摘要: 針對工業(yè)企業(yè)能源管理信息系統( EEMIS) 建設過(guò)程中缺乏能效診斷技術(shù)的問(wèn)題，在傳統信息系統和自動(dòng)化系統的基礎上，通過(guò)機理建模和機器學(xué)習相結合的方法，研究了用能設備、耗能工序和能量系統的能效分析模型，提出了一種新型的EEMIS的結構和功能，并開(kāi)發(fā)了軟件，彌補了EEMIS在能效分析診斷方面的不足，增強了系統的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞: 能源管理; 能效; 信息系統
引 言
在工業(yè)企業(yè)能源管理信息系統(Enterprise En-ergy Management Information System，EEMIS)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，能效分析技術(shù)的缺乏是導致系統失效的主要問(wèn)題之一。傳統的信息系統(如ERP)可以從統計規律的角度去分析數據，而在EEMIS中，用能對象的運行狀況與能效規律密切相關(guān)。如果沒(méi)有能效分析技術(shù)的支持，能效問(wèn)題往往只能“模糊”處理，無(wú)法解釋現象背后的本質(zhì)規律，導致節能潛力的識別和改進(jìn)措施的提出均受到限制。
針對工業(yè)企業(yè)能源管理信息系統建設過(guò)程中缺乏能效診斷技術(shù)的問(wèn)題，在傳統信息系統和自動(dòng)化系統的基礎上，通過(guò)機理建模和機器學(xué)習相結合的方法，研究了用能設備、耗能工序和公用工程系統的能效分析模型，提出了一種新型的企業(yè)能源管理信息系統的結構和功能，并開(kāi)發(fā)了軟件。
1 系統軟件結構
系統針對工業(yè)企業(yè)用能特點(diǎn)，按照企業(yè)設備級、車(chē)間級、廠(chǎng)級的三級能源管理網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行設計和開(kāi)發(fā)。EEMIS 充分利用了企業(yè)現有的系統資源，可在企業(yè)ERP/CRM等IT系統以及DCS/SCADA等自動(dòng)化系統的基礎上，通過(guò)應用程序接 口實(shí)現不同系統間的數據同步。其他系統無(wú)法提供的數據可以通過(guò)安裝電子儀表來(lái)進(jìn)行補充采集，節約了項目初始的投資費用。EEMIS的軟件結構如圖1所示。
2 系統的基本功能
系統采用PHP的MVC架構模型實(shí)現，采用了LAMP開(kāi)發(fā)技術(shù)、可視化程序設計、面向對象編程、 數據庫等多項軟件技術(shù)，實(shí)現了系統的各項功能。
2.1 能源數據采集
能效數據分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種。實(shí)時(shí)數據一般來(lái)自于企業(yè)在線(xiàn)監測系統，也可以通過(guò)安裝數字儀表來(lái)補充缺少的數據，在預設的時(shí)間間隔內實(shí)現自動(dòng)收集，并存儲到實(shí)時(shí)數據庫中，從而實(shí)現能效指標的在線(xiàn)計算與動(dòng)態(tài)分析，如圖2所示。非實(shí)時(shí)獲取的數據可以從企業(yè)IT系統中獲取，或者由工作人員直接錄入到EEMIS系統中。
為了保證數據的準確，需要對數據進(jìn)行驗證。常用的方法是將非同源的數據放在一起進(jìn)行比較，也可以和歷史數據對比來(lái)發(fā)現異常。對于異常的數據應該進(jìn)一步分析并解釋原因，錯誤的數據剔除，以免對能效分析產(chǎn)生干擾。
2.2 基礎信息管理
基礎信息一般包括企業(yè)基本信息管理、計量?jì)x表檔案信息管理、設備檔案信息管理、培訓及資料信息管理、能源管理委員會(huì )( 或稱(chēng)之為節能*小組) 信息管理、新聞公告信息管理、行業(yè)政策信息管理、技術(shù)文檔信息管理、系統的初始化及設置管理等內容。
開(kāi)發(fā)基礎信息管理功能的主要目的是為了增強EMIS運行的易用性，避免每個(gè)功能模塊在使用時(shí)還需要重新配置內容和結構。
2.3 節能績(jì)效管理
