(shù)的折線圖和柱狀圖的功能。
7) 同比環(huán)比??蓪?duì)各支路進(jìn)行能耗同比、環(huán)比以及日比的分析。
8) 報(bào)警/預(yù)警查詢。根據(jù)時(shí)間和支路查詢所發(fā)生的報(bào)警事件,可設(shè)置最大需量(功率)預(yù)警。
9) 數(shù)據(jù)配置。提供系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),如計(jì)量?jī)x表、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、支路信息、部門/班組信息、電流參數(shù)以及報(bào)警閾值等信息進(jìn)行配置的功能。
10) 用戶管理。提供對(duì)用戶進(jìn)行增刪改查、用戶角色、用戶權(quán)限的配置功能。
4.1.1 煤礦地面負(fù)荷
在原有線路不變基礎(chǔ)上,每個(gè)配電房需要監(jiān)測(cè)的所有負(fù)載均需要加裝智能化數(shù)字電力儀表,實(shí)時(shí)采集能耗數(shù)據(jù)。對(duì)于監(jiān)測(cè)低壓380 V負(fù)荷,需獨(dú)立加裝互感器和數(shù)字電力儀表;對(duì)于監(jiān)測(cè)高壓10 kV配電及負(fù)荷,在共享原有互感器基礎(chǔ)上,加裝新的數(shù)字電力儀表,與原有電力儀表進(jìn)行電流串聯(lián),電壓并聯(lián),避免和其他系統(tǒng)接口造成干擾。同時(shí),配電房配備能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān),通過(guò)RS-485接口與智能化數(shù)字電力儀表連接,利用已布置的礦井工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。
在環(huán)境比較穩(wěn)定且布網(wǎng)絡(luò)線難度大的場(chǎng)合,可以通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)布置窄帶物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至服務(wù)器平臺(tái)。無(wú)線傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 窄帶物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
窄帶物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信模塊采用LoRa機(jī)制組建無(wú)線局域網(wǎng),采用基站和客戶端模塊構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。
4.1.2 煤礦井下負(fù)荷
井下需要監(jiān)測(cè)的能耗數(shù)據(jù),直接從中央變電所、盤區(qū)變電所或各個(gè)配電點(diǎn)的已有高、低壓開(kāi)關(guān)保護(hù)器上獲取,利用其485通信口,匯集接入增設(shè)的防爆型能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)上。礦井井下敷設(shè)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),各變電所和配電點(diǎn)采集到的能耗數(shù)據(jù),通過(guò)防爆型能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)就近接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī),傳輸至地面服務(wù)器。
在安裝設(shè)置有井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的礦井,井下能耗數(shù)據(jù)也可以直接從地面電力監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器獲取。
軟件采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu),客戶端可通過(guò)瀏覽器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行跨終端訪問(wèn)(比如:PC、手機(jī)、平板等),打破以往能源管理受時(shí)間和空間限制。該架構(gòu)十分靈活,可擴(kuò)展新極強(qiáng),可快速以模塊的形式為系統(tǒng)增加新的功能,且具有較好可維護(hù)性。
煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)軟件平臺(tái)具有總配電系統(tǒng)、實(shí)時(shí)能耗指標(biāo)、分析報(bào)表、部門/班組、系統(tǒng)、報(bào)警/預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)配置、用戶管理等11個(gè)界面。
1) 配電系統(tǒng)界面如圖4所示??芍庇^查看各支路實(shí)時(shí)用能情況和用能分析數(shù)據(jù),隨時(shí)查詢?nèi)我鈺r(shí)段任意儀表能耗數(shù)據(jù)。如:同比、環(huán)比、系統(tǒng)用能、分表用能、產(chǎn)能比、負(fù)載分析等。還可以方便查詢整個(gè)配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2) 實(shí)時(shí)能耗指標(biāo)界面??蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)節(jié)月度能耗情況和噸煤能耗情況,并且通過(guò)錄入考核指標(biāo),實(shí)時(shí)了解掌握各部門/班組和系統(tǒng)能耗超節(jié)情況,并采取相應(yīng)控制措施。
3) 分析報(bào)表界面??闪私獠樵兏鲉挝辉露扔媚苤笜?biāo)完成情況,或月與月各系統(tǒng)用能環(huán)比分析情況,也可以提供數(shù)據(jù)報(bào)表下載和導(dǎo)出,減少了人工超表和統(tǒng)計(jì)分析工作量。
4) 部門/班組界面或系統(tǒng)界面。煤礦企業(yè)可按照管理或生產(chǎn)責(zé)任范圍,劃分能耗計(jì)量?jī)x表,進(jìn)行能耗考核。部門/班組或系統(tǒng)、可通過(guò)查詢責(zé)任小組內(nèi)的具體用能情況、同比環(huán)比、產(chǎn)能比的數(shù)據(jù),做到具體的能效考核,將用能節(jié)能落到實(shí)處,實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)能減排。
5) 報(bào)警/預(yù)警界面??赏ㄟ^(guò)設(shè)置礦井最大能耗需量報(bào)警值,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井最大負(fù)載及其變化情況。
6) 統(tǒng)計(jì)分析界面。礦井各個(gè)部門、班組、系統(tǒng)都能快速實(shí)時(shí)查詢出任意時(shí)間范圍內(nèi)耗統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表,可包含各種用能數(shù)據(jù)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)等,讓企業(yè)制定和實(shí)施用能策略更加直接和快速。
7) 用戶管理界面??筛鶕?jù)不同權(quán)限修改訪問(wèn)數(shù)據(jù)的等級(jí),可設(shè)置部門/班組及系統(tǒng)級(jí)的訪問(wèn)權(quán)限,以及儀表級(jí)訪問(wèn)權(quán)限,還有各種對(duì)系統(tǒng)的操作權(quán)限。

圖4 總配電圖界面(實(shí)時(shí)顯示能耗數(shù)據(jù))
1) 煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為傳統(tǒng)能源企業(yè)本身提供信息支持,是傳統(tǒng)能源信息的大數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排,是煤礦工業(yè)供給改革和產(chǎn)業(yè)升級(jí)主要技術(shù)手段之一。
2) 煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)已首次在淮礦西部公司唐家會(huì)礦進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究和建設(shè)應(yīng)用。經(jīng)過(guò)近半年的平臺(tái)系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試,該系統(tǒng)于2017年初建成并投入試運(yùn)行。系統(tǒng)投入試運(yùn)行半年后,效果得到充分肯定,并在淮礦西部公司泊江海子礦和色連二礦進(jìn)行了全面推廣運(yùn)用。系統(tǒng)運(yùn)行后,通過(guò)對(duì)能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和集中管理,礦井實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析、對(duì)比、關(guān)聯(lián)、對(duì)標(biāo)等分析應(yīng)用,能準(zhǔn)確判斷掌握各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)節(jié)設(shè)備能源消耗、負(fù)載異常、最大用電需量等各種生產(chǎn)情況,及時(shí)指導(dǎo)調(diào)整生產(chǎn)負(fù)荷,降低能源消耗,減少能源浪費(fèi),節(jié)約生產(chǎn)成本,實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)能源消耗的精細(xì)化管理,提高行業(yè)管理效率和決策的科學(xué)性。