淺析綜合能耗監測系統在大型園區的應用

摘要：大型綜合園區已經成為多種能源消耗的重要區域，為了探索適用于大型綜合園區的綜合能耗監測系統，建立了綜合能耗監測系統整體框架，提出了綜合能耗網絡、能耗關系集合、能耗均衡度等概念，并以某大型綜合園區為例對綜合能耗監測系統的采集網絡進行詳細設計，為大型綜合園區綜合能耗評估分析提供一種新的模式。

關鍵詞：綜合園區 多能源 能耗 監測

1、引言

進入2l世紀以來，我國整體經濟發展迅速，然而經濟的快速發展伴隨著能源供應日趨緊張。經過十幾年高能耗推動的發展時期，能源供需失衡日益嚴重的現實己嚴重制約著我國社會經濟的可持續發展。2022年1月24日，國務院以國發[2021)33號印發《“十四五"節能減排綜合工作方案》將“園區節能環保提升工程"列為“十四五"重點工程。“《方案》明確，到2025年，全國單位國內生產總值能源消耗比2020年下降13．5％，能源消費總量得到合理控制，化學需氧量、氨氮、氮氧化物、揮發性有機物排放總量比2020年分別下降8％、8％、10％以上、10％以上。節能減排政策機制更加健全，重點行業能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本達到水平，經濟社會發展綠色轉型取得顯著成效。"的目標。預計到2025年，我國城市生活人口將達到總人口數的65％以上，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。

目前，建筑耗能已與工業耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的3大“耗能大戶"，其中建筑能耗約占全社會能耗的三分之一。在建筑能耗中，共性問題是能耗總量大、增長速度快、能耗指標高、終端用能設備總體能效水平低等。大型綜合園區作為高能耗建筑的集中區域，亟需合理有效的綜合能耗監測系統對其綜合能耗情況進行掌握，這對支持我國社會健康可持續性發展具有重要意義。到2025年，建成一批節能環保示范園區。

2、大型綜合園區中綜合能耗監測系統應用

大型綜合園區匯聚了多種生產要素，正常運轉需要電、水、冷熱等多種能源消耗，各種能源消耗具有消耗范圍廣、消耗時間不規律、消耗量大等特點。做好科學的能源管理工作，可以大大地提高能源使用效率，減少能源消費支出。大型綜合園區中的綜合能耗監測系統以園區內各用能設備運行和能耗特征為基礎條件，依據各類用能設備運行中所采集的反映其能源傳輸、變換與消耗的特征，采用能效協調控制策略實現能源優化使用。系統將建筑內各用能系統的能耗信息予以采集、顯示、分析、診斷，并在滿足用戶舒適度的前提下能對能耗的異常波動及時發送預警，查找問題根源，提供解決方案，為企業節能增資提供保障。有效加強建筑能耗統計分析和能效管理的系統性、科學性，提高終端能源利用效率，提高企業經濟效益，減少能源支出成本。綜合能耗監測系統針對園區內各建筑用電、用水及冷／熱量等進行能效綜合管理，包括建筑能耗綜合管理系統和水電冷熱表采集系統。水電冷熱表采集系統實現對園區各建筑各類用能數據的實時采集與上傳；建筑能耗綜合管理系統接收水電冷熱表采集系統上傳的用能數據，實現對園區各建筑各類用能數據的存儲、計算及應用，將分析展現的結果通過園區局域網進行訪問。

3、主要研究內容

綜合能耗監測系統框架包括應用業務層、數據采集控制層、數據感知層三層架構。

1)功能應用業務層

能源監測、能效分析、能效診斷、輔助決策以及檔案維護、系統管理等用戶功能，通過多維度、可視化的系統功能界面實現與用戶的信息互動；通過建立能耗評估模型，并利用數據挖掘、統計計算、多維分析等手段對能耗數據進行分析，為功能應用層提供直接的數據支持；數據存儲層利用主流結構化數據庫對能耗數據進行分類存儲，提高邏輯處理層的處理性能；

