智能化背景下用能單位能耗監測與管理系統設計研究

杜彩文 陳勇 張宣 陳靜

21世紀以來，我國經濟水平逐步邁入世界前列，但企業生產過程中仍存在高能耗、低效率的問題，掣肘企業經濟發展的同時，也為我國“雙碳”政策的推進造成了阻礙，在很大程度上制約了我國的經濟發展。本研究立足于節能減排發展戰略，設計了一套針對用能單位的能耗監測與管理系統，以期能夠通過該系統提高企業用能效率。

建設企業能源管理系統不僅能夠滿足公司當前對能源管理的需求，而且能夠隨企業的持續發展而拓展。該系統的應用可顯著減少企業在能源消耗方面的數據統計、表格維護、報告編制和數據處理等的成本。該系統通過在線分析監測數據，支持企業實時監控能源消耗，進行精確統計和深入預測。這不僅為企業在節能減排和持續改進方面提供了可靠的數據基礎，而且還強化了決策制定過程的有效性。

一、系統設計目標

（一）根據能耗數據實時自動采集，實現數字化能源管理

基于智能多功能電力測控終端，幫助企業實現能耗數據的自動采集和網絡傳輸，實現全廠區的用電監測等。

（二）搭建企業智慧用能管理平臺，實現精細化管理

基于上傳的多時間尺度、多參數維度用能數據，該系統幫助企業搭建智慧用能管理平臺，實現能耗數據自動報表統計，用能結構、用能趨勢的可視化分析，用能實時監測及告警，安全、節能、降費優化建議與報告管理等，促進企業用能管理水平、管理效率的提升。

（三）實現產量能耗監測評估，助力企業降低單耗

單品能耗可直接反映企業生產工藝、生產效率情況，對同一產品不同生產車間、生產線進行單位能耗統計與分析，有助于企業找出生產差異。

（四）實現企業用能安全、節能、降費的管控及優化目標

基于智慧用能管理平臺的數據分析結果，發現企業在安全、節能、降費3個層面的管控需求及優化空間，并分別為企業提供配用電系統智能運維、配用電系統智能節電、基本電費優化等解決方案，幫助企業實現全方位的用能優化，收獲優化效益。

二、能耗監測與管理系統的設計

（一）系統設計思路

智能能源管理系統的構成包括幾個關鍵組件：監控中心負責整體監管，主干通信網絡確保系統內部信息流暢傳輸，現場監控網絡實現現場數據的實時采集，多種智能計量設備用于精確測量和記錄能源使用，以及網絡控制器是連接第三方智能計量設備的關鍵接口。從安全用能、用能管理自動化、能耗監測與計量、能效提升、用能質量監測、智能設備管理角度出發進行系統化設計，具體思路共分為如下6點：

充分結合公司目前現狀及能源管理的特點，設計出科學高效、完善合理、功能齊全、可實施性強的能源管理平臺技術方案；

根據能耗情況，以最終實現集水、電為一體的能源監控系統；

該系統使得能源使用能夠在真實時間內進行在線監測，為能源管理人員提供了多級管理權限。這樣，他們可以在任何時間、任何地點，實時查詢能耗數據和狀態；

充分體現投資回報效益，體現管理節能、技術節能的綜合效益；

為制定能源政策提供詳實的依據，以實現資源的科學管理、科學利用的目標；

根據各個配電室、監控中心、檢測點之間的位置提供合適的通信方式及網線連接方案。

（二）系統功能設計

1.能源采集數據網絡

能源數據采集網絡具有3大特點，即可靠性、冗余性以及可行性，以此實現對企業電、水、油、氣等能源消耗數據的采集，通過構建能源數據網絡，能夠幫助企業實現能流高度集成控制，提高能源利用效率。

2.能源監測系統

能源監控系統設計用于收集耗能設備的多種信息，包括但不限于設備的質量安全環保指標、生產核心指標和能源質量參數等，涵蓋了一些關鍵的數據點。這個系統具備多種功能，不僅能實時監測設備的運行狀態，還能分析能耗的歷史趨勢和模式，實時監控能耗情況，通過與生產管理系統的有機結合，實現企業生產作業的一體化管理。

