摘要: 針對(duì)工業(yè)企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)( EEMIS) 建設(shè)過(guò)程中缺乏能效診斷技術(shù)的問(wèn)題，在傳統(tǒng)信息系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)機(jī)理建模和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，研究了用能設(shè)備、耗能工序和能量系統(tǒng)的能效分析模型，提出了一種新型的EEMIS的結(jié)構(gòu)和功能，并開(kāi)發(fā)了軟件，彌補(bǔ)了EEMIS在能效分析診斷方面的不足，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞: 能源管理; 能效; 信息系統(tǒng)
引 言
在工業(yè)企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)(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(dǎo)致系統(tǒng)失效的主要問(wèn)題之一。傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)(如ERP)可以從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的角度去分析數(shù)據(jù)，而在EEMIS中，用能對(duì)象的運(yùn)行狀況與能效規(guī)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(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律，導(dǎo)致節(jié)能潛力的識(shí)別和改進(jìn)措施的提出均受到限制。
針對(duì)工業(yè)企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中缺乏能效診斷技術(shù)的問(wèn)題，在傳統(tǒng)信息系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)機(jī)理建模和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，研究了用能設(shè)備、耗能工序和公用工程系統(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，并開(kāi)發(fā)了軟件。
1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)針對(duì)工業(yè)企業(yè)用能特點(diǎn)，按照企業(yè)設(shè)備級(jí)、車(chē)間級(jí)、廠級(jí)的三級(jí)能源管理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。EEMIS 充分利用了企業(yè)現(xiàn)有的系統(tǒng)資源，可在企業(yè)ERP/CRM等IT系統(tǒng)以及DCS/SCADA等自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用程序接 口實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)同步。其他系統(tǒng)無(wú)法提供的數(shù)據(jù)可以通過(guò)安裝電子儀表來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充采集，節(jié)約了項(xiàng)目初始的投資費(fèi)用。EEMIS的軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 系統(tǒng)的基本功能
系統(tǒng)采用PHP的MVC架構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)，采用了LAMP開(kāi)發(fā)技術(shù)、可視化程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο缶幊獭?數(shù)據(jù)庫(kù)等多項(xiàng)軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。
2.1 能源數(shù)據(jù)采集
能效數(shù)據(jù)分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一般來(lái)自于企業(yè)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也可以通過(guò)安裝數(shù)字儀表來(lái)補(bǔ)充缺少的數(shù)據(jù)，在預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收集，并存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而實(shí)現(xiàn)能效指標(biāo)的在線(xiàn)計(jì)算與動(dòng)態(tài)分析，如圖2所示。非實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)可以從企業(yè)IT系統(tǒng)中獲取，或者由工作人員直接錄入到EEMIS系統(tǒng)中。
為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。常用的方法是將非同源的數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行比較，也可以和歷史數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)于異常的數(shù)據(jù)應(yīng)該進(jìn)一步分析并解釋原因，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)剔除，以免對(duì)能效分析產(chǎn)生干擾。
2.2 基礎(chǔ)信息管理
基礎(chǔ)信息一般包括企業(yè)基本信息管理、計(jì)量?jī)x表檔案信息管理、設(shè)備檔案信息管理、培訓(xùn)及資料信息管理、能源管理委員會(huì)( 或稱(chēng)之為節(jié)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(tǒng)的初始化及設(shè)置管理等內(nèi)容。
開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)信息管理功能的主要目的是為了增強(qiáng)EMIS運(yùn)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(nèi)容和結(jié)構(gòu)。
2.3 節(jié)能績(jī)效管理
考核管理是企業(yè)提升節(jié)能績(jī)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(fèi)量、投入產(chǎn)出比、能源利用率、節(jié)能減排量、能源成本等能耗指標(biāo)反映出來(lái)。將這些指標(biāo)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(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，如企業(yè)內(nèi)部的能耗基準(zhǔn)(限額、目標(biāo)值、歷史數(shù)值等)以及外部行業(yè)基準(zhǔn)(國(guó)內(nèi)外行業(yè)平均、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)值、行業(yè)準(zhǔn)入值等)進(jìn)行比較，還可以進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力的機(jī)會(huì)，如表1、圖3所示。
2.4 節(jié)能項(xiàng)目管理
對(duì)于工業(yè)企業(yè)而言，節(jié)能效益的絕大部分均來(lái)自于節(jié)能技改項(xiàng)目的實(shí)施結(jié)果。為了保證節(jié)能項(xiàng)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(duì)節(jié)能項(xiàng)目進(jìn)行管理則成為一個(gè)方法。EEMIS提供節(jié)能技改方案設(shè)計(jì)、改造過(guò)程信息管理、項(xiàng)目節(jié)能效果評(píng)估功能，輔助工作人員對(duì)項(xiàng)目實(shí)施后的長(zhǎng)期運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，確保節(jié)能效果的持久。
2.5 能源運(yùn)行管理
傳統(tǒng)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(duì)于很多企業(yè)而言，設(shè)備、生產(chǎn)工藝等用能對(duì)象一般都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品生產(chǎn)和安全運(yùn)行為目標(biāo)的高度自動(dòng)化。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)以能源較優(yōu)運(yùn)行為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)了企業(yè)能源運(yùn)行的在線(xiàn)管理功能。
