摘要：隨著國家節(jié)能政策不斷出臺，企業(yè)節(jié)能減排的壓力逐年增加，加強對企業(yè)能源利用狀況、任務指標完成情況動態(tài)跟蹤勢在必行。該文從需求分析、設計思想、功能架構設計、網絡架構設計到功能設計與應用、應用效果等方面介紹了某煤層氣企業(yè)建設能耗在線監(jiān)測系統全過程，對其他能源公司建設能耗在線監(jiān)測系統有重要借鑒意義。

關鍵詞：節(jié)能減排；煤層氣企業(yè)；能耗在線監(jiān)測系統；能源管理

隨著節(jié)能工作向系統化、精細化、信息化方向發(fā)展，運用物聯網、大數據等信息技術手段深挖、細挖節(jié)能潛力成為必然趨勢。為此國家從“十二五"開始建設覆蓋全國一萬多家重要用能單位的能耗在線監(jiān)測系統，通過該系統可整體、準確、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成，提高節(jié)能宏觀調控的針對性和有效性。2017年9月和2021年9月，國家發(fā)展和改革委員會、市場監(jiān)管總局先后印發(fā)《重要用能單位能耗在線監(jiān)測系統推廣建設工作方案》、《關于加快推進重要用能單位能耗在線監(jiān)測系統建設的通知》、《完善能源消費強度和總量雙控制度方案》，要求采用“國家平臺＋省級平臺＋重要用能單位接入端系統"的架構，加快推進重要用能單位能耗在線監(jiān)測系統建設，是推進能源生產和消費革命、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)略性新興產業(yè)，促進經濟結構轉型升級。

    1 案例企業(yè)能耗現狀及問題

    案例企業(yè)所消耗的能源包括煤層氣、電力、柴油、汽油和新水；其中，電力和新水是公司購入的主要能源。煤層氣全部是自產自用，主要用于氣動機及燃氣發(fā)電機組；柴油主要用于柴油發(fā)電機組；電力大部分為外購所得，主要為生產生活供電，少部分通過燃氣發(fā)電獲得；新水通過市政管網供應；汽油為日常辦公車輛所使用。用能系統如圖1所示。

    目前案例企業(yè)能源管理相對粗放，在能源管理過程中存在一些問題：1）時間數據以月度為主，粒度不足。部分能流數據未進行時間精細化分析，且受人為因素影響顯著，不利于實時監(jiān)管。2）空間數據以全廠級為主，粒度不足。案例企業(yè)上報的數據多為全廠級別的能耗數據，重要能耗數據無法準確到采氣廠和單井，不能滿足能耗對比對標分析。3）數據采集質量問題。手工填報可能存在錄入錯誤、月度數據準確性差，缺少指標優(yōu)劣評估依據。

    圖1 用能系統結構

    2 需求分析

    2.1 國家要求

    根據《重要用能單位能耗在線監(jiān)測系統技術規(guī)范（實行）》，全國重要用能單位能耗在線監(jiān)測系統包括國家、區(qū)域兩級數據點，將同時接收用能單位上傳的能耗在線監(jiān)測數據。能源總量指標等逐日采集上傳的數據包括日指標和實時指標兩類。每日指標為00:00～24:00企業(yè)的能源總量指標；對于在線采集的數據，一般要求同時采集上傳實時指標，實時指標為每間隔15分鐘采集一次的能源消耗實時數據并保存在本地，在規(guī)定的數據上傳時間與每日上報數據打包后一同上傳到政府系統平臺。

    2.2 企業(yè)需求

    目前案例企業(yè)能源管理相對粗放，因此需要建設自身的能源管理系統，采用信息化、自動化技術集成企業(yè)能源系統數據采集、分析處理和管理等功能，從而提高能源利用效率完成節(jié)能任務目標。

    3 設計要求

    3.1 可用性

    系統設計要充分考慮整個工程環(huán)境中的不同因素，以保證在現場安裝調試后系統能夠立即穩(wěn)定可靠運行。

    3.2 可維護性

    系統的硬件、軟件設備便于維護，各部件都具有自檢和聯機診斷校驗的能力。軟件有備份，便于工程師安裝啟動，應用程序易于擴充，數據庫存取為用戶程序留有接口并提供二次開發(fā)的數據庫資料，便于用戶自行編制的程序加入系統中運行。

    3.3 容錯能力

    軟、硬件設備具有良好的容錯能力。當各軟、硬件功能與數據采集處理系統的通訊出錯，以及當運行人員或工程師在操作過程中發(fā)生一般性錯誤時，均不影響系統的正常運行；對意外情況引起的故障，系統具備恢復能力。

    3.4 安全性

    軟、硬件設備的運行均不會危及變電所的安全穩(wěn)定運行和工作人員的安全。軟件系統各程序模塊交互接口均采用參數編碼加密處理和參數有效性驗證處理、防SQL注入檢測的技術確保系統安全正常運行。通過加裝網絡防火墻對系統通信傳輸網絡及其通訊端口進行集中管理，盡可能程序減低病毒入侵和破壞。用戶訪問系統功能和數據采用嚴格的用戶角色分級授權管理，登錄用戶僅能夠查看對應的授權方案功能和數據。確保系統數據訪問的安全性和合法性。