2)數據采集控制層

利用終端采集設備實現對智能電表、智能水表和智能冷熱計量表等遠傳終端的數據源采集，為整個綜合能耗監測系統提供基礎數據支撐和控制依據。

3)數據感知層：

數據感知層作為整個系統平臺的底層，用來采集信息，主要由各類傳感器組成，用來連接個能耗設備，實施采集能耗數據。

4、監測網絡設計

綜合能耗監測系統需要海量且數據支撐，因此監測網絡的設計尤其重要。本小節以某大型綜合園區為例詳細描述監測網絡的設計原則及實現方式。

監測網絡設計原則：

1)主干線路優先

首先，監測網絡的設計首先應滿足主干線路優先的原則，智慧園區主干線路的監測數據往往直觀的展示了園區整體的能耗情況，能夠為從園區整體上進行能耗分析提供直接的數據支持

2)重要區域優先

其次，監測網絡的設計應滿足重要區域優先的原則，所謂重要區域直接影響智慧園區正常運行的區域，例如智慧園區變配電站的用電監測、供水站的用水監測等。

3)經濟性原則

根據實際情況，對于不重要且可以通過計算得到節點，可以盡量不安裝或少安裝表計，以便節省實施費用。需要匯總的數據如果可以通過分表計計算得到，就無需再安裝總表計，

4)節能潛力大優先

能耗監測的目的是進行節能，因此應著重選取高耗能、節能潛力較大的設備進行監測。高耗能設備一般是指耗能量大、在用數量多、節能潛力較大的中央空調、各種泵類以及鍋爐、換熱壓力容器、電梯、起重機械等特種設備。

5、能耗監控系統設計

能耗在線監測系統是用戶端能源管理分析系統，在電能管理系統的基礎上增加了對水、電、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節約能源，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶可按照國家有關規定實施能源審計，分析現狀，查找問題，挖掘節能潛力，提出切實可行的節能措施，并向縣級以上人民政府管理節能工作的部門報送能源審計報告。

6、平臺介紹

 6.1、安科瑞企業能源管控系統概述

安科瑞企業能源管控系統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

6.2、應用場所

  鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業、木材、工業園區、醫院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業。

6.3、系統結構

現場通過廠區局域網和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

  系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

  現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

  網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

   平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

   平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

6.4、工業企業能耗監測系統功能

   平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

（1）平臺登錄

   在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

（2）大屏展示

   用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。

（3）首頁

   首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業級統計數據。

（4）數據監控

   對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

   能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。

   能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗報警提示等；

   配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀表的實時參數、門禁水浸狀態及能耗數據。

   實時統計：實時統計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

   數據展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區域、不同設備的不同的能耗參數；

   檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關處理操作，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗等報警提示；

（5）視頻監控

  接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

（6）變壓器監控

  展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

（7）儀表實時監控

  展示各個水電氣儀表的實時參數變化，以曲線圖的方式展示。

（8）能源中控

  將所有有關能源的能源參數集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

（9）用能統計

  從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

（10）成本分析

  統計各個監測節點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。

（11）產品單耗統計

  與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

（12）績效分析

  對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。

（13）運行監測

   系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視?？芍苯訌膭討B監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

（14）自定義能耗報表

   用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產各種報表，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。

（15）同比、環比

   提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環比

（16）分析報告

   以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

（17）能耗設備用能

   監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。 

（18）線損分析

   根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。

（19）碳排放管理

   按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。對單位產值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現超標預警，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。

（20）電能質量監測

   實時監測諧波含量、三相不平衡度、功率因數等，確保功率因數不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現故障。

（21）運維管理

   系統支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。

（22）報警管理

   針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業提前預警，避免發生火災事故和被罰款導致用能成本過高。支持分級分類報警，可對報警進行派發與閉環處理。

（23）能耗抄表

   可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。

（24）能耗分析自定義時間抄表

   可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

（25）容需量報表

   提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業實現容改需，降低基本電費。

（26）復費率報表

   對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。

（27）文檔管理

   對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統管理，支持文件的上傳和下載。

（28）3D可視化大屏

   對場景進行虛擬仿真，展示各區域運行及能源消耗情況，可實現分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監測點位的自定義綁定。

（29）3D子系統

   對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。

（30）工業組態

   可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。

（31）自定義駕駛艙

   可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

（32）基礎數據管理

   對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、能源、公示、及相關參數進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。

（33）手機APP

  APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

（34）知識產權證書

6.5系統硬件配置

7、結論

本文結合目前大型綜合園區中多種能源消耗量大、結構復雜等特點，設計了綜合能耗監測系統框架，并在能耗網絡的基礎上，所設計的綜合能耗監測系統，提出了監測網絡的設計原則并以大型綜合園區為例詳細闡述了監測網絡的架構設計。未來的主要研究包括以實際數據為支撐，進行深入的實驗，探索影響大型綜合園區能耗水平的主要因素，建立綜合能耗評估模型，實現對大型綜合園區各種能耗水平進行客觀的評估。在系統完成后將為降低園區管理的人力和運營成本和園區創造更好的經濟效益和社會效益。

安科瑞侯文莉