淺談工業(yè)企業(yè)能耗在線監(jiān)測通用技術研究及應用

    摘要:圍繞重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設工作,文中介紹了系統(tǒng)的建設背景和主要內容,分析了工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)在線采集、實時監(jiān)測的總體技術路線和方法建議,提出了
    通用技術要求。
    關鍵詞:工業(yè)企業(yè);能耗在線監(jiān);系統(tǒng)建設;通用技術

    0引言
           隨著節(jié)能工作向系統(tǒng)化、精細化、信息化方向發(fā)展,節(jié)能領域運用物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)等信息技術手段深挖、細挖節(jié)能潛力成為必然趨勢。為此,國家從“十二五”開始建設覆蓋全國一萬多家重點用能單位的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng),可以全面、準確、及時地掌握全國和分地區(qū)、分行業(yè)能源消費總量及其構成,提高節(jié)能宏觀調控的針對性和有效性。建設能耗在線監(jiān)測系統(tǒng),是推進能源生產和消費革命、深化創(chuàng)新節(jié)能工作的必然選擇,是企業(yè)進一步挖掘節(jié)能潛力、提高能源管理精細化水平的客觀需要,也有利于培育和發(fā)展節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產業(yè),促進經濟結構轉型升級。
     
    1能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設的有關背景
           “十一五”期間,國家建立了重點用能單位能源利用狀況報告制度,對重點用能單位能源利用狀況實行年度管理。2011年,國家發(fā)展改革委、教育部、工業(yè)和信息化部、財政部等十二部門聯(lián)合發(fā)布《萬家企業(yè)節(jié)能低碳行動實施方案》,提出要建立萬家企業(yè)能源利用狀況在線監(jiān)測系統(tǒng)。2012年,《**關于印發(fā)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃的通知》則進一步提出開展重點用能單位能耗在線監(jiān)測體系建設試點工作。從2014年下半年開始,國家組織開展能耗在線監(jiān)測試點,選取北京、河南、陜西3個省市的電力、鋼鐵、石油石化3個行業(yè)的部分重點用能單位開展試點。2015年以后,國家對能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設提出了新的要求,在《關于加快推進生態(tài)文明建設的意見》、“十三五”規(guī)劃《綱要》、《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》等文件中再次提出了建設能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的明確要求。2017年,國家發(fā)展改革委、原質檢總局聯(lián)合印發(fā)《重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設工作方案》,明確要求在試點基礎上推進能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設,到“十三五”末期,基本建成連接各省(區(qū)、市)重點用能單位、相關部門和行業(yè)數(shù)據(jù)共享的能耗監(jiān)測系統(tǒng),為**部門統(tǒng)籌能源發(fā)展與生態(tài)文明建設、強化能源消費總量與強度“雙控”提供支撐,為重點用能單位提質降本增效提供服務。
     
    2能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設內容
           能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三部分建設內容:一是建設省級平臺。省級平臺是監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)域性公共服務平臺,部署在各省(區(qū)、市)電子政務外網和互聯(lián)網,支持接入市級平臺數(shù)據(jù),至少應達到國家信息安全等級保護二級的要求。省級平臺由省級節(jié)能主管部門、質監(jiān)部門負責建設,要**使用政務云等計算資源,符合國家對政務信息系統(tǒng)整合共享的工作要求。二是對接國家平臺。各省級平臺要按照統(tǒng)一的技術標準,將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到國家平臺。國家平臺部署在國家電子政務外網和互聯(lián)網,由國家發(fā)展改革委負責建設,主要功能是接入、匯總、分析各省級平臺或重點用能單位直接上傳的數(shù)據(jù),為能源消費總量與強度“雙控”及重點用能單位節(jié)能管理等工作提供支持。三是建設重點用能單位接入端系統(tǒng)。重點用能單位接入端系統(tǒng)部署在重點用能單位內部,由重點用能單位負責建設。主要功能是,通過計量儀表、工控系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)上傳至省級平臺,或直接上傳至國家平臺。
     