    4 總體設計

    4.1 總體架構

    如圖2所示，能耗在線監(jiān)測系統分為四個層次，底層為數據采集層，包括OPC協議、Modbus協議、串口協議、數據庫采集或第三方系統采集等。在采集數據的基礎上建立數據傳輸、數據計算、數據清洗及數據治理使數據標準化，然后進行數據加工計算，形成方便應用的關系型數據庫、時序數據、大數據。以數據為基礎建立微服務平臺，提供統一的網關入口，進行統一的認證，注冊點對所有的API統一管理，配置點保存所有的配置數據，提供各種數據服務，為應用層提供支持。在平臺服務層上為應用服務層，創(chuàng)建了豐富的應用服務，包括用戶登錄，權限管理，設備管理，數據可視化服務綜合展示，能源綜合管理，能耗實績管理，能源報表管理等等。

    圖2 系統總體架構

    4.2 網絡拓撲

    如圖 3 所示，整個拓撲網絡主要包含工控網、數采網、辦公網、政府專線。工控網主要負責電力、DCS等系統的實時通訊，無法接入現有DCS控制系統的儀表、未連入電力后臺的電能表、地理位置偏僻不方便聯網的儀表，通過 DTU 連接儀表進行數據采集。數采網包含WEB服務器、數據庫服務器、工作站等硬件設施，主要負責工控網數據采集、計算、處理、存儲、應用等數據服務。整個系統軟件平臺部署在辦公網上，通過Web應用服務器以B/和S架構形式進行發(fā)布，上級公司和公司用戶通過瀏覽器連接辦公網進行訪問和使用。為保證數據和網絡的安全性，公司通過端設備和網絡專線向國家平臺發(fā)送相應的指標參數，并根據政府要求與政府平臺進行對接，滿足國家和地方政府能源監(jiān)管需求。

    圖3 網絡拓撲架構

    4.3 功能架構

    如圖4所示，能耗在線監(jiān)測系統基于過程信息集成平臺的業(yè)務應用系統開發(fā)，可以方便地配置所需要的功能和特性，能很大限度地開發(fā)適應企業(yè)自身特點的系統。其功能架構主要分為儀表采集層、第三方系統層、應用層、管理層。儀表采集層由流量計、電能表、壓力表等基礎數據設施組成，主要負責基礎能耗數據的采集工作；第三方系統層主要由中控DCS系統、SCADA系統、PLC系統、網絡傳輸設施等組成，主要實現第三方系統能耗數據采集、數據接口、傳輸協議、維持系統的持續(xù)運行和網絡穩(wěn)定；應用層為實現生產過程數據和設備狀態(tài)信息、計量數據、質量數據等實時數據的采集與歸檔，報表、圖形等數據的處理與存儲、實現數據的可視化監(jiān)測、信息管理等功能，支持能源及生產調度人員、管理人員、決策人員的業(yè)務需求；管理層用戶為上級公司和國家管理平臺，為其能源監(jiān)管提供數據支撐。

    圖4 系統功能架構

    5 功能設計與應用

    5.1 綜合展示

    綜合展示基于各類指標的數據統計，為用戶提供全過程多維度、多角度的生產數據和信息數據綜合展示。通過該模塊，上級公司用戶能夠方便直觀地瀏覽目前的能源消耗總量、各類能源消耗量以及下屬分公司關鍵指標使用情況。包括當月累計和全年時間粒度的油氣總產量、累計綜合能耗和累計碳排放量的數據展示，以及基于GIS地圖的各下屬分公司的關鍵指標對比。

    5.2 能源計劃與實績

    根據年度節(jié)能計劃，將能耗指標逐級分解、落實到下屬各分公司。上級公司結合政府和自有要求配置目標指標并輸入系統。能源指標參數包括綜合能耗、碳排放量、新水用量、節(jié)能量、節(jié)水量、單位油氣生產能耗、單位油氣生產水耗七個指標。能源實績管理指標參數包括綜合能耗、碳排放量、新水用量、節(jié)能量、節(jié)水量、單位油氣生產能耗、單位油氣生產水耗七個指標。

    5.3 能耗統計管理

    集中展示公司的總能耗產量、節(jié)能 /節(jié)水量統計、分類能耗統計，并可按照時間、介質種類、分公司構成等多個維度需求生成表格、餅圖等合理的可視化展示內容。頁面可按照年度和月度選擇查詢并進行可視化展示和對比。

    5.4 能耗數據預測

    基于能耗數據統計，選用合理的時間序列建立數學計算模型實現能耗數據的預測，并根據實際情況不斷學習修正。

    5.5 對標分析

    如圖5所示，以采氣廠為單位，橫向對標“單位開采量電耗"、“單位外輸量電耗"、“單位開采量綜合能耗"、“單位外輸量綜合能耗"等關鍵指標。

    以同類重要耗能設備為主體，橫向對標設備的運行效率和主要能效參數，并可根據相似工況設置各區(qū)域的“特殊值"、“優(yōu)值"等數值的方式與實際情況形成對比。

