罗轩志
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：煤矿能耗管理系统采用自动化、信息化技术，对所有耗能设备实施动态监控和数字化管理，实现煤矿生产的能耗分析、节能优化措施辅助决策与分析，建立持续改进能效的管理模式和机制，提高企业能效精细化管理水平，优化用能结构，促进节能降耗，实时监视能源消耗，及时发现问题，减少用能损失；有效掌握能耗总量、能耗成本及能耗效率指标数据；有效分析用能特点，为优化用能管理提供决策数据；推进企业实现绿色、低碳、节能的发展目标。
关键词：能源管控；工业互联网；能耗管理；实时监控；能效
0、引言
煤炭在我国能源体系中占有主体地位，煤炭企业作为能源行业的重要组成部分，在产生能源的同时，也在消耗大量能源。建设能耗管理系统，利用完善的数据采集网络获取生产过程的重要参数和相关能源数据，经过处理、分析并结合对生产工艺过程用能评估，实时提供在线能源系统平衡信息和调整决策方案。将企业内部各个单元的不同能源系统相互关联，确保能源系统平衡调整的科学性、及时性和合理性，从而实现从单纯设备监控转向过程和系统综合监控。并继续向管控一体化方向发展，合理利用预测模型和平衡模型等技术，优化节能调度和用能平衡，为煤炭企业节能降耗提供决策依据，促进煤矿企业能效水平的总体提升；落实了国家绿色低碳的发展理念，适应了能耗总量和强度“双控”目标的要求。
1、能耗管理系统设计
能耗管理系统通过采集煤矿地面、井下各个变电 所供电回路的电能数据，直观展示各个生产环节的能耗情况，充分挖掘应用能耗基础数据，实现全矿、各用电单位、各工序等不同类别、有效的耗能统计和分析，为煤矿行业提供能耗管理、分析等方面的专业化服务，通过能源监视、统计分析、管理及考核等功能应用，完善能源管理体系，提高能源管理水平，促进企业节能降耗、降本增效，从而达到提高能耗管理工作效率和管理科学化的目的。系统设计采用B/S架构，易于部署，维护方便，支持多种通信协议，方便从计量终端获取相关能源数据，可提供与其他系统对接相关数据的标准接口，方便与其系统进行数据对接，实现数据共享。系统设计采用三层结构，数据采集与传输层、数据处理层和数据分析展示层，如图1所示。
数据采集与传输层用来采集用电设备的电量数据，对重要用能设备采集设备的实时负荷、电压等信息。支持从井下、地面电力监控系统获取电量数据，也支持从电表等电能计量终端采集电量数据；电量采集的方式通过中间数据库的方式，通过 Restful API 接口方式，通过DL/T 645、Modbus等规约或MQTT协议方式获取数据。系统除了能够采集电能数据，也支持水、蒸汽、瓦斯气、油等能耗数据的采集。数据处理层对采集到的数据进行处理，主要包括电量数据的合理性检查，异常数据的清洗过滤等；数据累积与计算，对电量数据进行尖峰平谷时段累加统计，按工作班组时段累加统计等；对采集到的数据按照对应的工序、班组分类保存。数据分析展示层用来展示煤矿整体能源消耗情况，为煤矿企业节能降耗提供辅助决策依据。系统支持使用各种饼图、棒图、曲线图等展示电量数据，可以对不同工序、区队电量进行同比、环比、类比数据分析，采用能流图展示不同类别的能耗使用情况，可以将各种能源消耗统一折算成标准煤能耗进行展示。
2、数据的采集
2.1 仪表的采集
系统支持通过 DL 634 5104、DLT-645、modbus等协议直接采集表具数据，对现场表具能耗数据的采集方法连接方式，将一个计量回路的表具“手拉手”相连接后与选用的网关相连接，通过网关连接网络交换机实现数据的采集和通信。
需要注意的是，为提高通信质量的稳定性，计量表具连接的线路一般不超过 400 m，连接少于20 个计量表具，连接时对每根线的两端标示，便于后期维护和故障排查。
2.2 信息系统对接
对接现有的管理信息系统（如 ERP、MIS），生产监控系统（如SIS、MES），生产过程控制系统（如DCS、PLC），通过数据接口（如OPC、数据库）的形式或其他标准数据接口，根据相关的通信协议格式，将各系统数据进行融合，将数据接入企业能源管理系统中。
2.3 接口的对接
通过与其他系统对接相关数据的标准接口，以便与相关系统进行数据对接。采用中间库对接的方式，其工作包含：
（1）写入源数据。源数据系统将各企业能源消费的数据写入中间库制定的表结构中，并获取成功状态。
（2）通知数据写成功。源数据系统接口的 WebService客户端根据预定的协议通知中间库服务端源数据已写成功。
（3）通知取数据。中间库“得知”某项源数据已保存成功后，作为Web Service客户端向目标数据系统发送取数据通知。
（4）取数据。目标数据库系统收到取数据通知后，及时到中间库制定表结构中取数据，如图2所示。
中间数据库结构：①源数据系统服务。是指提供数据的系统接口根据预定的频率和选择的数据类型，从本地数据库进行查询统计，向中间库插入或更新数据。作为Web Service客户端，通知中间库客户端的写数据已完成。②中间库服务。提供管理中间库的界面和支持接收数据插入成功的通知，并向目标数据系统服务器发送取数据通知。作为Web Service客户端，向目标数据系统服务器端发送取数据通知，同时作为Web Service服务端，接收源数据写入成功的通知。③目标数据系统服务，是指接收数据的系统（平台服务器）。作为数据接口将中间库服务器中的数据，保存到自己系统中合理的表结构中。同时，作为 Web Service服务端，向中间数据库数据系统服务器端返回写入成功信息。
3、能耗管理系统实现的功能
3.1 综合看板
综合看板功能模块主要为各级领导（厂级、车间级）提供可视化的能源综合看板，各级领导能够通过综合看板一个画面就能够直观、有效地了解企业用能情况。综合看板的内容包括能源消费总量指标、能源消费强度、能源利用效率、能源结构、能源成本以及主要能耗指标的变化趋势。系统可以用数据大屏的方式展示各种能耗分析数据，图形展示方式包括饼图、柱状图、曲线图等多种方式，展示数据包括全矿用电情况、能源结构占比、工序能耗占比、各用电单位能耗占比；还可以展示各种能耗数据的同比、环比等对比信息，实现了煤矿能耗管理一张图。
