浅析综合能耗监测系统在大型园区的应用

安科瑞 陈聪

摘要：大型综合园区已经成为多种能源消耗的重要区域，为了探索适用于大型综合园区的综合能耗监测系统，建立了综合能耗监测系统整体框架，提出了综合能耗网络、能耗关系集合、能耗均衡度等概念，并以某大型综合园区为例对综合能耗监测系统的采集网络进行详细设计，为大型综合园区综合能耗评估分析提供一种新的模式。

关键词：综合园区 多能源 能耗 监测

1、引言

进入2l世纪以来，我国整体经济发展迅速，然而经济的快速发展伴随着能源供应日趋紧张。经过十几年高能耗推动的发展时期，能源供需失衡日益严重的现实己严重制约着我国社会经济的可持续发展。2022年1月24日，国务院以国发[2021)33号印发《“十四五”节能减排综合工作方案》将“园区节能环保提升工程”列为“十四五”*大重点工程。“《方案》明确，到2025年，全国单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13．5％，能源消费总量得到合理控制，化学需氧量、氨氮、氮氧化物、挥发性有机物排放总量比2020年分别下降8％、8％、10％以上、10％以上。节能减排政策机制更加健全，重点行业能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本达到*先进水平，经济社会发展绿色转型取得显著成效。”的目标。预计到2025年，我国城市生活人口将达到总人口数的65％以上，建筑能耗的大幅度增加将不可避免。

目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的3大“耗能大户”，其中建筑能耗约占全社会能耗的三分之一。在建筑能耗中，共性问题是能耗总量大、增长速度快、能耗指标高、终端用能设备总体能效水平低等。大型综合园区作为高能耗建筑的集中区域，亟需合理有效的综合能耗监测系统对其综合能耗情况进行掌握，这对支持我国社会健康可持续性发展具有重要意义。到2025年，建成一批节能环保示范园区。

2、大型综合园区中综合能耗监测系统应用

大型综合园区汇聚了多种生产要素，正常运转需要电、水、冷热等多种能源消耗，各种能源消耗具有消耗范围广、消耗时间不规律、消耗量大等特点。做好科学的能源管理工作，可以大大地提高能源使用效率，减少能源消费支出。大型综合园区中的综合能耗监测系统以园区内各用能设备运行和能耗特征为基础条件，依据各类用能设备运行中所采集的反映其能源传输、变换与消耗的特征，采用能效协调控制策略实现能源优化使用。系统将建筑内各用能系统的能耗信息予以采集、显示、分析、诊断，并在满足用户舒适度的前提下能对能耗的异常波动及时发送预警，查找问题根源，提供解决方案，为企业节能增资提供保障。有效加强建筑能耗统计分析和能效管理的系统性、科学性，提高终端能源利用效率，提高企业经济效益，减少能源支出成本。综合能耗监测系统针对园区内各建筑用电、用水及冷／热量等进行能效综合管理，包括建筑能耗综合管理系统和水电冷热表采集系统。水电冷热表采集系统实现对园区各建筑各类用能数据的实时采集与上传；建筑能耗综合管理系统接收水电冷热表采集系统上传的用能数据，实现对园区各建筑各类用能数据的存储、计算及应用，将分析展现的结果通过园区局域网进行访问。

3、主要研究内容

综合能耗监测系统框架包括应用业务层、数据采集控制层、数据感知层三层架构。

1)功能应用业务层

能源监测、能效分析、能效诊断、辅助决策以及档案维护、系统管理等用户功能，通过多维度、可视化的系统功能界面实现与用户的信息互动；通过建立能耗评估模型，并利用数据挖掘、统计计算、多维分析等手段对能耗数据进行分析，为功能应用层提供直接的数据支持；数据存储层利用主流结构化数据库对能耗数据进行分类存储，提高逻辑处理层的处理性能；