    3能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體技術路線
    3.1總體技術路線
           能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)采用“國家平臺+省級平臺+重點用能單位端系統(tǒng)”的架構和技術路線(見圖1),為各部委、各級節(jié)能主管部門和質監(jiān)部門、重點用能單位等用戶提供不同層次的服務。重點用能單位需按照《用能單位能源計量器具配置和管理通則》(GB17167)配備計量儀表。
     
    圖1能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術路線
           國家平臺部署在國家電子政務外網和互聯(lián)網,由國家發(fā)展改革委負責建設,主要功能是接入、匯總、分析各省級平臺或重點用能單位直接上傳的數(shù)據(jù),為能源消費總量與強度“雙控”及重點用能單位節(jié)能管理等工作提供支持。國家平臺達到國家信息安全等級保護三級要求,可以為相關部門提供數(shù)據(jù)接口,實現(xiàn)信息共享。
        省級平臺是監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)域性公共服務平臺,部署在各省(區(qū)、市)電子政務外網和互聯(lián)網,支持接入市級平臺數(shù)據(jù),至少應達到國家信息安全等級保護二級的要求。省級平臺由省級節(jié)能主管部門、質監(jiān)部門負責建設,**使用政務云等計算資源。主要是接收本區(qū)域內重點用能單位上傳的數(shù)據(jù),整合能源供應單位、其他行業(yè)節(jié)能主管部門系統(tǒng),按統(tǒng)一的技術標準與國家平臺進行數(shù)據(jù)對接,為本省節(jié)能主管部門、質監(jiān)、住建、交通等相關部門以及重點用能單位等提供支持服務。
           重點用能單位端系統(tǒng)一般由能耗在線監(jiān)測端設備、計量器具、工業(yè)控制系統(tǒng)、生產監(jiān)控管理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、通信網絡及相應的管理軟件等組成,部署在重點用能單位內部,由重點用能單位負責建設,主要為用能單位提供能源管理服務。
           重點用能單位端系統(tǒng)通過互聯(lián)網或傳輸專線等方式將采集到的數(shù)據(jù)上傳至省級平臺,再由省級平臺經電子政務外網上傳國家平臺。
    3.2技術方法建議
    3.2.1完善能源計量器具配備
           企業(yè)依法配備能源計量器具,并定期檢定或校準,能源計量器具應滿足數(shù)據(jù)采集接口要求。進出用能單位(一級)和進出主要次級用能單位(二級)計量器具配備率和在線率達到**;企業(yè)根據(jù)重點耗能設備或工序的能耗情況和儀表安裝的可行性,完善主要用能設備(三級)計量器具配備。計量器具配備率和準確度等級達到《用能單位能源計量器具配備和管理通則》(GB17176)的要求。
    3.2.2部署完善能源數(shù)據(jù)采集網絡
           開展能源計量儀表(含新增、改造及已有儀表)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適應性接入改造,基于已有自動化系統(tǒng)(DCS、PLC及電力綜保系統(tǒng)等),完善現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集網絡和工業(yè)主干網絡,在滿足安全性和隔離性技術要求下,實現(xiàn)能源計量數(shù)據(jù)、能源系統(tǒng)操作和質量數(shù)據(jù)、關鍵生產數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一采集到能耗在線監(jiān)測端設備。
    3.2.3開發(fā)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)
           企業(yè)能源管理中心信息系統(tǒng)分為三層:數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)應用層和人機交互層。數(shù)據(jù)采集層由企業(yè)交互終端和數(shù)據(jù)采集機(如有必要)組成,企業(yè)交互終端內置控制器及智能儀表標準協(xié)議,可與****品牌的控制器和智能儀表實現(xiàn)組態(tài)配置通訊接口,內置實時數(shù)據(jù)庫,用于暫存關鍵數(shù)據(jù);內置OPC接口,便于與第三方控制系統(tǒng)或信息系統(tǒng)通訊。企業(yè)如果有特殊需要,也可以添置數(shù)據(jù)采集機,采集機需要預置與生產現(xiàn)場智能儀表、PLC和DCS等現(xiàn)場測量和控制裝置的通訊協(xié)議,以便于相關數(shù)據(jù)的采集;數(shù)據(jù)應用層由多臺服務器組成,服務器用于存儲數(shù)據(jù)、存儲和運行模型庫(數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的固有關系)、存儲定制的人機交互界面等;人機交互層,該層由多種形式的人機交互設備組成,可以是大屏幕顯示器、PC機或移動終端等,這些設備應方便生產管理人員使用能源管理中心信息系統(tǒng)的各項功能。