該系統(tǒng)的能源運(yùn)行管理包括動(dòng)力能源管理、能源供應(yīng)管理、能源消費(fèi)管理。同時(shí)涉及采購(gòu)、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、動(dòng)力、生產(chǎn)消費(fèi)等多個(gè)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)來(lái)源于同一數(shù)據(jù)庫(kù)，各個(gè)部門(mén)圍繞統(tǒng)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(duì)象的能效評(píng)價(jià)、節(jié)能診斷與優(yōu)化改進(jìn)三方面的問(wèn)題，管理的對(duì)象包括企業(yè)耗能設(shè)備、工藝和能量系統(tǒng)三個(gè)層次。
能效評(píng)價(jià)指對(duì)上述用能對(duì)象的能效狀況進(jìn)行分析評(píng)估，包括能源結(jié)構(gòu)分析、能源消費(fèi)流向分析(見(jiàn)圖4) 、負(fù)荷分析、趨勢(shì)分析、能效指標(biāo)計(jì)算及對(duì)比、企業(yè)能量平衡、能量品質(zhì)分析、對(duì)象(如動(dòng)力生產(chǎn)、照明、大型耗能設(shè)備等)性能評(píng)估等。節(jié)能診斷指確定存在節(jié)能潛力的位置并量化節(jié)能潛力數(shù)值，包括能效影響因素分析、節(jié)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(tǒng)優(yōu)化、能效決策分析、企業(yè)清潔生產(chǎn)等內(nèi)容。
能效管理由能效分析模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算與分析功能。每個(gè)能效分析模塊采用了機(jī)理建模和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，根據(jù)不同用能對(duì)象的用能特征逐個(gè)分析建立。下面以用能設(shè)備能效的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模型為例，建模過(guò)程如下:
1) 首先采用機(jī)理建模的方法，建立以能效目標(biāo)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(yīng)用的價(jià)值。在該系統(tǒng)能效模型的建立過(guò)程中，采用以能量利用的規(guī)律為主、統(tǒng)計(jì)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(jī)器學(xué)習(xí)的方法，使模型具備在線(xiàn)運(yùn)行環(huán)境的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力。當(dāng)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的能源消費(fèi)模式發(fā)生顯著變化時(shí)，依據(jù)原有模式建立的能效模型會(huì)超出使用范圍。機(jī)器學(xué)習(xí)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(jù)新的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行自我修正，從而獲得新模式下的運(yùn)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(jù)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(cāng)庫(kù)。圖6所示為一個(gè)能效分析模型的內(nèi)部功能及核心技術(shù)。
3 安科瑞工業(yè)能耗系統(tǒng)介紹
安科瑞工業(yè)能耗系統(tǒng)采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實(shí)行集中扁平化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測(cè)企業(yè)電、水、燃?xì)?、蒸汽及壓縮空氣等各類(lèi)能源的消耗情況，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，幫助企業(yè)針對(duì)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(shè)備的能源利用情況等進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預(yù)測(cè)、碳排分析，為企業(yè)加強(qiáng)能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和支持。
3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.2 系統(tǒng)功能
3.2.1 大屏展示
大屏展示企業(yè)水電氣當(dāng)前用量、能源消耗趨勢(shì)、產(chǎn)能走勢(shì)、各類(lèi)能源占比、各類(lèi)能源消耗日/月/年同比,以及當(dāng)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(tǒng)計(jì)占比，區(qū)域或重要工藝綜合能耗占比和統(tǒng)計(jì)分析，碳排放量核算；并從企業(yè)管理需求出發(fā)，展示監(jiān)測(cè)區(qū)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(jié)能減排策劃。
3.2.3 能耗分析
從能源使用種類(lèi)、監(jiān)測(cè)區(qū)域、生產(chǎn)工藝/工段時(shí)間、分項(xiàng)等維度，采用曲線(xiàn)、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對(duì)企業(yè)用能統(tǒng)計(jì)、同比、環(huán)比分析、實(shí)績(jī)分析，折標(biāo)對(duì)比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統(tǒng)計(jì)，找出能源使用過(guò)程中的漏洞和不合理地方，從而調(diào)整能源分配策略，減少能源使用過(guò)程中的浪費(fèi)。
3.2.4運(yùn)行監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)對(duì)區(qū)域、工段、設(shè)備能源消耗進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測(cè)設(shè)備及工藝運(yùn)行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統(tǒng)一次運(yùn)行監(jiān)視?？芍苯訌膭?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)，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(tǒng)，方便用戶(hù)按能源分類(lèi)、區(qū)域、車(chē)間、工序、班組、設(shè)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(biāo)、用能預(yù)測(cè)、運(yùn)行監(jiān)視、異常報(bào)警等。
3.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選型
4 結(jié)語(yǔ)
隨著我國(guó)工業(yè)企業(yè)原材料和人力成本上漲、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)加劇以及節(jié)能環(huán)保的壓力日益增加，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始重視并著手建設(shè)企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)。能效分析模塊是企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)支持，也是系統(tǒng)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(tǒng)的總體架構(gòu)和基本功能，并開(kāi)發(fā)了應(yīng)用軟件，增強(qiáng)了企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)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(tǒng)開(kāi)拓了思路。
參考文獻(xiàn)
[1]呂進(jìn)，樓振飛．面向服務(wù)架構(gòu)的能效管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)研究[J]．上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(5): 506－510．
[2]宋小磊，陳貴軍，趙書(shū)平.工業(yè)企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)研究[J].
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與選型手冊(cè).2019.11版.