3.2 计量器具管理
计量器具管理功能包括计量器具台账管理、计量器具状态监测2 个子功能。计量器具台账管理。建立和维护计量器具（仪表）台账。支持分类管理（电、水、气、热等）和分级管理。计量器具状态监测。以列表或计量网络图的形式实时监测计量器具工作的工作状态（正常和故障），有故障及时报警提示。
3.3 数据采集管理
数据采集管理包括台账管理、状态监测 2 个子功能。采集设备台账管理。实现数据采集设备台账的立和维护。支持建立采集设备和计量器具的关联关系。采集设备状态监测。实现数据采集设备的工作状态（正常、故障）的实时监测和故障报警提示。
3.4 远程监视管理
3.4.1 远程实时监视
按照用能单元远程实时监视各计量器具运行情况，以及关联测点监测参数的当前值，监测参数异常持分类分级管理。
3.4.2 远程自动抄表
按照用能单元自动生成对应远程抄表统计表，抄表周期可根据需求进行选择，远程抄表统计表。支持分类、分级、按时间段查询，并支持Excel导出。
3.4.3 用能层级管理
系统采用可定制的层级管理方法，根据不同的需求划分不同的层级，按照井下采掘、运输、通风、排水等工序，地面洗煤、装机等工序设定生产工序的层级；也可以按照机电队、综采队等设定用电单位来的层级；可以根据层级进行电能量的统计计算与分析。
3.5 集中报警管理
系统针对各个层级均可设置用电指标和电量预警指标，用电指标可以和实际电量进行对比分析，预警指标用于告警提示，在某个层级电量达到预警指标告警限值后，系统会自动进行告警，提示电量即将超限。 （1）集中报警管理可实现实时报警的处理、报警查询、报警统计功能。
（2）实时报警处理。对量器具状态异常、采集设备状态异常、网络通信异常、监测数据异常、能耗指标异 常等各类异常及时报警通知，支持记录报警处理过程及结果。
（3）历史报警查询。查询历史报警记录及处理结果。
（4）历史报警统计。对历史报警记录进行分类统计。
3.6 辅助录入管理
实际产量录入。实现辅助录入和查询本单位的各类产品的实际产量。支持分级录入，支持按照价值分
配理论和方法把中间产品自动核算为产品。其他指标录入。录入和管理其他需要手工录入的指标（如经济指标等）。
3.7 能源统计报表
系统可以按照生成工序、用电单位按照生成各种能耗的日、月、年统计报表，直观清晰地展示煤矿能源结构、各工序电量占比、各用电单位电量占比等，为煤炭节能降耗提供数据支撑。
（1）能耗综合统计。对用能单元统计其能源品种消费量，包括各单项和综合统计，不同的用能单元展
示不同的能源品种消费量指标。支持关联查看任一指标的历史数据。
（2）能耗汇总统计。按时间段，对用户所管理的用能单元的各能源品种、能源消费量进行汇总统计。
3.8 能耗在线监视
（1）能耗总量监测。展示用能单元对应能源品种的实时消费量，包含当日、当月、当年的数据，以曲线或表格的形式展示对应消费量的历史趋势。
（2）产值能效监测。能效分析可以接入其他自动化系统的产煤量、排风量、排水量等数据，并将数据与相应的供电回路电量相结合，计算各个工序的能效值，并给出相应的辅助决策建议。接入皮带、提升、洗煤等运输、洗选系统的产量数据，计算吨煤的能耗；接入通风、压风等风机监控系统中的风量数据，计算兆帕每小时风流量的能耗；接入供水、排水等泵房系统的流量数据，计算吨水百米扬程的能耗。对能耗超过指标的工序，系统会实时进行告警提示。
（3）产品能效监测。展示用能单元对应能源品种的产品能效，包含当日、当月、当年的数据，同时支持对数据的趋势展示。
3.9 能源成本管理
峰平谷参数可以配置峰平谷对应的时间区间，根据区间自动统计峰平谷电量。其他能源产品可输入单
价等根据系统采集的能源使用量，直接将能源的使用成本通过金额的方式体现出来。
3.10 企业用能分析
企业用能分析功能包括能耗趋势分析、能耗结构分析子功能。
（1）能耗成本分析。根据能源使用量及尖峰平谷对应的价格不同设置不同价格，计算出使用成本系统
提供了多种数据的分析方式，可以对单个工序的月、年电量做同比、环比分析，还可以将电量与指标电量分析，进行对标管理；系统支持多个工序、用电单位的电量对比展示，工序、用电单位的能耗占比直观显示，分析高耗能工序、用电单位用电情况，有针对性地制定节能措施。系统支持对峰平谷电量的分析，可以计算全矿用电的峰谷比，也可以计算某一个层级电量的峰谷比，针对峰谷比较高的回路，通过调节工作时段，降低峰谷比，实现合理用电。
（2）用能趋势分析。按照用能单元，针对对应不同能源品种消费量按照时间段，进行对应能源品种、能源消费量指标（本期、同比、环比）的变化趋势进行分析。
（3）能耗结构分析。按用能单元分析能源消费量折标量占比。
3.11 高耗能回路计算
煤矿能耗主要消耗在高能耗设备上，如提升机、压风机、通风机等，系统提供设置耗能设备阈值功能， 可以设置耗电量达到某一阈值的设备为高耗能设备，可以予以跟踪，并可以图形的方式直观查看电量 消耗情况。
3.12 回路补偿策略
系统可对具有节能空间的回路生成补偿策略，可以分级补偿曲线的方式进行计算。计算出补偿后 曲线，并得出补偿后的结论，提供给相关人员参考，为下一步技术节能提供依据，如图3所示。
3.13 参数管理
参数管理用来配置管理系统运行的各种参数。
电表参数可以配置各个用电回路的计量设备信息，包含设备名称、编号等信息，机构、用户、角色、权限、日志的管理。
4、能耗管理系统可实现的目标
4.1 提高煤矿企业能耗管理水平
通过建立能耗管理信息系统，可以实现对能耗情况实时监视，能够实时分析和掌握各生产环节、各用电单位、重要耗能设备的能耗状况，可以对整体的能源利用状况和水平作出准确合理的分析和评价。
4.2 完善了企业能耗的预警考核机制
通过能耗系统的电量指标预警，管理人员可以尽快掌握各工序、用电单位的能耗超标情况，可以