    3.2.4部署能源集中監(jiān)控平臺
           基于實時數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控圖組態(tài)系統(tǒng),建設監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)對各級(集團、分廠、車間、重要耗能設備)多種能源介質(煤、電、蒸汽、水、燃料氣、氮氣等)產、存、耗全過程的實時監(jiān)控,掌握其歷史和實時趨勢。實時記錄能源系統(tǒng)事件,實時掌握能源使用消耗情況,實現(xiàn)對各類產能、供能和用能過程及設備的實時監(jiān)控、異常報警和分析管理。對重點耗能設備(變壓器、鍋爐、加熱爐、汽機、風機、空壓機、泵等)進行能效實時計算與監(jiān)控,實時監(jiān)控與優(yōu)化設備的能源利用率、設備運行與生產負荷之間的匹配度。通過綜合監(jiān)控系統(tǒng),建設集團、分廠、車間、重要耗能設備四級能源監(jiān)控系統(tǒng)。
    3.2.5健全管理制度
           企業(yè)根據(jù)生產過程和能量系統(tǒng)特點,制定切合實際的能耗在線監(jiān)測制度,充分發(fā)揮能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的作用。企業(yè)需將能源管理工作提升到與產品質量管理和產量管理同等高度,針對不同產品和不同重點耗能設備或工序,制定能耗預警指標體系;制定節(jié)能優(yōu)化生產操作指南?;谀茉垂芾硇畔⑾到y(tǒng)分析工具,制定持續(xù)改進的節(jié)能工作方案,實施在線能效績效考核管理,落實節(jié)能獎懲制度。
    4安科瑞重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)
    4.1建設意義
           《重點用能單位節(jié)能管理辦法》規(guī)定,重點用能單位包括年綜合能源消費量1萬噸標準煤以上(含1萬噸)的用能單位以及各省、自治區(qū)、直轄市有關部門指定的年綜合能源消費量5000噸標準煤以上(含5000噸)、不足1萬噸標準煤的用能單位。目前在該范圍內的重點用能單位全國約17000家,能源消費量占全國能源消費總量的60%,是節(jié)能工作的重點對象。
           為貫徹落實《重點用能單位節(jié)能管理辦法》(國家**2018年*15號令)、《國家**關于開展重點用能單位“百千萬”行動有關事項的通知》(發(fā)改環(huán)資〔2017〕1909號)和國家**辦公廳《關于發(fā)布“百家”重點用能單位名單的通知》(發(fā)改辦環(huán)資〔2019〕351號),深入推進重點用能單位能源消耗總量和強度“雙控”工作,各省市相關主管部門陸續(xù)發(fā)出通知,要求納入“百千萬”行動的重點用能單位落實節(jié)能主體責任,加強節(jié)能管理,并按照《重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設工作方案》(發(fā)改環(huán)資〔2017〕1711號)等要求,建設接入端系統(tǒng)并按時接入省級重點用能單位能耗在線監(jiān)測平臺,對未按要求開展重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設、未配備和使用能源計量器具的,依法依規(guī)責令限期整改,逾期不整改或整改未達到要求的,嚴格按照有關法律法規(guī)進行處罰。
    4.2端系統(tǒng)結構
           根據(jù)《重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設工作方案》的要求,重點用能單位接入端系統(tǒng)部署在重點用能單位內部,由重點用能單位負責建設。
           主要功能:通過計量儀表、工控系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)上傳至省級平臺,或直接上傳至國家平臺;重點用能單位接入端系統(tǒng)要通過網閘、*墻、隔離等安全措施,確保內部系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全;要具備遠程升級維保、一端多傳、接收國家和省級平臺推送信息和用能單位自身能源管理所需的功能。
           安科瑞可為企業(yè)接入端系統(tǒng)提供完整解決方案:
     
