淺談企業能耗監測與能源管理系統的實現

摘要：由于管理不到位，能源浪費現象很嚴重，管理層面的節能有很大的節能空間。管理層面的節能主要手段是對能耗實行監管，對中小型企業來講，采用能源管理中心模式投入較大，技術要求較高，無法獲得推廣應用。本文提出應用物聯網、云計算和大數據等技術，建立面向中小型企業能耗管理“云”服務公共平臺，企業無需投入服務器、軟件和技術性維護，僅僅需要加裝能耗數據采集網關，將能耗計量數據傳送到公共云端。公共平臺采用軟件服務

化（SaaS）模式，實現資源共享，達到節能效果。本文還介紹了中小型企業能耗管理“云”服務公共平臺架構和實際應用情況。

關鍵詞：能耗管理；云計算；物聯網；大數據；公共服務平臺；軟件服務化

一、引言

隨著云計算、大數據和物聯網技術的發展，建立面向中小型企業的能耗管理公共數據服務平 臺（以下簡稱平臺），是非常必要的。平臺資源共享，企業無需投入服務器，無需購 置管理軟件，無需投入技術和人力維護系統，技術門檻低。平臺對企業能耗計量規模不設限制， 可以是一個能耗計量表，也可以是數百個能耗計量表，覆蓋所有中小型企業。平臺在企業實現節 能和精細化管理的基礎上，采用 SaaS（Soft as a Server，軟件即是一個服務）模式收取服務費，企業節能獲利，國家節能減排，實現雙贏。

能耗管理公共數據服務平臺運營方式是典型的“互聯網 + ”模式，是一個眾創空間，各行各業可以通過獲取的能耗大數據，優化能源配置，監測設備能效，監督用能行為，監控能源消耗，實現節能和精細化管理。正如“以綠色 低碳為方向，分類推動技術創新、產業創新、商業模式創新，并同其他領域高新技術緊密結合，把能源技術及其關聯產業培育成帶動我國產業升級的新增長點 ”。

本文首先分析了中小型企業能耗管理現狀，提出并構建了基于云計算、大數據和物聯網等技術的能耗管理“云”服務公共平臺，并列舉了一些企業通過平臺獲取的能耗數據分析，達到節能和管理效果的案例。

二、中小型企業能耗管理現狀

企業對能耗管理認識高度有待進一步提高。大部分中小型企業認識到節能對企業發展的重要性，尤其是能源成本較高的企業，但是，并沒有很好的意識到節能是一項社會責任，認識高度不夠。因此，對能耗管理過于急功近利，在推動節能項目時，比較傾向于技術節能層面，不重視管理層面的節能。

能耗數據采集技術手段落后。大部分中小型企業都制定了節能措施，執行每天或每月抄表制度，統計能源消耗，納入成本計算。但是，由于缺乏技術手段，大部分企業還是采用人工抄表，數據誤差大，精細度不夠，能耗監管和節能流于形式。有以下幾個比較突出的問題：（1）沒有針對能耗設備進行分類分項采集能耗數據，無法反映到單個設備的用能情況，精細度不夠；（2）人工采集能耗數據，周期長，誤差大，時間不能統一到同一個時間節點上，時間跨度大，無法反映設備的能耗過程和設備間的能耗關聯；（3）部分計量表是傳統的機械表，不能滿足數據實時采集要求， 即便是數字化表具，不同廠家生產，數據通信協議五花八門。

能耗數據分析和應用不夠深入。大部分中小型企業采集的能耗數據主要是用來核算成本，并沒有應用到節能管理，更不要說應用到優化能源配置和決策上。能耗大數據可以通過同比、環比、產能比等各種分析方法，應用于設備的能效評估和故障診斷、工藝過程優化和能源配置、能耗考 核和碳排放交易等各種場合。

針對上述的現狀，實現對能耗數據精度和實時性采集，對中小型企業來講，是企業能耗管理的基礎和前提，意義重大。其中關鍵性問題 是低成本實現高精度和實時性能耗數據采集功能，利用能耗管理“云”服務公共平臺解決企業的能源監管問題。

1. 能耗管理“云”服務公共平臺架構和關鍵性技術問題

能耗監管公共數據服務系統為瀏覽器/服務器（B/S）架構，主要由數字計量表具、數據采集器（或稱網關設備）、數據傳輸網絡、服務器群及云計算應用組成。系統拓撲結構如圖1所示。

平臺是一個典型的物聯網應用系統：傳感層 是水、電、氣、油等各種能耗計量表具，通信層可以是有線網絡、無線網絡甚至是衛星通信，應用層是各行各業的能耗管理實際需求。 能耗數據采集物聯網網關是平臺的關鍵性設備，它承接各種能耗計量表數據采集，并將數據通過各種網絡發送到云端。

“能耗云”是由分布在全國各地的能耗數據采集網關、客戶端以及服務器群構成的龐大的能耗實時在線服務系統。“能耗云”又是一個大數據及其應用系統，負責源源不斷上傳到服務器的數據存取，預先處理，分發和維護。在能耗“云”上，可以開發基于WEB的各種能耗管理應用，用戶登錄門戶網站，通過權限，可以查詢到只屬于自己的數據，可以做各種分析和報表。

