企业能源管理系统的设计与应用

　　姚刘奕1，何文萱2，唐海亮3*

　　（1. 中国石油大学（北京），北京 102249；2. 北京燃气集团有限责任公司第四分公司，北京 100176；3. 太极计算机股份有限公司，北京 100012）

　　摘要：本文建立了基于工业互联网平台的能源管理系统，实现企业的各种资源有效协同，实现信息化技术与现代工业技术深度融合，带动企业的技术创新和管理组织模式变革，构建精准、实时和高效的生产运行数据采集体系及生产信息管理体系，实现资源优化配置，提高劳动生产率。

　　关键词：工业互联网平台；能源管理系统；资源优化配置

　　1　引言

　　随着工业革命的爆发，能源的消耗越来越大[1]。目前企业仅靠提高设备利用率或降低能耗来节约资源，不能满足实际需求，要对能源的计划和消耗进行管理，实现节能减排的目的[2]。

　　全球竞争压力正在挑战工业制造企业，数字化智能工厂的建设正在迅速兴起，高能耗低效率的传统企业将渐渐被淘汰。随着“新基建”的发展和国家政策支持，传统工艺流程将会呈现出以工业互联网平台来集成自动化、智能装备、生产管控、企业信息系统的发展趋势。

　　新的生产规模、更高的生产速度，以及新一轮的激烈市场竞争格局都需要企业以更低成本、更高的速度，生产出更优质量的产品[3]。能源管理系统采用信息管理的方法降低能耗，提高资源利用率和劳动生产率[4]。

　　能源管理系统采用的工业互联网平台，是一套行业级的整体解决方案。通过互联网技术快速实现工业生产全要素的互联互通互用，满足建设“企业云”的需求，是不可或缺的企业基础设施，是企业配置要素资源的新工具和新动能。

　　为了实现工厂数字化、架构平台化、应用APP 化及管控智能化，满足各功能模块信息集成和共享，实现管控一体和扁平化，在原有能源管理系统的基础上建设一个基于IaaS 部署、PaaS 平台支撑和SaaS 应用的工业互联网平台，满足能源管理系统各个功能应用，基于微服务架构和工业APP 应用，实现多租户、自组织、可视化、移动化和易用性，提高生产全要素效率。实现碎片数据规范化、生产信息数字化、过程控制协同化、信息管理集成化、经营管理可视化及辅助决策智能化的信息化建设目标。

　　2　工业互联网平台

　　工业互联网平台是基于OpenStack、Kubernetes 和CNCF 的开源组件构建的开放技术框架，基于开放的技术框架和超融合基础架构首创计算、存储、网络、监控及运维一体化设计的微数据中心，具有占用空间小、功耗低、模块化、快速部署、算力按需扩展和远程管理能力的优点，可支持Intel x86 和ARM。

　　工业互联网平台是实现流程工业生产管控一体化的核心，是生产指挥、性能指标决策、优化运行与控制一体化软件平台系统的基础。基于微数据中心部署开发各类工业应用APP，实现生产运行数据信息自动检测采集、生产过程控制实时精确执行。实现生产能源数据采集接入、IoT 物联网应用、HMI/SCADA 应用，GIS 地理信息和LSB 应用、3DVR/AR/MR 应用和移动应用等。可部署生产管理、设备管理、质量管理、能源管理、仓储物流和HSE 等管理软件、优化软件和分析套件。

　　根据实际生产需要，为进一步促进节能减排、提高管理水平及增强企业竞争力，借鉴国内外同行业的先进经验，建设覆盖企业全流程的能源管控系统。

　　能源管理系统是通过采集能源数据对企业生产与能源消耗进行定量分析，实时掌握企业能源采购、消耗和库存情况，进行科学的计划分配和统计分析。

　　能源管控系统充分集成生产过程的能源相关数据和信息，并通过集中监控，对各类产、供能设备进行监控管理，并对重要用能设备进行监视和管理。为能源管理和调度人员提供强大的生产事件追踪和分析的工具，为公司能源决策提供重要依据，完成能源管理“一张图”的建设目标。

　　3　能源基础管理

　　能源基础管理主要由能源数据采集、能源综合监控、能源运行支持和能源报表管理4 部分组成。

　　（1）能源数据采集　能源数据采集应覆盖能源管理功能需求，支持能源管控系统功能的完整实现，可根据工艺或者公共辅助系统的自动化控制系统类型，选择5G网络的接入方案。生产数据集成系统主要采集以下几方面数据：

　　1）从现场控制系统以在线方式采集获取能源和生产运行数据，为系统提供其所需的实时数据。

　　2）通过离线方式输入能源管理系统的数据，包括定额、价格、资源量和生产数据等。

　　3）从其它信息系统（生产管理、计量管理）及人工录入的方式获得的数据，如生产计划、产量实绩等。（2）能源综合监控　对能源介质的发生量与耗用量、关键能源设备和重要能耗设备的运行状态进行实时在线显示和报警处理，其包括电力系统、天然气系统、水系统、蒸汽系统和空压系统等关键工艺系统、关键耗能设备进行三级监控（公司级、厂级和设备级）。管网发生异常时，可通过仪表数据反应或通过设置报警功能进行提示，同时通过算法模型生成能源点预警提示。报警可定义为若干级，如异常报警、事故报警等。

