工業(yè)企業(yè)能耗在線監(jiān)測通用技術(shù)研究

楊紹鵬，王 璐，時希杰

(國家節(jié)能中心，北京100045)

0 引 言

隨著節(jié)能工作向系統(tǒng)化、精細化、信息化方向發(fā)展，節(jié)能領(lǐng)域運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)手段深挖、細挖節(jié)能潛力成為必然趨勢。為此，國家從“十二五”開始建設(shè)覆蓋全國一萬多家重點用能單位的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以全面、準(zhǔn)確、及時地掌握全國和分地區(qū)、分行業(yè)能源消費總量及其構(gòu)成，提高節(jié)能宏觀調(diào)控的針對性和有效性。建設(shè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，是推進能源生產(chǎn)和消費革命、深化創(chuàng)新節(jié)能工作的必然選擇，是企業(yè)進一步挖掘節(jié)能潛力、提高能源管理精細化水平的客觀需要，也有利于培育和發(fā)展節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，促進經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級。

1 能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的有關(guān)背景

“十一五”期間，國家建立了重點用能單位能源利用狀況報告制度，對重點用能單位能源利用狀況實行年度管理。2011年，國家發(fā)展改革委、教育部、工業(yè)和信息化部、財政部等十二部門聯(lián)合發(fā)布《萬家企業(yè)節(jié)能低碳行動實施方案》，提出要建立萬家企業(yè)能源利用狀況在線監(jiān)測系統(tǒng)。2012年，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃的通知》則進一步提出開展重點用能單位能耗在線監(jiān)測體系建設(shè)試點工作。從2014年下半年開始，國家組織開展能耗在線監(jiān)測試點，選取北京、河南、陜西3個省市的電力、鋼鐵、石油石化3個行業(yè)的部分重點用能單位開展試點。2015年以后，國家對能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)提出了新的要求，在《關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》、“十三五”規(guī)劃《綱要》、《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》等文件中再次提出了建設(shè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的明確要求。2017年，國家發(fā)展改革委、原質(zhì)檢總局聯(lián)合印發(fā)《重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設(shè)工作方案》，明確要求在試點基礎(chǔ)上推進能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，到“十三五”末期，基本建成連接各省(區(qū)、市)重點用能單位、相關(guān)部門和行業(yè)數(shù)據(jù)共享的能耗監(jiān)測系統(tǒng)，為政府部門統(tǒng)籌能源發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)、強化能源消費總量與強度“雙控”提供支撐，為重點用能單位提質(zhì)降本增效提供服務(wù)。

2 能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容

能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三部分建設(shè)內(nèi)容：一是建設(shè)省級平臺。省級平臺是監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)域性公共服務(wù)平臺，部署在各省(區(qū)、市)電子政務(wù)外網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，支持接入市級平臺數(shù)據(jù)，至少應(yīng)達到國家信息安全等級保護二級的要求。省級平臺由省級節(jié)能主管部門、質(zhì)監(jiān)部門負責(zé)建設(shè)，要優(yōu)先使用政務(wù)云等計算資源，符合國家對政務(wù)信息系統(tǒng)整合共享的工作要求。二是對接國家平臺。各省級平臺要按照統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到國家平臺。國家平臺部署在國家電子政務(wù)外網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，由國家發(fā)展改革委負責(zé)建設(shè)，主要功能是接入、匯總、分析各省級平臺或重點用能單位直接上傳的數(shù)據(jù)，為能源消費總量與強度“雙控”及重點用能單位節(jié)能管理等工作提供支持。三是建設(shè)重點用能單位接入端系統(tǒng)。重點用能單位接入端系統(tǒng)部署在重點用能單位內(nèi)部，由重點用能單位負責(zé)建設(shè)。主要功能是，通過計量儀表、工控系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至省級平臺，或直接上傳至國家平臺。

3 能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體技術(shù)路線

3.1 總體技術(shù)路線

能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)采用“國家平臺+省級平臺+重點用能單位端系統(tǒng)”的架構(gòu)和技術(shù)路線(見圖1)，為各部委、各級節(jié)能主管部門和質(zhì)監(jiān)部門、重點用能單位等用戶提供不同層次的服務(wù)。重點用能單位需按照《用能單位能源計量器具配置和管理通則》(GB 17167)配備計量儀表。