    4.2.1端設備
           企業(yè)接入端系統(tǒng)需要從生產過程控制系統(tǒng)中采集能耗相關數(shù)據(jù),考慮到企業(yè)生產網絡與辦公網絡(互聯(lián)網)之間并不互通的實際情況,企業(yè)接入端系統(tǒng)將通過具備2+1架構的物理隔離裝置--能耗在線監(jiān)測端設備,實現(xiàn)生產網絡和辦公網絡之間的物理連接,在數(shù)據(jù)傳遞過程中確保從生產網絡(內網)獲取的能耗數(shù)據(jù)以單向傳遞、隔離加密、文件擺渡的形式安全傳遞到辦公網絡(外網),再通過外網主機側的CA數(shù)字認證證書進行身份認證識別后上傳至省(市)級平臺。結構如圖所示:

    4.2.2端設備硬件參數(shù)

        (1)單主板采用低功耗處理器;
        (2)單主板內存大小4G;
        (3)硬盤:64G固態(tài)硬盤;
        (4)獨立雙主機“2+1”架構非IP物理隔離;
        (5)帶VGA接口,可外接顯示器,便于現(xiàn)場維護操作;
        (6)雙冗余開關電源,互為備用、支持熱插拔,**端設備的可靠性,具有電源故障聲光報警功能;
        (7)8路RS485串口;
        (8)4路千兆以太網;
        (9)4個USB接口,可用于CA證書接口;
    4.2.3端設備軟件功能
           (1)支持從現(xiàn)場的儀表通過Modbus(GB/T19582)、DL/T645、CJ/T188等協(xié)議采集需要的能耗實時數(shù)據(jù),并進行匯總生成上報的能耗數(shù)據(jù);
           (2)支持從能源網關、DTU、SCADA通過ModbusTCP(GB/T19582)、能耗協(xié)議等上傳的能耗實時數(shù)據(jù),并進行匯總生成上報的能耗數(shù)據(jù);
           (3)支持從自動化信息系統(tǒng)通過OPC協(xié)議采集需要的能耗實時數(shù)據(jù),并進行匯總生成上報的能耗數(shù)據(jù);
           (4)支持手工填報數(shù)據(jù):對于不具備在線采集條件的數(shù)據(jù),提供手工填報數(shù)據(jù)上傳;
           (5)具有基礎數(shù)據(jù)處理、本地存儲功能,本地歷史數(shù)據(jù)可存儲6個月以上;
           (6)可根據(jù)項目情況錄入企業(yè)基本信息、企業(yè)生產層級結構、計量器具檔案信息、端設備信息、數(shù)據(jù)采集項信息等各類基本信息;
           (7)按照《NHJC-04-2018重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范-端設備接口協(xié)議規(guī)范》的要求往國家或省級平臺上傳數(shù)據(jù);
           (8)支持斷線緩存,保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性;
           (9)端設備平臺方便用戶使用、配置;
           (10)支持人工補錄、遠程升級;
           (11)用能數(shù)據(jù)集抄;
           (12)數(shù)據(jù)上傳日志。
    4.3ANet系列能源網關
           ANet系列能源網關,可將企業(yè)內分散的能源計量器具集中采集后上傳至端設備,滿足國家辦公機關、大型公共建筑、工業(yè)企業(yè)等能源管理系統(tǒng)中對于水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的能耗計量及分項數(shù)據(jù)采集需求,搭配簡單易用的數(shù)據(jù)配置軟件工具,可以快速配置所需采集數(shù)據(jù)及上傳數(shù)據(jù)中心等各項參數(shù)信息。
    4.3.1能源網關硬件參數(shù)

    4.3.2軟件功能
           (1)支持多種儀表協(xié)議:支持DL/T645、GB/T19582-200(Modbus)、CJ/T188-2004等;
           (2)ModbusTCP實時數(shù)據(jù)轉發(fā);
           (3)分項計量Xml數(shù)據(jù)報文定時上傳;
           (4)數(shù)據(jù)AES加密;
           (5)斷點續(xù)傳;
           (6)數(shù)據(jù)存儲;
           (7)遠程配置及維護;
    4.3.3相關報告及證書
           (1)GB/T17626.2-2018《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》4級。
           (2)GB/T17626.6-2017《電磁兼容試驗和測量技術射頻電磁場輻射抗擾度實驗》3級。
           (3)GB/T17626.4-2018《電磁兼容試驗和測量技術電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》4級。
           (4)GB/T17626.5-2019《電磁兼容試驗和測量技術浪涌(沖擊)抗擾度試驗》4級。
           (5)GB9254-2016《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》合格。
     
