工业物联网企业能源消耗监控

　　概述

　　建设智能用电及能效管理系统，实现对工矿企业用电及能源消耗状况的监测、分析和评估，通过对能源消耗过程信息化、可视化管理，优化企业生产工艺用能过程，科学、合理地制定企业能耗考核标准和考核体系，有效提升企业能源效率管理水平。

　　中国经济在持续高速增长的同时也伴随着能源紧张和环境恶化的巨大压力，而面对这挑战的有效、经济的办法是在高能耗企业建设能耗监测、管理、控制系统，通过技术创新提高能源使用效率，帮助企业实现节能增效、清洁生产的目标。

　　据国外统计资料：工业企业每年10%以上能源损耗源于没有能源监测及维护计划，每年12%的能源损耗源于没有能源管理及控制系统。欧美发达国家企业除了生产过程中广泛采用计算机监测、控制系统(DCS，SCADA)外，能源数据的在线监测、分析和优化系统占有重要的位置。通过现代计算机技术、网络通信技术和分布式控制技术，建立完善的能耗监测、管理体系，实现能源消耗动态过程的信息化、可视化、可控化，对企业生产过程中能源消耗的结构、过程及要素进行管理、控制和优化，提高能源使用效率。

　　智能用电及能效管理系统简介

　　系统在线监测整个企业的生产能耗动态过程，收集生产过程中大量分散的用电、用水、用气等能耗数据，提供实时及历史数据分析、对比功能，以发现能源消耗过程和结构中存在的问题，通过优化运行方式和用能结构以及建立企业能耗评估、管理体系，提高企业现有供能设备的效率，实现节能增效、生产。

　　系统为用户提供以下能耗数据和节能信息：①掌握企业耗能状况：能源消耗的数量与构成、分布与流向;②了解企业用能水平：能量利用损失情况、设备效率、能源利用率、综合能耗;③找出企业能耗问题：管理、设备、工艺操作中的能源浪费问题;④查清企业节能潜力：余能回收的数量、品种、参数、性质;⑤核算企业节能效果：技术改进、设备更新、工艺改革等的经济效益、节能量;⑥明确企业节能方向：工艺节能改造、产品节能改造、制定技改方案、措施等。

　　系统功能

　　1)能源消耗过程的信息化、可视化

　　目前大多数企业是靠人工定时抄表的方式统计用电及能源消耗状况，这种方式存在数据滞后、时效性差、数据单等问题，不能及时掌握各生产环节和能耗设备的实时能耗数据。能效管理信息系统在线监测整个企业(集团)的生产能耗动态信息，并将这些能耗数据与相对应的设备、车间、班组生产数据相结合，现场运行管理人员可了解和掌握生产环节和设备的实时能耗状况、单位能耗数据、能耗变化趋势和实时运行参数等信息。

　　如图：某工厂的工艺流程

　　

　　图1 水泥磨子系统生产流程单耗监测

　　2)能耗/能效信息统计、管理

　　系统自动生成的多种能耗信息统计图形、曲线和报表，如以日、周、月、年为周期的电、水、气、煤等能耗统计报表，报表类型分为全矿、车间、重要耗能设备三个层次，为用户提供能源消耗结构和能源消耗成本分析依据，评估节能措施的效果和关联影响。

　　系统提供综合能耗/能效统计报表，采用菜单或光按钮直接引导界面模式，图形界面包括企业宏观的能耗数据和相关信息，快捷、直观反映企业、生产车间、班组和重要生产环节实时和历史能耗/能效信息。

　　

　　图2 企业综合能耗统计

　　3)历史能耗数据对比、分析

　　系统具有强大的历史能耗数据追溯和分析功能，企业能效管理及生产工艺分析人员可按不同需要灵活设置工作点参数，在不同时段下生成各种能耗数据报表与能耗曲线：如设备单耗、生产线和班组单耗等，用多种方法对主要能耗设备和生产线的能耗数据进行查询和追溯，并可对多种参量的变化趋势进行对比、分析，从而发现能源消耗结构和过程中存在的深层次问题，对企业能源消耗结构和方式的改进、优化提出方案和建议。

　　通过动态的单位产量能耗曲线和数据，可以直观地比较企业生产能耗与、标准的差距，从而对生产、管理、工艺及时进行指导和调整，使企业生产过程的单位能耗和能源效率保持在科学、合理水平。