3.能源管理系統

能源管理系統能夠實現對企業作業能耗的全方位管理，具體分為五個方面：

用能實時監測。平臺提供強大的用能分析功能，可在線查看圖形化展示的各監測點的用能數據。通過對電、水、油等各類用能數據的分類分項計量，以及同、環、占比、排名、變化分析，可幫助企業掌握用能詳細數據和發現異常用能，使節能降耗活動有的放矢，有據可依。

用能報表。可按照日/周/月/年/任意時段等多種時間單位，以及產品/工序/車間等多個分析維度進行用能的統計分析，形成不同時間尺度下的用能報表，并能支持Excel格式下載。

碳排放計算。系統可以將不同能源介質的使用量轉換成標準煤，形成企業的碳排放數據。可以按日、月統計，并具備同比、環比功能。系統內可對碳排放數據設置告警，可在碳排放超標前及時提醒企業采取相應措施。

能源平衡。系統通過能流圖的形式直觀展示企業各類能源的使用方向，幫助企業管理者掌握企業對不同能源介質使用的平衡。

電費分析。系統可按照電網公司計費方式，每個月自動生成企業的電費分析報告，分析企業各項電費占比及用電合理性。系統通過智能分析，向用戶推薦更經濟的電費報裝方式，節省電費。同時，系統實時采集計算用戶月度平均功率因數，可以設定閥值，自動提醒用戶及時處理功率因數不達標問題，避免罰款。

三、能耗監測與管理系統的實現

（一）能耗監測和管理功能的實現

能耗監測與管理功能依托ESP-ISYS平臺以及系統集成技術，以此構建智能化能耗綜合監測管理系統。本系統能夠實現對企業能耗設備及設備相關信息的全范圍采集，如設備信息、設備耗電情況、設備耗電預測等。同時，系統還能根據采集的生產數據、能耗信息進一步集成、管理關鍵能耗設備，以此優化設備能耗，提高能源使用效率。另外，本系統還能校正、診斷所采集的設備能耗數據，實時監控各能耗設備的運行情況，并對這些設備進行周期性故障診斷。一旦發現運行異常，便會開啟警報功能。本系統應用到企業生產作業中，能夠進一步幫助企業預測能源消耗，優化能源調配流程，實現對能源資源的集成管理和控制。

（二）數據采集與自動化功能的實現

實現數據采集和自動化功能，核心依賴于系統的網絡結構。該結構采用三層交換技術來進行局域網絡的劃分。在這種架構中，核心層，也就是系統的管理層，主要基于工業級以太環網的設計理念來構建，具體框架如圖1所示。

為了有效監控企業能耗設備的運行狀況，不僅要通過數據采集模塊同步收集能源使用數據，還需對關鍵能耗設備的環境質量安全數據、操作數據和生產數據進行詳細采集。為了提升數據采集系統的能力，必須在一些生產設備的回路上安裝計量儀表，并對那些無通信接口的計量儀表進行升級改造，以增加計量儀表的覆蓋率。這些措施將極大地促進系統在能耗監測與管理方面的效能。

（三）能源平衡和調度功能的實現

為了有效利用能源平衡和調度功能，首先必須建立基于能耗數據采集與分析的框架。此外，系統中應整合一個優化的調度模型，進而能夠根據能耗采集數據對企業生產能耗進行預測。同時，再加入動態模擬算法，還能夠在預測能耗的基礎上實現對企業生產能耗成本的評估，并結合各設備運行的情況制定能源優化調度方案，從而幫助企業實現節能減排的建設目標。

四、結束語

相較于發達國家，我國在企業生產能耗管理方面較為落后，在能耗監測與管理系統的建設方面仍不夠完善。在智能化工業的背景下，企業生產、管理均已朝著現代化的方向發展，智能化、自動化技術的應用效果愈發顯著，不僅能夠幫助企業降低生產成本，并且還能推動企業現代化管理的轉型。現階段，國內企業在能耗管理方面的研究逐漸增多，并取得了較為理想的效果，企業在降低高能耗和提升收益方面已取得初步的進展。通過建立能耗監控和管理系統，企業能夠對關鍵能耗設備進行監控，對質量和環境數據進行分析，并利用能源調度與平衡功能，進一步優化能源利用效率，為企業后續生產制定可行的能源調度方案，這對于企業節能減排建設目標的實現有著重要意義。

作者單位：安徽馬鋼礦業資源集團礦山科技服務有限公司