    4.4設備選型

     5工業(yè)企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設通用技術要求
           能耗在線監(jiān)測端系統(tǒng)部署在重點用能單位內部,主要功能是通過計量儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)上傳至省級平臺,或直接上傳至國家平臺。能耗在線監(jiān)測端系統(tǒng)要通過網閘、*墻、隔離等安全措施,確保內部系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全;要具備遠程升級維保、一端多傳、接收國家和省級平臺推送信息和用能單位自身能源管理所需的功能。
           端系統(tǒng)的核心是能耗在線監(jiān)測端設備,是重點用能單位的信息節(jié)點。重點用能單位管理信息系統(tǒng)、生產執(zhí)行系統(tǒng)、儀表中的能耗相關數(shù)據(jù)通過有線或無線網絡的方式,傳輸?shù)侥芎脑诰€監(jiān)測端設備。能耗在線監(jiān)測端設備對采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總,經驗證、篩選、整理打包后,采用HT-TPS進行通道保護傳送至上級系統(tǒng)應用平臺。能耗在線監(jiān)測端設備在接入互聯(lián)網之前應采用*墻隔離可能來自互聯(lián)網的網絡攻擊,可選硬件或軟件*墻。用能單位當前未配置硬件*墻時,需配置硬件*墻。
           能耗監(jiān)測端設備作為連接用能單位生產控制網絡與辦公網絡、互聯(lián)網的關鍵節(jié)點設備,**數(shù)據(jù)傳遞的安全隔離,即能耗監(jiān)測端設備數(shù)據(jù)接入端和數(shù)據(jù)發(fā)送端之間的物理隔離和邏輯隔離,數(shù)據(jù)接入端網絡和數(shù)據(jù)發(fā)送端網絡之間的數(shù)據(jù)交換,只能通過配置的數(shù)據(jù),其他數(shù)據(jù)都被完全過濾無法通過。
           能耗監(jiān)測端設備需采用“2+1”架構設計,以雙主機加**隔離部件的方式組成,即由內網主機、外網主機、安全隔離數(shù)據(jù)交互單元三部分組成。用于連接生產控制網絡數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)主機(如生產過程控制系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)、企業(yè)生產自動化系統(tǒng)等)網絡與企業(yè)辦公網絡,實現(xiàn)兩個網絡之間的數(shù)據(jù)傳遞、安全隔離、信息流訪問控制、內容過濾和信息交換等。能耗監(jiān)測端設備中的內、外部主機通過安全隔離數(shù)據(jù)交互單元連接(由**隔離部件構成),安全隔離數(shù)據(jù)交互單元是兩個網絡之間可信物理信道。該內部信道裁剪了TCP/IP等功能網絡協(xié)議棧,采用私有協(xié)議實現(xiàn)協(xié)議隔離。對于用能單位能耗數(shù)據(jù)的采集與遠傳,屬于安全性要求較高而實時性要求相對較低的應用場合,安全隔離數(shù)據(jù)交互單元還將采用一組互斥的分時切換電子開關實現(xiàn)內部物理信道的通斷控制,以分時切換連接方式完成信息擺渡,從而在兩個網絡之間形成一個不存在實時物理連接的隔離區(qū)。
    【參考文獻】
    [1]北京節(jié)能環(huán)保中心.北京市重點用能單位能耗在線監(jiān)測試點建設工作經驗[J].中國能源,2018(4):7-9.
    [2]楊紹鵬,王璐,時希杰.工業(yè)企業(yè)能耗在線監(jiān)測通用技術研究[J].應用能源技術,2021(08):38-41.
    [3]安科瑞重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng).2020.10版 
     
    作者簡介:周曉麗,女,本科,現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為重點用能單位能耗在線監(jiān)測。

    安科瑞電氣股份有限公司專注于智能照明控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng),電能質量治理系統(tǒng),安科瑞電氣,智慧用電云平臺,智能母線監(jiān)控,低壓母線測溫裝置等, 歡迎致電 15216751208

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