智能化背景下用能单位能耗监测与管理系统设计研究

杜彩文 陈勇 张宣 陈静

21世纪以来，我国经济水平逐步迈入世界前列，但企业生产过程中仍存在高能耗、低效率的问题，掣肘企业经济发展的同时，也为我国“双碳”政策的推进造成了阻碍，在很大程度上制约了我国的经济发展。本研究立足于节能减排发展战略，设计了一套针对用能单位的能耗监测与管理系统，以期能够通过该系统提高企业用能效率。

建设企业能源管理系统不仅能够满足公司当前对能源管理的需求，而且能够随企业的持续发展而拓展。该系统的应用可显著减少企业在能源消耗方面的数据统计、表格维护、报告编制和数据处理等的成本。该系统通过在线分析监测数据，支持企业实时监控能源消耗，进行精确统计和深入预测。这不仅为企业在节能减排和持续改进方面提供了可靠的数据基础，而且还强化了决策制定过程的有效性。

一、系统设计目标

（一）根据能耗数据实时自动采集，实现数字化能源管理

基于智能多功能电力测控终端，帮助企业实现能耗数据的自动采集和网络传输，实现全厂区的用电监测等。

（二）搭建企业智慧用能管理平台，实现精细化管理

基于上传的多时间尺度、多参数维度用能数据，该系统帮助企业搭建智慧用能管理平台，实现能耗数据自动报表统计，用能结构、用能趋势的可视化分析，用能实时监测及告警，安全、节能、降费优化建议与报告管理等，促进企业用能管理水平、管理效率的提升。

（三）实现产量能耗监测评估，助力企业降低单耗

单品能耗可直接反映企业生产工艺、生产效率情况，对同一产品不同生产车间、生产线进行单位能耗统计与分析，有助于企业找出生产差异。

（四）实现企业用能安全、节能、降费的管控及优化目标

基于智慧用能管理平台的数据分析结果，发现企业在安全、节能、降费3个层面的管控需求及优化空间，并分别为企业提供配用电系统智能运维、配用电系统智能节电、基本电费优化等解决方案，帮助企业实现全方位的用能优化，收获优化效益。

二、能耗监测与管理系统的设计

（一）系统设计思路

智能能源管理系统的构成包括几个关键组件：监控中心负责整体监管，主干通信网络确保系统内部信息流畅传输，现场监控网络实现现场数据的实时采集，多种智能计量设备用于精确测量和记录能源使用，以及网络控制器是连接第三方智能计量设备的关键接口。从安全用能、用能管理自动化、能耗监测与计量、能效提升、用能质量监测、智能设备管理角度出发进行系统化设计，具体思路共分为如下6点：

充分结合公司目前现状及能源管理的特点，设计出科学高效、完善合理、功能齐全、可实施性强的能源管理平台技术方案；

根据能耗情况，以最终实现集水、电为一体的能源监控系统；

该系统使得能源使用能够在真实时间内进行在线监测，为能源管理人员提供了多级管理权限。这样，他们可以在任何时间、任何地点，实时查询能耗数据和状态；

充分体现投资回报效益，体现管理节能、技术节能的综合效益；

为制定能源政策提供详实的依据，以实现资源的科学管理、科学利用的目标；

根据各个配电室、监控中心、检测点之间的位置提供合适的通信方式及网线连接方案。

（二）系统功能设计

1.能源采集数据网络

能源数据采集网络具有3大特点，即可靠性、冗余性以及可行性，以此实现对企业电、水、油、气等能源消耗数据的采集，通过构建能源数据网络，能够帮助企业实现能流高度集成控制，提高能源利用效率。

2.能源监测系统

能源监控系统设计用于收集耗能设备的多种信息，包括但不限于设备的质量安全环保指标、生产核心指标和能源质量参数等，涵盖了一些关键的数据点。这个系统具备多种功能，不仅能实时监测设备的运行状态，还能分析能耗的历史趋势和模式，实时监控能耗情况，通过与生产管理系统的有机结合，实现企业生产作业的一体化管理。