平臺高度資源共享，可以快速擴展，平臺用極低的成本，為用戶贏得優質服務，其本身符合節能減排理念，以1萬只計量表在線為例，年服務成本大約10元錢左右。

能耗數據采集是平臺關鍵性技術問題之一。能耗數據采集要滿足3個要求：精度、實時性和分類分項。精度是指能耗數據寬度（字節數）滿足能耗計量表精度需求，精度還包括數據采集在同一個時間節點上，這是人工采集做不到的事情。實時性是指能耗數據采集能在設定的采集周期內采集到數據，設定周期可根據實際需要來確定，有時候采集周期設置很短，如1s，主要用來反映設備用能的變化規律。分類分項是指采集到的數據能夠區分出不同的設備和不同類型的能耗，所以增加計量表具，細化采集能耗數據至關重要。

標準和規范是平臺的另一個關鍵性技術問題。能耗管理“云”服務公共平臺要求能耗計量表具、能耗數據采集網關、服務器和應用，在數據傳輸、保存和處理過程中有統一的數據包、通信協議和數據庫格式。實際情況是，各種計量表采用各自獨立的協議，網關的作用就是盡可能解釋來自不同計量表的協議，并盡可能的采用標準的數據包和通信協議將數據傳送到服務器端。標準和規范影響到平臺的廣泛應用。

1. 應用場所

“云”平臺由4個數據服務器、2個WEB 服務器、1個“云”主機（門戶網站 ）構成，通過壓力測試，可以滿足10萬只在線能耗計量表和1千個在線用戶應用訪問。用戶登錄門戶網站，輸入賬號和密碼，便可進入公司的能耗管理系統。

本文列舉4個案例，以說明能耗管理“云”平臺的應用效果。

案例一：通過優化工藝過程節能。某企業為一家食品加工企業，消耗大量能源制冷，通過一 系列實驗，獲取能耗實時數據，根據冷藏量，制定合理的能源消耗指標，并以此制定空壓機低能耗運行策略，還特別考慮電價峰谷運行策略。僅空壓機站一個月節省電費10萬多元，一個月收回投入。

案例二：細化管理，節約成本。某企業是將廢舊塑料再制成顆粒的再生資源公司，傳統的管理方式是按產量結算工人工資。工人只追求產量，不考慮能源利用率，不考慮機器壽命，造成很大浪費。應用能耗管理“云”服務平臺，很方便將能耗納入結算指標，僅僅改變了一項管理制度使得成本顯著降低，經濟效益明顯提升。

案例三：通過同比，分析異常能耗原因。某遠洋捕撈企業，有6條同型號漁船，通過能耗數 據采集和同比分析，發現有一條船能耗相比其他船舶較高，不在操作性誤差范圍，分析應該是推進系統效率問題，通過檢查發現螺旋槳被漁網纏住，偏離正確位置，如果不及時糾正，油耗要多出 20%。

案例四：監督和規范操作人員行為。某陶瓷企業兩條同樣的生產線，燒制同樣產品，由于不 同技師操作，設置參數不同，得出的能耗曲線不同，糾正后其中一爐窯節省能耗近10%。五、系統結構

現場通過廠區局域網和平臺通訊，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：

六、系統功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

6.1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。

6.2大屏展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。

6.3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、分類能耗等企業級統計數據。

6.4數據監控

對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

• 能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，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、門禁水浸狀態及能耗數據。
  • 實時統計：實時統計工廠、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、系統彈窗等報警提示；

6.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

6.6變壓器監控

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劃。通過各種運行參數狀態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。

6.7儀表實時監控

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。

6.8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。

6.9用能統計

從能源使用種類、監測區域、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用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，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。

6.10成本分析

統計各個監測節點（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。

6.11產品單耗統計

與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

6.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、指定時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。

6.13運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監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。

6.14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，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。

6.15同比、環比

提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環比

6.16分析報告

以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

6.17能耗設備用能

監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

6.18線損分析

根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發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。

6.19碳排放管理

按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。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，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。

6.20電能質量監測

實時監測諧波含量、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。

6.21運維管理

系統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，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。

6.22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，幫助企業提前預警，避免發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，可對報警進行派發與閉環處理。

6.23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。

6.24能耗分析自定義時間抄表

可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

6.25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，幫助企業實現容改需，降低基本電費。

6.26復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。

6.27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管理，支持文件的上傳和下載。

6.28 3D可視化大屏

對場景進行虛擬仿真，展示各區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，支持模型與監測點位的自定義綁定。

6.29 3D子系統

對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。

6.30工業組態

可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。

6.31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計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

6.32基礎數據管理

對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、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。

6.33手機APP

APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

6.34知識產權證書

七、系統硬件配置

八、結論

在能耗管理“云”服務公共平臺，適合各行各業，它通過物聯網技術將能耗數據集中管理和應用，使得資源的利用率達到大化，可以滿足中小型企業對能耗管理的實際需求。這僅僅是個開始，面對各行各業的實際需求，數據的挖掘應用是不近相同的，還有大量的工作要做，它是一個眾創空間，需要各行各業的有心人士來拓展和推廣它的應用。