　　

　　图3 能耗参数对比、分析

　　4)电能质量及谐波监测、分析 电力电子技术在电气化铁路、电解工厂、电弧炉冶炼和电机变频调速等领域的广泛应用，在提高生产效率的同时也产生了大量的谐波污染电网，导致谐波和电能质量问题的发生。

　　用电及能效管理信息系统在线监测电能质量和谐波分量，通过谐波分量图和趋势图，使用户及时了解真实用电环境，避免谐波危害和电能质量问题的发生，同时降低供电系统谐波和无功损耗。通常购置谐波监测设备需要较大的投资，本系统能同时实现电能消耗状况以及谐波监测、分析的双重功能。

　　

　　图4 供电网络中谐波分量图

　　3　系统架构及工作原理

　　系统主要由数据采集层、数据传输网络、能效管理系统软件三部分组成。

　　1)数据采集层：通过安装在能耗监测仪表箱(柜)中的带数字接口的智能电力仪表，实施对负荷用电量的实时监测。监测数据包括：电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功无功电能、谐波、环境与开关状态、事件记录等用电参数。监测对象包括：电力需求侧中低压馈线回路、主要耗能机电设备、厂房(生活区)其他耗能设施。同时也可以对用水量、用气量、热量、投料量、产量等，通过电子式流量表、电子式热量表、电子皮带秤、地秤等现场智能数据采集，根据现场条件和系统应用的要求，采集的数据也可以取自用户的其他智能系统的数据接口。

　　2)数据传输网络：通过在能耗监测仪表箱(柜)中安装的能耗智能数据网关，实时采集能耗计量仪表的数据，并且通过TCP/IP网络传输到能耗监控中心。无需远距离布线，施工简单可靠。瑞申智能数据网关提供多种接入方式，目前支持RS-485/RS-232总线、光纤、工业以太网、433M无线、GSM/GPRS/CDMA网络传输等多种方式。

　　3)用电及能效管理系统软件：完成数据采集、校验、分析、处理、输出、系统维护、授权使用权限分级控制等;并可将现场运行的重要数据、报警信息、故障信息等传送到企业决策人员。

　　

　　图5 用电及能效管理信息系统架构

　　4　计量及监控产品配置

　　电力仪表主要用于电网，特别是用户端低压的电参数测量、电能计量、故障诊断、电气控制、报警、保护等功能;电能表用于电网各个环节、用户与用户之间的电能结算，附带有电参数测量，无诊断、控制和保护等功能。

　　(1)高压回路或低压进线回路选ACR330ELH仪表

　　该表为电能质量分析仪表，主要功能有：LCD显示、全电参量测量(U、I、P、Q、PF、F、S);四象限电能计量、复费率电能统计;THDu，THDi、2-31次各次谐波分量;电压波峰系数、波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算;电网电压电流正、负、零序分量(含负序电流)测量;4DI+3DO(DO3做过压、欠压、过流、不平衡报警);RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约。外形尺寸：120×120mm，开孔尺寸：108×108mm。适用于高压重要回路或低压进线柜。

　　(2)低压联络或出线回路选ACR220EL电力仪表

　　该表主要功能有：LCD显示、全电参量测量(U、I、P、Q、PF、F);四象限电能计量、复费率电能统计、大需量统计;4DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus协议。外形尺寸：96×96mm，开孔尺寸：88×88mm。适用于低压联络柜、出线柜。

　　(3)动力柜、照明箱选ACR120EL电力仪表或导轨式电表

　　ACR120EL电力仪表主要功能有：LCD显示、全电参量测量(U、I、P、Q、PF、F);四象限电能计量、复费率电能统计、大需量统计;2DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus协议。外形尺寸：开孔尺寸80×80mm，开孔尺寸72×72mm。适用于动力柜。

　　DTSD1352导轨式电表主要功能：LCD显示、全电参量测量(U、I、P、Q、PF、F、S);四象限电能计量、复费率电能统计、大需量统计;电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：126×89×74mm，7模数。适用于动力柜。

　　DTSF1352导轨式电表主要功能：电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：126×89×74mm，7模数。适用于用于耗能设备进行计量。

