21世紀以來，我國經濟水平逐步邁入世界前列，但企業(yè)生產過程中仍存在高能耗、低效率的問題，掣肘企業(yè)經濟發(fā)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(fā)展。本研究立足于節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略，設計了一套針對用能單位的能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)，以期能夠通過該系統(tǒng)提高企業(yè)用能效率。建設企業(yè)能源管理系統(tǒng)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(yè)的持續(xù)發(fā)展而拓展。該系統(tǒng)的應用可顯著減少企業(yè)在能源消耗方面的數據統(tǒng)計、表格維護、報告編制和數據處理等的成本。該系統(tǒng)通過在線分析監(jiān)測數據，支持企業(yè)實時監(jiān)控能源消耗，進行統(tǒng)計和深入預測。這不僅為企業(yè)在節(jié)能減排和持續(xù)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。

1 系統(tǒng)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(yè)實現能耗數據的自動采集和網絡傳輸，實現全廠區(qū)的用電監(jiān)測等。

(二)搭建企業(yè)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(tǒng)幫助企業(yè)搭建智慧用能管理平臺，實現能耗數據自動報表統(tǒng)計，用能結構、用能趨勢的可視化分析，用能實時監(jiān)測及告警，安全、節(jié)能、降費優(yōu)化建議與報告管理等，促進企業(yè)用能管理水平、管理效率的提升。

(三)實現產量能耗監(jiān)測評估，助力企業(yè)降低單耗單品能耗可直接反映企業(yè)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(tǒng)計與分析，有助于企業(yè)找出生產差異。

(四)實現企業(yè)用能安全、節(jié)能、降費的管控及優(yōu)化目標基于智慧用能管理平臺的數據分析結果，發(fā)現企業(yè)在安全、節(jié)能、降費3個層面的管控需求及優(yōu)化空間，并分別為企業(yè)提供配用電系統(tǒng)智能運維、配用電系統(tǒng)智能節(jié)電、基本電費優(yōu)化等解決方案，幫助企業(yè)實現用能優(yōu)化，收獲優(yōu)化效益。

2 能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)的設計

（一）系統(tǒng)設計思路

 智能能源管理系統(tǒng)的構成包括幾個關鍵組件：監(jiān)控中心負責整體監(jiān)管，主干通信網絡確保系統(tǒng)內部信息流暢傳輸，現場監(jiān)控網絡實現現場數據的實時采集，多種智能計量設備用于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(jiān)測與計量、能效提升、用能質量監(jiān)測、智能設備管理角度出發(fā)進行系統(tǒng)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、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(jiān)控系統(tǒng)；

該系統(tǒng)使得能源使用能夠在真實時間內進行在線監(jiān)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(tài)；

充分體現效益，體現管理節(jié)能、技術節(jié)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(jiān)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(tǒng)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(yè)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(yè)實現能流高度集成控制，提高能源利用效率。

2.能源監(jiān)測系統(tǒng)

     能源監(jiān)控系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)具備多種功能，不僅能實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，還能分析能耗的歷史趨勢和模式，實時監(jiān)控能耗情況，通過與生產管理系統(tǒng)的有機結合，實現企業(yè)生產作業(yè)的一體化管理。

3.能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)能夠實現對企業(yè)作業(yè)能耗的管理，具體分為五個方面：

     用能實時監(jiān)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(jiān)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(huán)、占比、排名、變化分析，可幫助企業(yè)掌握用能詳細數據和發(fā)現異常用能，使節(jié)能降耗活動有的放矢，有據可依。

     用能報表?？砂凑杖?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(tǒng)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(tǒng)可以將不同能源介質的使用量轉換成標準煤，形成企業(yè)的碳排放數據?？梢园慈铡⒃陆y(tǒng)計，并具備同比、環(huán)比功能。系統(tǒng)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(yè)采取相應措施。

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

     電費分析。系統(tǒng)可按照電網公司計費方式，每個月自動生成企業(yè)的電費分析報告，分析企業(yè)各項電費占比及用電合理性。系統(tǒng)通過智能分析，向用戶建議更經濟的電費報裝方式，節(jié)省電費。同時，系統(tǒng)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。