3.能源管理系统

能源管理系统能够实现对企业作业能耗的全方位管理，具体分为五个方面：

用能实时监测。平台提供强大的用能分析功能，可在线查看图形化展示的各监测点的用能数据。通过对电、水、油等各类用能数据的分类分项计量，以及同、环、占比、排名、变化分析，可帮助企业掌握用能详细数据和发现异常用能，使节能降耗活动有的放矢，有据可依。

用能报表。可按照日/周/月/年/任意时段等多种时间单位，以及产品/工序/车间等多个分析维度进行用能的统计分析，形成不同时间尺度下的用能报表，并能支持Excel格式下载。

碳排放计算。系统可以将不同能源介质的使用量转换成标准煤，形成企业的碳排放数据。可以按日、月统计，并具备同比、环比功能。系统内可对碳排放数据设置告警，可在碳排放超标前及时提醒企业采取相应措施。

能源平衡。系统通过能流图的形式直观展示企业各类能源的使用方向，帮助企业管理者掌握企业对不同能源介质使用的平衡。

电费分析。系统可按照电网公司计费方式，每个月自动生成企业的电费分析报告，分析企业各项电费占比及用电合理性。系统通过智能分析，向用户推荐更经济的电费报装方式，节省电费。同时，系统实时采集计算用户月度平均功率因数，可以设定阀值，自动提醒用户及时处理功率因数不达标问题，避免罚款。

三、能耗监测与管理系统的实现

（一）能耗监测和管理功能的实现

能耗监测与管理功能依托ESP-ISYS平台以及系统集成技术，以此构建智能化能耗綜合监测管理系统。本系统能够实现对企业能耗设备及设备相关信息的全范围采集，如设备信息、设备耗电情况、设备耗电预测等。同时，系统还能根据采集的生产数据、能耗信息进一步集成、管理关键能耗设备，以此优化设备能耗，提高能源使用效率。另外，本系统还能校正、诊断所采集的设备能耗数据，实时监控各能耗设备的运行情况，并对这些设备进行周期性故障诊断。一旦发现运行异常，便会开启警报功能。本系统应用到企业生产作业中，能够进一步帮助企业预测能源消耗，优化能源调配流程，实现对能源资源的集成管理和控制。

（二）数据采集与自动化功能的实现

实现数据采集和自动化功能，核心依赖于系统的网络结构。该结构采用三层交换技术来进行局域网络的划分。在这种架构中，核心层，也就是系统的管理层，主要基于工业级以太环网的设计理念来构建，具体框架如图1所示。

为了有效监控企业能耗设备的运行状况，不仅要通过数据采集模块同步收集能源使用数据，还需对关键能耗设备的环境质量安全数据、操作数据和生产数据进行详细采集。为了提升数据采集系统的能力，必须在一些生产设备的回路上安装计量仪表，并对那些无通信接口的计量仪表进行升级改造，以增加计量仪表的覆盖率。这些措施将极大地促进系统在能耗监测与管理方面的效能。

（三）能源平衡和调度功能的实现

为了有效利用能源平衡和调度功能，首先必须建立基于能耗数据采集与分析的框架。此外，系统中应整合一个优化的调度模型，进而能够根据能耗采集数据对企业生产能耗进行预测。同时，再加入动态模拟算法，还能够在预测能耗的基础上实现对企业生产能耗成本的评估，并结合各设备运行的情况制定能源优化调度方案，从而帮助企业实现节能减排的建设目标。

四、结束语

相较于发达国家，我国在企业生产能耗管理方面较为落后，在能耗监测与管理系统的建设方面仍不够完善。在智能化工业的背景下，企业生产、管理均已朝着现代化的方向发展，智能化、自动化技术的应用效果愈发显著，不仅能够帮助企业降低生产成本，并且还能推动企业现代化管理的转型。现阶段，国内企业在能耗管理方面的研究逐渐增多，并取得了较为理想的效果，企业在降低高能耗和提升收益方面已取得初步的进展。通过建立能耗监控和管理系统，企业能够对关键能耗设备进行监控，对质量和环境数据进行分析，并利用能源调度与平衡功能，进一步优化能源利用效率，为企业后续生产制定可行的能源调度方案，这对于企业节能减排建设目标的实现有着重要意义。

作者单位：安徽马钢矿业资源集团矿山科技服务有限公司