　　照明箱DDSF1352电表主要功能：电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：76×89×74mm，4模数。适用于照明箱的电流、电压测量;单相电能计量。

　　5　技术特点

　　1)以设备为对象构建的内置实时关系数据库：这种结构化、对象化的实时数据库相比较传统的平面数据库，大大提高了数据检索和访问的速度及效率;

　　2)灵活的进程调度管理技术：进程调度管理功能可以把大量的数据采集和处理任务分布到不同的服务器上运行来实现负载均衡。支持在线组态，在不影响操作的情况下，允许全部或部分应用程序进行修改;

　　3)系统的集中管理和维护：有权限的用户，可以在EMIS系统中任意台服务器或工作站上修改系统配置，在提交以后系统自动同步数据库的配置;

　　4)网络体系架构：基于的网络体系架构，支持多层次网络冗余及故障切换。增强的Web功能和Internet/Intranet浏览器技术，直接支持多文档;

　　5)支持多种通信协议：I/O通信冗余，直接读取现场数据采集设备存储的数据，同时具备良好的开放性和灵活性。支持RS-232/422/485、Ethernet、Can、LonWorks、MODBUS等多种通信协议和标准;网络通信采用标准的NetBIOS，支持IPX/SPX、TCP/IP等协议;

　　6)支持多种关系数据库：包括Oracle、SQL Server、dBASE等;实时数据库内置多种功能模块，可实现累计、统计、控制、线形化、PID控制、各种运算等功能。通过的压缩技术和海量的存储技术，可以处理10万点以上的数据;

　　7)丰富的图形开发工具以及优化设计的图库：新增更多的矢量子图，使工程画面制作更加丰富、灵活;提供面向对象编程方式，内置间接变量、对象变量、模板变量，方便构造强大的企业级运行系统;

　　8)开放性：支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX标准，提供OLE、COM、DCOM、动态链接库等多种接口，以便用户利用各种常用开发工具(如：VC++、VB等)进行深层的二次开发。

　　6　应用案例

　　广达电脑成立于1988年，是笔记本电脑研发设计制造公司。以先群伦的技术与坚强优越的研发团队，屹立于高科技市场地位;除了在笔记本电脑的领域中维持高成长、高品质与高评价之外，更将触角延伸到企业网路系统、家庭产品、行动通讯产品、车用电子产品以及数码家庭产品等市场，积极拓展产业整合布局。2006年荣登美国「财富杂志(Fortune)」评定为全球五百大企业。2011年广达电脑入住重庆，建成了个拥有七栋大楼(每栋十层，每层35个房间)，员工总人数以万计的重庆广达制造城。

　　江苏安科瑞电器制造有限公司于2011年承接了重庆广达生活服务区期能耗监测系统的设计与实施。系统采用Acrel-5000型能耗监测系统，实现了对生活服务区内用电量和用水量的在线监测(其中电力仪表2000只、水表5000只)，方便了对该建筑群能耗的管理。

　　重庆广达生活服务区能耗监测系统采用网络分布式结构，整个系统包括该建筑群的七个子系统和中心监控室的个总监控系统。冷/热水表数据和电表数据当地采集完成后集中传至中心监控室。 分控中心和中心监控室之间用光纤网络进行通讯。每个子系统采用五台通讯管理机，其中三台通讯管理机采集楼内每户的冷/热水表数据，另外两台采集楼内电表的数据。

　　系统主要实现的监控功能：

　　1. 界面开发设计成美观大方的图形，设备拓扑关系可自动生成并根据设备带电状态动态着色。

　　2. 可查看各宿舍的当前电能值和当前冷/热用水量。

　　3. 具备远程抄表功能，可查询到任意时刻某回路的详细电参量。

　　4. 具有用电量和用水量的报表查询功能，支持日报、月报和年报的查询及打印。

　　5. 具有Web访问功能，接入局域网的计算机可以打开IE浏览器浏览软件界面。

　　

　　7　结语

　　节能工作不仅是对某个设备和工艺的改造，而是对企业全系统用能过程的优化，采用能效管理信息系统可以对企业能源效率水平进行监测、分析和评估，找出生产过程中能耗问题根源所在，科学、合理地制定生产工艺流程、建设能耗考核标准和体系，有针对性地制定节能改造方案，是企业节能增效工作的基础和技术方向。

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