3 能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)的實現

（一）       能耗監(jiān)測和管理功能的實現

能耗監(jiān)測與管理功能依托ESP-ISYS平臺以及系統(tǒng)集成技術，以此構建智能化能耗綜合監(jiān)測管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠實現對企業(yè)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(tǒng)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(yōu)化設備能耗，提高能源使用效率。另外，本系統(tǒng)還能校正、診斷所采集的設備能耗數據，實時監(jiān)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(fā)現運行異常，便會開啟警報功能。本系統(tǒng)應用到企業(yè)生產作業(yè)中，能夠進一步幫助企業(yè)預測能源消耗，優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)的管理層，主要基于工業(yè)級以太環(huán)網的設計理念來構建，具體框架如圖1所示。

     為了有效監(jiān)控企業(yè)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(huán)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(tǒng)的能力，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。這些措施將促進系統(tǒng)在能耗監(jiān)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，首先建立基于能耗數據采集與分析的框架。此外，系統(tǒng)中應整合一個優(yōu)化的調度模型，進而能夠根據能耗采集數據對企業(yè)生產能耗進行預測。同時，再加入動態(tài)模擬算法，還能夠在預測能耗的基礎上實現對企業(yè)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(yōu)化調度方案，從而幫助企業(yè)實現節(jié)能減排的建設目標。

4 安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)概述

     安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)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(tǒng)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。

5 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)。

6 系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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：

7 系統(tǒng)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。

7.1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。

7.2用戶展示

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。

7.3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(tǒng)計數據。

7.4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(tǒng)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(tǒng)計：實時統(tǒng)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(tǒng)彈窗等報警提示；

7.5視頻監(jiān)控

接入攝像頭，實時掌控企業(yè)內實際情況。

7.6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。

7.7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。

7.8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。

7.9用能統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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。

7.10、成本分析

統(tǒng)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。

7.11產品單耗統(tǒng)計

     與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產品產量以及系統(tǒng)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。

7.12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、要求時段績效統(tǒng)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。

7.13運行監(jiān)測

     系統(tǒng)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(tǒng)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。

7.14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。

7.15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(tǒng)計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環(huán)比

7.16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(tǒng)計分析，讓用戶更加了解系統(tǒng)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。

7.17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。

7.18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。

7.19碳排放管理

     按照區(qū)域對碳排放總量的變化趨勢進行統(tǒng)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。

7.20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。

7.21運維管理

     系統(tǒng)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。

7.22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。

7.23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。

7.24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。

7.25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。

7.26復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析，為企業(yè)分時用電，優(yōu)化成本效益提供數據支持。

7.27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(tǒng)管理，支持文件的上傳和下載。

7.28 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。

7.29 3D子系統(tǒng)

對各動力子系統(tǒng)進行虛擬仿真，展示子系統(tǒng)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。

7.30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。

7.31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(tǒng)計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

7.32基礎數據管理

對系統(tǒng)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。

7.33手機APP

     APP支持Android、iOS操作系統(tǒng)，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。

7.34知識產權證書

8 系統(tǒng)硬件配置

9 結束語

     相較于發(fā)達國家，我國在企業(yè)生產能耗管理方面較為落后，在能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)的建設方面仍不夠完善。在智能化工業(yè)的背景下，企業(yè)生產、管理均已朝著現代化的方向發(fā)展，智能化、自動化技術的應用效果愈發(fā)顯著，不僅能夠幫助企業(yè)降低生產成本，并且還能推動企業(yè)現代化管理的轉型?，F階段，國內企業(yè)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(yè)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(jiān)控和管理系統(tǒng)，企業(yè)能夠對關鍵能耗設備進行監(jiān)控，對質量和環(huán)境數據進行分析，并利用能源調度與平衡功能，進一步優(yōu)化能源利用效率，為企業(yè)后續(xù)生產制定可行的能源調度方案，這對于企業(yè)節(jié)能減排建設目標的實現有著重要意義。

參考文獻

[1]杜彩文，陳勇，張宣，陳靜．智能化背景下用能單位能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)設計研究.

[2]安科瑞企業(yè)微電網設計與選型手冊.2022.05版.

[3]安科瑞企業(yè)能源管控平臺.2023.06版.