考核管理是企業(yè)提升節能績(jì)效的重要手段。企業(yè)能源利用的好壞，可以通過(guò)能源消費量、投入產(chǎn)出比、能源利用率、節能減排量、能源成本等能耗指標反映出來(lái)。將這些指標納入企業(yè)考核體系，能夠提高企業(yè)能源管理的效果。若進(jìn)一步對這些指標進(jìn)行對標分析，如企業(yè)內部的能耗基準(限額、目標值、歷史數值等)以及外部行業(yè)基準(國內外行業(yè)平均、法規標準值、行業(yè)準入值等)進(jìn)行比較，還可以進(jìn)一步挖掘節能潛力的機會(huì )，如表1、圖3所示。
2.4 節能項目管理
對于工業(yè)企業(yè)而言，節能效益的絕大部分均來(lái)自于節能技改項目的實(shí)施結果。為了保證節能項目的順利實(shí)施，提高管理效率和效果，借助信息技術(shù)手段對節能項目進(jìn)行管理則成為一個(gè)方法。EEMIS提供節能技改方案設計、改造過(guò)程信息管理、項目節能效果評估功能，輔助工作人員對項目實(shí)施后的長(cháng)期運行狀況進(jìn)行監控，確保節能效果的持久。
2.5 能源運行管理
傳統的能源管理過(guò)程是基于人工管理的離線(xiàn)過(guò)程。在工業(yè)信息化高速發(fā)展的今天，只能完成離線(xiàn)能源管理的EMIS已經(jīng)不能滿(mǎn)足部分企業(yè)高速發(fā)展的需要。對于很多企業(yè)而言，設備、生產(chǎn)工藝等用能對象一般都已經(jīng)實(shí)現基于產(chǎn)品生產(chǎn)和安全運行為目標的高度自動(dòng)化。在此基礎上，該系統以能源較優(yōu)運行為目標，開(kāi)發(fā)了企業(yè)能源運行的在線(xiàn)管理功能。
該系統的能源運行管理包括動(dòng)力能源管理、能源供應管理、能源消費管理。同時(shí)涉及采購、運輸、倉儲、動(dòng)力、生產(chǎn)消費等多個(gè)環(huán)節。數據來(lái)源于同一數據庫，各個(gè)部門(mén)圍繞統一的信息進(jìn)行分析和決策。
2.6 企業(yè)能效管理
企業(yè)能效管理主要解決企業(yè)用能對象的能效評價(jià)、節能診斷與優(yōu)化改進(jìn)三方面的問(wèn)題，管理的對象包括企業(yè)耗能設備、工藝和能量系統三個(gè)層次。
能效評價(jià)指對上述用能對象的能效狀況進(jìn)行分析評估，包括能源結構分析、能源消費流向分析(見(jiàn)圖4) 、負荷分析、趨勢分析、能效指標計算及對比、企業(yè)能量平衡、能量品質(zhì)分析、對象(如動(dòng)力生產(chǎn)、照明、大型耗能設備等)性能評估等。節能診斷指確定存在節能潛力的位置并量化節能潛力數值，包括能效影響因素分析、節能潛力分析(見(jiàn)圖5)、減排潛力分析等; 優(yōu)化改進(jìn)包括能量系統優(yōu)化、能效決策分析、企業(yè)清潔生產(chǎn)等內容。
能效管理由能效分析模塊來(lái)實(shí)現運算與分析功能。每個(gè)能效分析模塊采用了機理建模和機器學(xué)習相結合的方法，根據不同用能對象的用能特征逐個(gè)分析建立。下面以用能設備能效的在線(xiàn)監測模型為例，建模過(guò)程如下:
1) 首先采用機理建模的方法，建立以能效目標為因變量、可控影響因子為自變量的能效特性方程以及約束條件。不同影響因子之間可能存在一定的耦合性，這種耦合性通常會(huì )使能效特性方程失去實(shí)際應用的價(jià)值。在該系統能效模型的建立過(guò)程中，采用以能量利用的規律為主、統計分析為輔的方法來(lái)確定不同自變量之間的關(guān)系，將可控影響因素之間的耦合度降低。
2)然后采用機器學(xué)習的方法，使模型具備在線(xiàn)運行環(huán)境的自適應學(xué)習能力。當被監測對象的能源消費模式發(fā)生顯著(zhù)變化時(shí)，依據原有模式建立的能效模型會(huì )超出使用范圍。機器學(xué)習技術(shù)可以很好地解決此類(lèi)問(wèn)題，按此建立的模型可以根據新的樣本數據進(jìn)行自我修正，從而獲得新模式下的運算能力。
能效模型采用組件的開(kāi)發(fā)方式形成軟件模塊，根據企業(yè)的實(shí)際需要選取不同種類(lèi)的模塊進(jìn)行功能拼接和拓展，從而形成一個(gè)滿(mǎn)足不同行業(yè)企業(yè)能效管理需要的模塊倉庫。圖6所示為一個(gè)能效分析模型的內部功能及核心技術(shù)。
