某水務(wù)集團(tuán)給水廠電能管理系統(tǒng)平臺設(shè)計與實踐

趙博龍

北京市自來水集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100031

1 背景

電能管理系統(tǒng)為企業(yè)提供精細(xì)化的管理模式和節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可為企業(yè)提供一個節(jié)能、安全、優(yōu)化的信息化平臺，通過網(wǎng)絡(luò)延伸布設(shè)，使企業(yè)信息化傳遞更加快速，使即時電能消耗和企業(yè)生產(chǎn)用能狀況一目了然，使企業(yè)更為便捷、全面和準(zhǔn)確地對生產(chǎn)過程中的電能消耗、電能損失、電能平衡、電能成本、電能趨勢變化和電能利用水平進(jìn)行實時掌控。在電能統(tǒng)計和監(jiān)測的基礎(chǔ)上，制定相關(guān)的節(jié)能措施，進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力，使企業(yè)持續(xù)改進(jìn)使用策略、提高電能信息化管理層次和降低企業(yè)電能成本，全面提升企業(yè)市場綜合競爭力。

2 需求分析

某水務(wù)公司的給水廠平均電能均占生產(chǎn)成本50%以上，節(jié)能降耗是水廠成本管理的重點(diǎn)，因此建設(shè)電能管理系統(tǒng)意義重大。

某水務(wù)集團(tuán)下轄10余處給水廠，本次電能管理系統(tǒng)將在各水廠分批次逐步實施，本文依托2019年實施的兩個給水廠電能管理系統(tǒng)作為試點(diǎn)。

本次電能管理系統(tǒng)建設(shè)計劃分為兩個層級：給水廠電能管理系統(tǒng)和集團(tuán)級電能管理系統(tǒng)。

2.1 給水廠電能管理系統(tǒng)擬要實現(xiàn)功能需求

(1)全廠能效計量：實現(xiàn)給水廠電能計量及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)視、統(tǒng)計、分析。

(2)能效實績考核：對各電能單元分區(qū)責(zé)任制管理，提高員工節(jié)能意識和節(jié)能降耗積極性；對關(guān)鍵能效指標(biāo)監(jiān)控、預(yù)警，實現(xiàn)班組、全廠能效實績考核。

(3)設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行：通過對重點(diǎn)電能設(shè)備的效率核算、監(jiān)視和控制，實現(xiàn)設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(4)電能質(zhì)量監(jiān)控：通過系統(tǒng)對諧波分量圖及其趨勢圖的監(jiān)控，實現(xiàn)電能質(zhì)量及諧波監(jiān)測、分析，避免發(fā)生諧波危害和電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題。同時提高功率因數(shù)、負(fù)荷均衡和變配電效率，降低供電系統(tǒng)損耗。

2.2 集團(tuán)級電能管理系統(tǒng)實現(xiàn)功能需求

(1)集團(tuán)能效全面管理：各給水廠電能管理系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳集團(tuán)電能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)所屬水廠電能管理的全覆蓋。

(2)節(jié)能降耗管理：通過電能計量及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計、分析，推動水廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能技改工作的實施，形成節(jié)能技術(shù)交流培訓(xùn)平臺。

(3)能效實績評價與考核：利用大數(shù)據(jù)對水廠內(nèi)部、水廠之間關(guān)鍵能效指標(biāo)對標(biāo)、分析，評價水廠能效挖掘潛力，通過目標(biāo)指標(biāo)考評和節(jié)能降耗經(jīng)驗推廣，激勵員工、班組、水廠節(jié)能降耗積極性，有效降低電能成本。

3 建設(shè)目標(biāo)

為了做好某水務(wù)集團(tuán)節(jié)能減排工作，進(jìn)一步增強(qiáng)水務(wù)集團(tuán)工作人員節(jié)能意識，加強(qiáng)電能管理，降低電能成本，結(jié)合某水務(wù)集團(tuán)水廠電能的現(xiàn)狀，本次電能管理系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)如下：