　　（3）能源运行支持　能源运行支持主要实现能源日常管理（用能申请、停复役和运行支持管理等）、能源调度日志记录管理和能源的调度管理。

　　能源调度管理主要实现管理协调下达各种调度指令，监控生产过程中关键用能设备和能源流程，及时处理能源生产和使用过程中的各种问题，监控各种能源介质的质量，实现交接班日志的电子化。根据实际生产情况及时生成调度信息、报表、调度日志及分析图表，以协助能源调度管理。能源调度管理包括以下功能：

　　1）实时状态预警。对关键参数进行监控，记录异常情况，提示给岗位人员，将出现的偏差进行记录。岗位人员要对较大偏差数据输入偏差原因，异常原因能与异常指标同画面显示授权用户查看。

　　2）关键参数分析。对关键参数绘制时间趋势图、指标可视化图，对时间内平均值、平稳率、偏差、超标等数据进行分析并展示。

　　3）实时监视调度指令的执行结果，与调度指令设定的目标值比较，实现操作监控。

　　4）对能源计划执行情况进行监控，管理协调下达各种能源指标，并对能源计划进行调整，及时处理用能过程中的各种问题。

　　5）生成当班班组信息，进行电子化交接班管理。（4）能源报表管理　能源报表管理主要实现对能源系统的计量与管理统计数据，经计算处理后以图形、表格等方式进行展现，便于各级管理人员准确和清晰地掌握整个系统的各环节的计量信息。

　　基于全厂能源数据及与能源相关的生产数据，为企业各级部门提供能源相关报表，包括能源原始数据报表及累计报表、能源平衡后数据报表及累计报表、能耗指标报表和能源消耗报表等。

　　4　能源分析管理

　　1）能源绩效管理。基于对各能源介质消耗数据的采集和统计，按能源介质分类采集记录能源的产生、消耗和亏损量，对采集数据的正确性进行判断和修正，并实现各工序的能源消耗实绩分解和汇总。

　　2）重点用能设备管理。对重点用能设备实现重点设备信息管理、设备用能信息维护、设备用能情况分析和能耗分析。重点设备信息管理包含设备静态信息和动态信息的查询、添加、修改、作废、恢复和详细功能。支持多种查询方式，用户可按照设备类型、设备名称和状态进行查询。设备用能分析是通过调取设备运行参数和设备历史故障原因等对设备的运行效率、故障率和KPI指标等对设备进行综合评价，可以直观地得出设备运行的性能指标。建立重点用能设备的能效分析模型，根据计算结果进行用能设备的效率分析，为主要用能设备提供运行指导，给出最佳运行方案，进而降低能源成本。

　　3）能源质量管理。能源介质的质量分析管理包括能源介质质量标准管理、数据统计分析和质量指标跟踪分析等。天然气、蒸汽、氧气、氮气和压缩空气等能源介质的实时状态数据均可以从现场仪表和DCS 采集获取。介质纯度、成分等数据从检化验系统通过接口程序采集到能源管理系统。

　　5　能源平衡管理

　　利用多级计量体系规划模型，根据用能单元的定义和结合能源管理、考核及结算的要求，将公司分为多级用能单元对象。

　　在用能单元基础上确定每个用能单元的各种能源介质投入量、供出量的计量点、主物料投入量和主产品产量的计量点，由此得出计量点清单。

　　能源平衡分析基于物料平衡和热平衡，根据选定的分析范围和指定时间内的历史数据进行能量平衡分析，对公司和分厂的重点设备的能量使用及耗能情况进行整体分析，揭示重点设备不同层次每月的能源消耗情况及消耗趋势。

　　6　碳排放管理

　　建立厂区碳排放实时监控、数据统计和分析系统。该模块主要包括数据采集、人工录入、实时监控、统计分析和数据查询等功能。监控流量值的变化情况，也可以监控转换后的能量和碳数据的变化情况。

　　对于不同活动数据的实际消耗量、产量、平均低位发热量和成本等进行统计与分析为工业化生产提供参考依据，致力于帮助企业掌握自身排放情况，能够更有效地实施温室气体减排，控制在国家政策允许的范围内，提升企业在低碳经济下的竞争力。

　　7　应用效果

　　基于工业互联网平台的能源管理系统建成后，实现企业能源管理信息化平台、工业应用的统一集成，实现各种资源有效协同，实现信息化技术与现代工业技术深度融合，带动企业的技术创新和管理组织模式变革，构建精准、实时和高效的生产运行数据采集体系及生产信息管理体系，实现资源优化配置，提高劳动生产率。

　　基于工业互联网平台的能源管理系统在公司的应用过程中，提高了能源的使用效率，实现了能源的优化调控和节能降耗；提高了管理人员的能源管理水平；实现及时发现并处理能源管理系统故障；结合生产计划预测能源的使用情况，合理安排生产。

　　通过工业互联网平台项目建设，实现企业数字化及智能化转型升级，为新基建和大型工业企业起到良好的示范和引领作用，大幅提升了企业的整体竞争力和知名度，为企业的长远发展提供强有力的技术支撑。

　　参考文献

　　[1] 陈涛．企业能源管理信息系统设计[J]．自动化与仪器仪表，2017 (3)：46-50.

　　[2] 金科逸．企业能源管理体系的构建及管理要求[J]．应用能源技术，2015 (8)：6-9.

　　[3] 苏小明，李继志，陈先才．钢铁企业能源管理系统应用研究[J]．中国设备工程，2019 (12)：27-28.

　　[4] 石宏图，李桂海，马振，等．智慧能源管理系统的设计与实现[J]．科技和产业，2021，21 (8)：276-280.

　　收稿日期：2022-08-06