    5.6 集氣站監(jiān)測

    實現集氣站內煤層氣關鍵點處溫度、壓力、流量等工藝參數的監(jiān)測。實現集氣站內透平壓縮機能效參數及能耗參數的實時監(jiān)測。

    圖5 采氣廠對標

    6 應用成效

    （1）提升了能源數據時間顆粒度。案例企業(yè)能耗數據顆粒度由月度數據精細到分鐘級，重要耗能設備甚至到秒級，能耗數據采集更加有效，提高了案例企業(yè)節(jié)能工作的實時監(jiān)管。

    （2）提升了能耗數據空間粒度。案例企業(yè)能耗數據空間粒度大大提升，數據采集粒度可到單井，擴大了案例企業(yè)實時監(jiān)測范圍。

    （3）提高了能耗數據采集質量。案例企業(yè)通過自動采集大部分實物量并相應計算能耗數據，提升了能耗數據時效性和數據準確性。

    7 后續(xù)改進思路

    案例企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統基本實現企業(yè)自身用能監(jiān)管要求，但生產工藝、耗能設備等能量優(yōu)化還存在空白，仍需長期的實踐應用和不斷完善。案例企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統二期建設將以能量優(yōu)化為抓手，利用有效的數據預測技術和控制優(yōu)化技術，提升能源數據的使用水平，建立能源系統對生產工藝系統的有效支撐，實現企業(yè)能源系統安全穩(wěn)定運行。

    8 安科瑞企業(yè)能耗管理系統介紹

    安科瑞企業(yè)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(yè)的生產、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數據化管理，監(jiān)測企業(yè)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(yè)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(huán)比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數據和支持。

    9 應用場所

    鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)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(yè)、木材、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)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(yè)。

    10 系統結構

    現場通過廠區(qū)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(jiān)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(guī)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(xù)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：

    11 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(yè)的生產、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數據化管理。實時監(jiān)測企業(yè)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(yè)加強能源管理，提高能源利用效率和節(jié)能潛力，為節(jié)能改造提供數據依據。

    11.1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。

    11.2大屏展示

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

    11.3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(yè)級統計數據。

    11.4數據監(jiān)控

    對企業(yè)各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠實時的監(jiān)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(yè)削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

• 能源實時監(jiān)控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監(jiān)測，確保用能環(huán)節(jié)的持續(xù)穩(wěn)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(tài)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(qū)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；

    11.5視頻監(jiān)控

    接入攝像頭，實時掌控企業(yè)內實際情況。

    11.6變壓器監(jiān)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(guī)劃。通過各種運行參數狀態(tài)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。

    11.7儀表實時監(jiān)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。

    11.8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(yè)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。

    11.9用能統計

    從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)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(yè)用能統計、同比、環(huán)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。

    11.11成本分析

    統計各個監(jiān)測節(jié)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。

    11.11產品單耗統計

    與企業(yè)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(huán)比分析。同時將產品單耗與行業(yè)/國家/國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

    11.12績效分析

    對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區(qū)域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、規(guī)定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(yè)了解內部能效水平和節(jié)能潛力，評定能源消耗是否合理。

    11.13運行監(jiān)測

    系統對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監(jiān)測設備及工藝運行狀態(tài)，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(jiān)視?？芍苯訌膭討B(tài)監(jiān)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。

    11.14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(yè)各個節(jié)點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環(huán)比報表，支持導出報表。

    11.15同比、環(huán)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(huán)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(huán)比

    11.16分析報告

    以年、月、日對企業(yè)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(fā)現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。

    11.17能耗設備用能

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

    11.18線損分析

    根據節(jié)點、能源分類，查詢各個節(jié)點線路上的能源損耗數據，及時發(fā)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。

    11.19碳排放管理

    按照區(qū)域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環(huán)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(qū)域減排水平，促進碳達峰目標實現。

    11.20電能質量監(jiān)測

    實時監(jiān)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。

    11.21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(zhí)行巡檢、完成工單、巡檢發(fā)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(yǎng)需要。

    11.22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(yè)提前預警，避免發(fā)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(fā)與閉環(huán)處理。

    11.23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。

    11.24能耗分析自定義時間抄表

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

    11.25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(yè)實現容改需，降低基本電費。

    11.26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(yè)分時用電，優(yōu)化成本效益提供數據支持。

    11.27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。

    11.28 3D可視化大屏

    對場景進行虛擬仿真，展示各區(qū)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(jiān)測點位的自定義綁定。

    11.29 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(tài)及能源消耗情況，可實現動態(tài)的能源流向效果。

    11.30工業(yè)組態(tài)

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

    11.31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。

    11.32基礎數據管理

    對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節(jié)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。

    11.33手機APP

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

    11.34知識產權證書

    12 系統硬件配置

    13 結論

    案例企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統基本實現了煤層氣田用能實時監(jiān)測、能源綜合管理、多維指標對標、報表管理等功能，滿足地方政府和上級公司要求。未來能耗在線監(jiān)測系統需要與國家“碳達峰、碳中和"國家戰(zhàn)略深度融合，深挖數據價值，科學合理配置能源，助力國家“雙碳"目標實現。