3.1 各水廠能效工況統(tǒng)計、分析與預(yù)警

開展集團(tuán)以及各單位電能工況統(tǒng)計、分析與預(yù)警，集團(tuán)所屬各單位間關(guān)鍵電能指標(biāo)對標(biāo)，查問題找原因，尋找節(jié)能降耗重點(diǎn)目標(biāo)，進(jìn)行管理提升或節(jié)能技改。

對于重點(diǎn)耗能設(shè)備由于客觀原因偏離額定工況時增加的電能，通過工況統(tǒng)計、分析與預(yù)警等手段，科學(xué)化合理調(diào)整工藝流程和技術(shù)路線等。

3.2 節(jié)能降耗管理

建立節(jié)能技改臺賬，進(jìn)行節(jié)能效果統(tǒng)計、分析；進(jìn)行節(jié)能技術(shù)、措施研究與推廣；以本項目為契機(jī)，構(gòu)建節(jié)能技術(shù)交流培訓(xùn)平臺。

3.3 能效實績評價與考核

以各給水廠分級管理電能作為考核指標(biāo)，對水廠電能管理水平進(jìn)行評價、分級管理；各給水廠的電能預(yù)算指標(biāo)進(jìn)行年度、月度考核評價。

4 設(shè)計方案

4.1 總體規(guī)劃

4.1.1 整體規(guī)劃，分步實施原則

某水務(wù)集團(tuán)電能管理系統(tǒng)建設(shè)要遵循整體規(guī)劃，分步實施，從集團(tuán)發(fā)展戰(zhàn)略、電能管理先進(jìn)手段、電能結(jié)構(gòu)調(diào)整等高度出發(fā)，做到整體規(guī)劃，分為遠(yuǎn)期規(guī)劃、中期規(guī)劃和近期規(guī)劃，并進(jìn)行分步實施。

4.1.2 技術(shù)成熟，應(yīng)用創(chuàng)新原則

電能管理系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)選擇成熟的、主流的和符合技術(shù)發(fā)展趨勢的相關(guān)產(chǎn)品，使電能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)營兼具經(jīng)濟(jì)性及創(chuàng)新性。

4.1.3 充分兼容，減少投資原則

電能管理系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)之間的兼容性原則，系統(tǒng)應(yīng)充分兼容其他電能信息化相關(guān)系統(tǒng)。

4.1.4 結(jié)合實際，彰顯特色原則

電能管理系統(tǒng)的建設(shè)過程中，從水廠電能使用現(xiàn)狀出發(fā)，充分考慮實際需求，在滿足基本需求的基礎(chǔ)上，讓系統(tǒng)功能更豐富而具有特色。

4.2 總體架構(gòu)及硬件系統(tǒng)

本次電能管理系統(tǒng)從業(yè)務(wù)層級上可分為水廠監(jiān)控級和集團(tuán)運(yùn)營管理級，其中水廠和集團(tuán)都是切實存在的公司實體，其對應(yīng)的功能需求如下。

集團(tuán)運(yùn)營管理層：電能數(shù)據(jù)的挖掘分析，績效考核；目標(biāo)制定，計劃制訂等運(yùn)營管理；

水廠現(xiàn)場監(jiān)控層：承上啟下的作用，現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的過濾與匯總，對水廠進(jìn)行專業(yè)管控。

本次電能管理系統(tǒng)由電能計量裝置、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、工作站、服務(wù)器、運(yùn)營管理軟件等組成，總體架構(gòu)詳見圖1。

圖1 某水務(wù)集團(tuán)水廠電能管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.3 軟件系統(tǒng)

4.3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

本次電能管理系統(tǒng)軟件的架構(gòu)采用目前最為主流、成熟的三層架構(gòu)：即數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層，如下圖2所示。

圖2 電能管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

4.3.1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是整個電能管理的基礎(chǔ)，其包括數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)存儲。

數(shù)據(jù)采集包括智能設(shè)備采集、手動錄入系統(tǒng)和與其他系統(tǒng)通信的三種方式；采用基于SQL結(jié)構(gòu)的大型數(shù)據(jù)庫將采集上來的電能數(shù)據(jù)按照分項分類的標(biāo)準(zhǔn)存儲。