2)数据采集控制层

利用终端采集设备实现对智能电表、智能水表和智能冷热计量表等远传终端的数据源采集，为整个综合能耗监测系统提供基础数据支撑和控制依据。

3)数据感知层：

数据感知层作为整个系统平台的底层，用来采集信息，主要由各类传感器组成，用来连接个能耗设备，实施采集能耗数据。

4、监测网络设计

综合能耗监测系统需要海量且数据支撑，因此监测网络的设计尤其重要。本小节以某大型综合园区为例详细描述监测网络的设计原则及实现方式。

监测网络设计原则：

1)主干线路优先

首先，监测网络的设计首先应满足主干线路优先的原则，智慧园区主干线路的监测数据往往直观的展示了园区整体的能耗情况，能够为从园区整体上进行能耗分析提供直接的数据支持

2)重要区域优先

其次，监测网络的设计应满足重要区域优先的原则，所谓重要区域直接影响智慧园区正常运行的区域，例如智慧园区变配电站的用电监测、供水站的用水监测等。

3)经济性原则

根据实际情况，对于不重要且可以通过计算得到节点，可以尽量不安装或少安装表计，以便节省实施费用。需要汇总的数据如果可以通过分表计计算得到，就无需再安装总表计，

4)节能潜力大优先

能耗监测的目的是进行节能，因此应着重选取高耗能、节能潜力较大的设备进行监测。高耗能设备一般是指耗能量大、在用数量多、节能潜力较大的中央空调、各种泵类以及锅炉、换热压力容器、电梯、起重机械等特种设备。

5、能耗监控系统设计

能耗在线监测系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、电、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。用户可按照国家有关规定实施能源审计，分析现状，查找问题，挖掘节能潜力，提出切实可行的节能措施，并向县级以上人民政府管理节能工作的部门报送能源审计报告。

6、平台介绍

 6.1、安科瑞企业能源管控系统概述

安科瑞企业能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

6.2、应用场所

  钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。

6.3、系统结构

现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

  系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

  现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

  网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

   平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

   平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

6.4、工业企业能耗监测系统功能

   平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。

（1）平台登录

   在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

（2）大屏展示

   用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

（3）首页

   首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

（4）数据监控

   对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

   能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。

   能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；

   配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。

   实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

   数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；

   检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；

（5）视频监控

  接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

（6）变压器监控

  展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。

（7）仪表实时监控

  展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。

（8）能源中控

  将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

（9）用能统计

  从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

（10）成本分析

  统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

（11）产品单耗统计

  与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

（12）绩效分析

  对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、*定时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。

（13）运行监测

   系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

（14）自定义能耗报表

   用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。

（15）同比、环比

   提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。

同比

环比

（16）分析报告

   以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

（17）能耗设备用能

   监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。 

（18）线损分析

   根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。

（19）碳排放管理

   按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。

（20）电能质量监测

   实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。

（21）运维管理

   系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。

（22）报警管理

   针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。

（23）能耗抄表

   可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。

（24）能耗分析自定义时间抄表

   可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。

（25）容需量报表

   提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。

（26）复费率报表

   对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。

（27）文档管理

   对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。

（28）3D可视化大屏

   对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。

（29）3D子系统

   对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。

（30）工业组态

   可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。

（31）自定义驾驶舱

   可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

（32）基础数据管理

   对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。

（33）手机APP

  APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。

（34）知识产权证书

6.5系统硬件配置

7、结论

本文结合目前大型综合园区中多种能源消耗量大、结构复杂等特点，设计了综合能耗监测系统框架，并在能耗网络的基础上，所设计的综合能耗监测系统，提出了监测网络的设计原则并以大型综合园区为例详细阐述了监测网络的架构设计。未来的主要研究包括以实际数据为支撑，进行深入的实验，探索影响大型综合园区能耗水平的主要因素，建立综合能耗评估模型，实现对大型综合园区各种能耗水平进行客观的评估。在系统完成后将为降低园区管理的人力和运营成本和园区创造更好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]杨培研.综合能耗监测系统在大型综合园区研究和设计

[2]吴晓.企业能耗在线检测系统规划与建设

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版