圖1 能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)路線

國家平臺部署在國家電子政務(wù)外網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，由國家發(fā)展改革委負責(zé)建設(shè)，主要功能是接入、匯總、分析各省級平臺或重點用能單位直接上傳的數(shù)據(jù)，為能源消費總量與強度“雙控”及重點用能單位節(jié)能管理等工作提供支持。國家平臺達到國家信息安全等級保護三級要求，可以為相關(guān)部門提供數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)信息共享。

省級平臺是監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)域性公共服務(wù)平臺，部署在各省(區(qū)、市)電子政務(wù)外網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，支持接入市級平臺數(shù)據(jù)，至少應(yīng)達到國家信息安全等級保護二級的要求。省級平臺由省級節(jié)能主管部門、質(zhì)監(jiān)部門負責(zé)建設(shè)，優(yōu)先使用政務(wù)云等計算資源。主要是接收本區(qū)域內(nèi)重點用能單位上傳的數(shù)據(jù)，整合能源供應(yīng)單位、其他行業(yè)節(jié)能主管部門系統(tǒng)，按統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國家平臺進行數(shù)據(jù)對接，為本省節(jié)能主管部門、質(zhì)監(jiān)、住建、交通等相關(guān)部門以及重點用能單位等提供支持服務(wù)。

重點用能單位端系統(tǒng)一般由能耗在線監(jiān)測端設(shè)備、計量器具、工業(yè)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的管理軟件等組成，部署在重點用能單位內(nèi)部，由重點用能單位負責(zé)建設(shè)，主要為用能單位提供能源管理服務(wù)。重點用能單位端系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)或傳輸專線等方式將采集到的數(shù)據(jù)上傳至省級平臺，再由省級平臺經(jīng)電子政務(wù)外網(wǎng)上傳國家平臺。

3.2 技術(shù)方法建議

(1)完善能源計量器具配備

企業(yè)依法配備能源計量器具，并定期檢定或校準(zhǔn)，能源計量器具應(yīng)滿足數(shù)據(jù)采集接口要求。進出用能單位(一級)和進出主要次級用能單位(二級)計量器具配備率和在線率達到100%；企業(yè)根據(jù)重點耗能設(shè)備或工序的能耗情況和儀表安裝的可行性，完善主要用能設(shè)備(三級)計量器具配備。計量器具配備率和準(zhǔn)確度等級達到《用能單位能源計量器具配備和管理通則》(GB17176)的要求。

(2)部署完善能源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

開展能源計量儀表(含新增、改造及已有儀表)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適應(yīng)性接入改造，基于已有自動化系統(tǒng)(DCS、PLC 及電力綜保系統(tǒng)等)，完善現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)主干網(wǎng)絡(luò)，在滿足安全性和隔離性技術(shù)要求下，實現(xiàn)能源計量數(shù)據(jù)、能源系統(tǒng)操作和質(zhì)量數(shù)據(jù)、關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一采集到能耗在線監(jiān)測端設(shè)備。

(3)開發(fā)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)

企業(yè)能源管理中心信息系統(tǒng)分為三層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層和人機交互層。數(shù)據(jù)采集層由企業(yè)交互終端和數(shù)據(jù)采集機(如有必要)組成，企業(yè)交互終端內(nèi)置控制器及智能儀表標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可與全球知名品牌的控制器和智能儀表實現(xiàn)組態(tài)配置通訊接口，內(nèi)置實時數(shù)據(jù)庫，用于暫存關(guān)鍵數(shù)據(jù)；內(nèi)置OPC接口，便于與第三方控制系統(tǒng)或信息系統(tǒng)通訊。企業(yè)如果有特殊需要，也可以添置數(shù)據(jù)采集機，采集機必須預(yù)置與生產(chǎn)現(xiàn)場智能儀表、PLC和DCS等現(xiàn)場測量和控制裝置的通訊協(xié)議，以便于相關(guān)數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)應(yīng)用層由多臺服務(wù)器組成，服務(wù)器用于存儲數(shù)據(jù)、存儲和運行模型庫(數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的固有關(guān)系)、存儲定制的人機交互界面等；人機交互層，該層由多種形式的人機交互設(shè)備組成，可以是大屏幕顯示器、PC機或移動終端等，這些設(shè)備應(yīng)方便生產(chǎn)管理人員使用能源管理中心信息系統(tǒng)的各項功能。