4.3.1.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要分成四個功能模塊，分別是數(shù)據(jù)及消息管理、分析展示、輔助管理及后臺管理四個功能模塊。

數(shù)據(jù)及消息處理的主要功能包括電能數(shù)據(jù)的采集、電能數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)上傳，以及電能數(shù)據(jù)的備份、校驗和還原功能。

分析展示主要是將電能數(shù)據(jù)結(jié)合企業(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)行多維度的分析，然后將結(jié)果通過曲線、圖表等等方式展現(xiàn)出來。

輔助管理功能是根據(jù)運(yùn)行的電能數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)管理者制定相關(guān)的考核指標(biāo)、進(jìn)行考核并將電能數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行展示。

后臺管理系統(tǒng)是對整個能效管理系統(tǒng)的工程管理，如用戶權(quán)限的設(shè)置，系統(tǒng)增容以及界面設(shè)置等功能。

4.3.1.3 表現(xiàn)層

表現(xiàn)層的主要功能是將電能數(shù)據(jù)信息及分析結(jié)果通過一定的方式展現(xiàn)給對應(yīng)用戶，不同的用戶分組擁有不同的權(quán)限，可以看到指定的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)是基于B/S結(jié)構(gòu)，展示主要以圖形、報表級曲線等方式，通過Web瀏覽器方式實現(xiàn)。

4.3.2 軟件系統(tǒng)的內(nèi)容

電能管理系統(tǒng)軟件建設(shè)主要有：

(1)Web系統(tǒng)：支持在一個平臺系統(tǒng)上能建立多個基于Web系統(tǒng)的服務(wù)及其功能[1]。

(2)安裝SOA工作流引擎：采用標(biāo)準(zhǔn)的SOA架構(gòu)，通過SOA工作流引擎與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)交互[2]。

(3)安裝網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議：smtp.pops，imap4，web soap等[2]。

(4)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：建立大型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、大型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫SOL Server2008和實時的工業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

(5)建立安全系統(tǒng)：設(shè)置防火墻軟件、防病毒軟件，可有效地防止黑客入侵。

(6)電能管控系統(tǒng)軟件：在建設(shè)周期內(nèi)可以動態(tài)實現(xiàn)根據(jù)車間內(nèi)需要修正軟件功能。

4.3.3 軟件系統(tǒng)功能

本次電能管理系統(tǒng)軟件所能實現(xiàn)的主要功能(不限于)如下：

4.3.3.1 數(shù)據(jù)采集及管理

系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層將電能數(shù)據(jù)采集上來，并將其存儲至實時數(shù)據(jù)庫中，存儲的數(shù)據(jù)帶有時間、用途及位置等信息。

4.3.3.2 系統(tǒng)管理

靈活的用戶配置界面，可以讓用戶很方便地進(jìn)行用戶配置、區(qū)域管理、分類分項及分科室管理，并能很方便進(jìn)行儀表信息管理。

上述功能須在專用客戶端上進(jìn)行，以保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全和生產(chǎn)運(yùn)行安全。

4.3.3.3 電能管理

(1)用戶可自定義實現(xiàn)基于GIS地圖的電能監(jiān)測與管理、各生產(chǎn)構(gòu)筑物分項用能數(shù)據(jù)分析展示、用能查詢，當(dāng)能源監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生異常，可以直接在地圖上進(jìn)行位置鎖定，幫助客戶縮短故障恢復(fù)時間。

(2)對電能系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)設(shè)定報警限值，設(shè)定的內(nèi)容包括報警內(nèi)容、報警類型、報警等級、報警級別、位置、能源類型、周期、指標(biāo)、單位、設(shè)定值等。

(3)報警管理包括報警設(shè)定、實時報警、統(tǒng)計分析、歷史查詢等管理功能[3]。

(4)提供對歷史報警信息的查詢功能，實現(xiàn)多種查詢條件的查詢，列表展現(xiàn)報警信息列，可導(dǎo)出Excel，也可查看每條報警信息的詳細(xì)情況。