及时对超标的工序、用电单位进行检查，发现纠正生产中的耗能问题。
4.3 优化煤矿企业用电方式
通过统计各生产工序峰平谷时段的用电电量，计算电量的峰谷比，指导企业合理调整设备工作时间，减少设备峰时段开启时间，增加谷时段运行时间。
4.4 对矿山的应用价值
贯彻能源专业化、精细化、扁平化管理思路，建立持续改进能效的能管模式和机制，提高能管水平，促进节能降耗。实时监视能源消耗，及时发现问题，减少用能损失；有效掌握能耗总量、能耗成本及能耗效率指标数据；有效分析用能特点，为优化用能管理提供决策数据。
5、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、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。
7、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：
8、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。
8.1平台登入
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。
8.2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。
8.3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。
8.4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；
8.5视频监控
接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。
8.6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。
8.7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。
8.8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。
8.9用表统计
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。
8.10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。
8.11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。
8.12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、年的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。
8.13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。
8.14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。
8.15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
8.16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。
8.17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。
8.18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。
8.19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。
8.20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。
8.21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。
8.22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。
8.23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。
8.24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。
8.25容许量报表
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。
8.26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。
8.27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。
8.283D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。
8.293D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。
8.30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。
8.31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。
8.32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。
8.33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。
8.34知识产权证书
9、系统硬件配置