(4)部署能源集中監(jiān)控平臺

基于實時數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控圖組態(tài)系統(tǒng)，建設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)對各級(集團、分廠、車間、重要耗能設(shè)備)多種能源介質(zhì)(煤、電、蒸汽、水、燃料氣、氮氣等)產(chǎn)、存、耗全過程的實時監(jiān)控，掌握其歷史和實時趨勢。實時記錄能源系統(tǒng)事件，實時掌握能源使用消耗情況，實現(xiàn)對各類產(chǎn)能、供能和用能過程及設(shè)備的實時監(jiān)控、異常報警和分析管理。對重點耗能設(shè)備(變壓器、鍋爐、加熱爐、汽機、風(fēng)機、空壓機、泵等)進行能效實時計算與監(jiān)控，實時監(jiān)控與優(yōu)化設(shè)備的能源利用率、設(shè)備運行與生產(chǎn)負荷之間的匹配度。通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)，建設(shè)集團、分廠、車間、重要耗能設(shè)備四級能源監(jiān)控系統(tǒng)。

(5)健全管理制度

企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)過程和能量系統(tǒng)特點，制定切合實際的能耗在線監(jiān)測制度，充分發(fā)揮能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的作用。企業(yè)需將能源管理工作提升到與產(chǎn)品質(zhì)量管理和產(chǎn)量管理同等高度，針對不同產(chǎn)品和不同重點耗能設(shè)備或工序，制定能耗預(yù)警指標(biāo)體系；制定節(jié)能優(yōu)化生產(chǎn)操作指南。基于能源管理信息系統(tǒng)分析工具，制定持續(xù)改進的節(jié)能工作方案，實施在線能效績效考核管理，落實節(jié)能獎懲制度。

4 工業(yè)企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)通用技術(shù)要求

能耗在線監(jiān)測端系統(tǒng)部署在重點用能單位內(nèi)部，主要功能是通過計量儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至省級平臺，或直接上傳至國家平臺。能耗在線監(jiān)測端系統(tǒng)要通過網(wǎng)閘、防火墻、隔離等安全措施，確保內(nèi)部系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全；要具備遠程升級維保、一端多傳、接收國家和省級平臺推送信息和用能單位自身能源管理所需的功能。

端系統(tǒng)的核心是能耗在線監(jiān)測端設(shè)備，是重點用能單位的信息節(jié)點。重點用能單位管理信息系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、儀表中的能耗相關(guān)數(shù)據(jù)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)的方式，傳輸?shù)侥芎脑诰€監(jiān)測端設(shè)備。能耗在線監(jiān)測端設(shè)備對采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總，經(jīng)驗證、篩選、整理打包后，采用HTTPS進行通道保護傳送至上級系統(tǒng)應(yīng)用平臺。能耗在線監(jiān)測端設(shè)備在接入互聯(lián)網(wǎng)之前應(yīng)采用防火墻隔離可能來自互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊，可選硬件或軟件防火墻。用能單位當(dāng)前未配置硬件防火墻時，需配置硬件防火墻。

能耗監(jiān)測端設(shè)備作為連接用能單位生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點設(shè)備，必須保障數(shù)據(jù)傳遞的安全隔離，即能耗監(jiān)測端設(shè)備數(shù)據(jù)接入端和數(shù)據(jù)發(fā)送端之間的物理隔離和邏輯隔離，數(shù)據(jù)接入端網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，只能通過配置的數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)都被完全過濾無法通過。

能耗監(jiān)測端設(shè)備需采用“2+1”架構(gòu)設(shè)計，以雙主機加專用隔離部件的方式組成，即由內(nèi)網(wǎng)主機、外網(wǎng)主機、安全隔離數(shù)據(jù)交互單元三部分組成。用于連接生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)主機(如生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)、企業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)等)網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳遞、安全隔離、信息流訪問控制、內(nèi)容過濾和信息交換等。能耗監(jiān)測端設(shè)備中的內(nèi)、外部主機通過安全隔離數(shù)據(jù)交互單元連接(由專用隔離部件構(gòu)成)，安全隔離數(shù)據(jù)交互單元是兩個網(wǎng)絡(luò)之間唯一的可信物理信道。該內(nèi)部信道裁剪了TCP/IP等功能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，采用私有協(xié)議實現(xiàn)協(xié)議隔離。對于用能單位能耗數(shù)據(jù)的采集與遠傳，屬于安全性要求較高而實時性要求相對較低的應(yīng)用場合，安全隔離數(shù)據(jù)交互單元還將采用一組互斥的分時切換電子開關(guān)實現(xiàn)內(nèi)部物理信道的通斷控制，以分時切換連接方式完成信息擺渡，從而在兩個網(wǎng)絡(luò)之間形成一個不存在實時物理連接的隔離區(qū)。