(5)提供對報警信息的分析功能，方便客戶查看各種記錄信息和分析報警原因，給出分類統(tǒng)計、縱向?qū)Ρ鹊榷喾N分析方法。

(6)對電能消耗總體情況和分項情況進(jìn)行統(tǒng)計，按照年、季、月、周和天的時間進(jìn)行統(tǒng)計分析，并以柱狀圖、曲線、數(shù)字表現(xiàn)形式顯示和輸出，實現(xiàn)電能統(tǒng)計需求。

(7)可以從數(shù)據(jù)庫中任意選取數(shù)據(jù)形成方案，并針對所選方案完成圖形化對比分析展示。

(8)通過自由分析功能，可實現(xiàn)客戶對該系統(tǒng)內(nèi)電能數(shù)據(jù)的任意組合查看，查看方式為圖表。包括自由分析方案的定義(新建和修改)、查看、導(dǎo)出或打印自由分析圖表等功能。功能頁面上包括自由分析查詢、方案編輯等管理功能。

4.3.3.4 報表管理及發(fā)布

系統(tǒng)可以生成各類電能的日報表、月報表、年報表等各種報表，實現(xiàn)電能精確計量和運(yùn)行監(jiān)管功能[4]，清晰描述企業(yè)總的用電現(xiàn)狀。

系統(tǒng)提供各種電能對比、電能審計相關(guān)報表，包括但不限于以下各類報表：

(1)按日、月、年提供某個工藝段電能報表。

(2)各工藝段用電環(huán)比、同比報表。

(3)工作時間與非工作時間用電分析。

(4)分時、分區(qū)電能消耗對比分析。

(5)同時實現(xiàn)報表的自動生成與實時發(fā)布功能。

報表提供打印、過濾、排序等功能，打印方式支持Word、Excel、PDF、棒圖、曲線等圖表打印功能。

4.3.3.5 績效考核

采用績效管理的方法實現(xiàn)對客戶電能使用的一種考核方法，目的是促進(jìn)客戶(電能使用者)提高能源管理水平、提供電力系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行效率、人員的節(jié)能意識等以實現(xiàn)節(jié)能的目的。其包括績效設(shè)定、實時績效、績效分析等管理功能。

4.4 管控中心

電能管理系統(tǒng)建設(shè)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單個水廠不需建設(shè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)主控中心，每個水廠的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸給集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)器，每個水廠電能管理僅增加服務(wù)器、工作站及防火墻等基礎(chǔ)設(shè)備，數(shù)據(jù)中心建設(shè)在集團(tuán)電能管控中心，其作為節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的支撐。

本次電能管理系統(tǒng)采用的體系架構(gòu)為C/S和B/S架構(gòu)。B/S架構(gòu)的特點(diǎn)是通過瀏覽器訪問服務(wù)器的程序，在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺能上網(wǎng)的電腦就能使用，客戶端零維護(hù)，系統(tǒng)的擴(kuò)展非常容易。C/S結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是客戶端要安裝客戶端程序，通過客戶端程序與服務(wù)器進(jìn)行交互，充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力，很多工作可以在客戶端處理后提交給服務(wù)器，客戶端響應(yīng)速度快。B/S架構(gòu)的應(yīng)用，適用于用戶交互量不大的應(yīng)用，對于要求高速、頻繁交互的模式則采用C/S體系，所以兩者在應(yīng)用時采用相互補(bǔ)充。

結(jié)語

節(jié)能降耗是水務(wù)公司可持續(xù)發(fā)展的根本，它是水務(wù)公司降本增效，提高生產(chǎn)運(yùn)營效益的重要途徑，更是水務(wù)公司應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的重要社會責(zé)任。因此對于水務(wù)公司來說，搞好電能管理，提高電能使用效率是具有重要的意義的[5]。

本次給水廠電能管理系統(tǒng)已部署在某集團(tuán)調(diào)度中心及給水廠中控室，具體實現(xiàn)的功能有：水廠電能消耗能流圖表、電能預(yù)警、統(tǒng)計分析、歷史查詢、同類對比、自由分析、績效考核、報表管理、節(jié)能效果分析等，本系統(tǒng)已投入運(yùn)行將近3年，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，滿足了電能生產(chǎn)及運(yùn)營管理要求，為給水廠的電能管理提供有效的支撐。