3 安科瑞工業(yè)能耗系統介紹
安科瑞工業(yè)能耗系統采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節實(shí)行集中扁平化的動(dòng)態(tài)監控和數據化管理，監測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類(lèi)能源的消耗情況，通過(guò)數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質(zhì)量、產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進(jìn)行能耗統計、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。
3.1 系統結構
3.2 系統功能
3.2.1 大屏展示
大屏展示企業(yè)水電氣當前用量、能源消耗趨勢、產(chǎn)能走勢、各類(lèi)能源占比、各類(lèi)能源消耗日/月/年同比,以及當前天氣情況、污染情況，并三維展示企業(yè)重要工藝或工段的能源消耗動(dòng)態(tài)。
3.2.2 能源看板
展示企業(yè)電能峰平谷能耗統計占比，區域或重要工藝綜合能耗占比和統計分析，碳排放量核算；并從企業(yè)管理需求出發(fā)，展示監測區域的能耗比例、公司單位產(chǎn)品能耗和單位產(chǎn)值能耗同比分析，讓企業(yè)一目了然地掌握能源消耗水平，以便及時(shí)做好節能減排策劃。
3.2.3 能耗分析
從能源使用種類(lèi)、監測區域、生產(chǎn)工藝/工段時(shí)間、分項等維度，采用曲線(xiàn)、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業(yè)用能統計、同比、環(huán)比分析、實(shí)績(jì)分析，折標對比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統計，找出能源使用過(guò)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(guò)程中的浪費。
3.2.4運行監測
系統對區域、工段、設備能源消耗進(jìn)行數據采集，監測設備及工藝運行狀態(tài)，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?？芍苯訌膭?dòng)態(tài)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(lèi)、車(chē)間、工段、時(shí)間等維度查詢(xún)相關(guān)能源用量。
3.2.5 移動(dòng)端支持
APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶(hù)按能源分類(lèi)、區域、車(chē)間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業(yè)能源消耗、效率分析、同環(huán)比分析、能耗折標、用能預測、運行監視、異常報警等。
3.3 現場(chǎng)設備選型
4 結語(yǔ)
隨著(zhù)我國工業(yè)企業(yè)原材料和人力成本上漲、產(chǎn)品競爭加劇以及節能環(huán)保的壓力日益增加，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始重視并著(zhù)手建設企業(yè)能源管理信息系統。能效分析模塊是企業(yè)能源管理信息系統重要的基礎支持，也是系統開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。
本文提出了基于能效分析模塊的企業(yè)能源管理信息系統的總體架構和基本功能，并開(kāi)發(fā)了應用軟件，增強了企業(yè)能源管理信息系統在能效分析方面的實(shí)用性，為未來(lái)研究更高要求的企業(yè)能源管理信息系統開(kāi)拓了思路。
參考文獻
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