淺談中小型企業(yè)能耗管理“云”服務公共平臺構建應用

安科瑞 劉邁

　　摘要：由于管理不到位，能源浪費現象很嚴重，管理層面的節(jié)能有很大的節(jié)能空間。管理層面的節(jié)能主要手段是對能耗實行監(jiān)管，對中小型企業(yè)來講，采用能源管理樞紐模式投入較大，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(yè)能耗管理“云"服務公共平臺，企業(yè)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，實現盡可能大化的資源共享，達到節(jié)能效果。本文還介紹了中小型企業(yè)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

　　隨著云計算、大數據和物聯網技術的發(fā)展， 建立面向中小型企業(yè)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。平臺可盡可能優(yōu)化的資源共享，企業(yè)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(tǒng)，技術門檻低。平臺對企業(yè)能耗計量規(guī)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(yè)。平臺在企業(yè)實現節(jié)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(yè)節(jié)能獲利，國家節(jié)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(chuàng)空間，各行各業(yè)可以通過獲取的能耗大數據，優(yōu)化能源配置，監(jiān)測設備能效，監(jiān)督用能行為，監(jiān)控能源消耗，實現節(jié)能和精細化管理。正如所說“以綠色低碳為方向，分類推動技術創(chuàng)新、產業(yè)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)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(yè)培育成帶動我國產業(yè)升級的新增長點"。

　　本文首先分析了中小型企業(yè)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(yè)通過平臺獲取的能耗數據分析，達到節(jié)能和精細化管理效果的案例。

　　1 中小型企業(yè)能耗管理現狀

　　企業(yè)對能耗管理認識高度有待進一步提高。 大部分中小型企業(yè)認識到節(jié)能對企業(yè)發(fā)展的重要 性，尤其是能源成本較高的企業(yè)，但是，并沒有很好的意識到節(jié)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(jié)能項目時，比較傾向于技術節(jié)能層面，不重視管理層面的節(jié)能。

　　能耗數據采集技術手段落后。大部分中小型企業(yè)都制定了節(jié)能措施，執(zhí)行每天或每月抄表制度，統(tǒng)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(yè)還是采用人工抄表， 數據誤差大，精細度不夠，能耗監(jiān)管和節(jié)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(tǒng)一到同一個時間節(jié)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(tǒng)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(yè)采集的能耗數據主要是用來核算成本，并沒有應用到節(jié)能管理，更不要說應用到優(yōu)化能源配置和決策上。能耗大數據可以通過同比、環(huán)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(yōu)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，實現對能耗數據高精度和實時性采集，對中小型企業(yè)來講，是企業(yè)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(yè)的能源監(jiān)管問題。

　　2 能耗管理“云"服務公共平臺架構和關鍵性技術問題現

　　能耗監(jiān)管公共數據服務系統(tǒng)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(tǒng)拓撲結構如圖1所示。

圖1 能耗管理“云"服務公共平臺拓撲圖

　　平臺是一個典型的物聯網應用系統(tǒng)：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(wèi)星通信，應用層是各行各業(yè)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(fā)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(tǒng)。“能耗云"又是一個大數據及其應用系統(tǒng)，負責接連不斷上傳到服務器的數據存取，預先處理，分發(fā)和維護。在能耗“云"上，可以開發(fā)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，平臺用很低的成本，為用戶贏得不錯的服務，其本身符合節(jié)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：高精度、實時性和分類分項。高精度是指能耗數據寬度(字節(jié)數) 滿足能耗計量表精度需求，高精度還包括數據采集在同一個時間節(jié)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(guī)律。分類分項是指采集到的數據能夠區(qū)分出不同的設備和不同類型的能耗，所以增加計量表具，精細化采集能耗數據至 關重要。

　　標準和規(guī)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(tǒng)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(guī)范影響到平臺的廣泛應用。

　　3 應用案例分析

　　“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(門戶網站www.ems580. com)。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(tǒng)。

　　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(yōu)化工藝過程節(jié)能。某企業(yè)為一家食品加工企業(yè)，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(jié)省電費10萬多元，一個月收回投入。

　　案例二：精細化管理，節(jié)約成本。某企業(yè)是 將廢舊塑料再制成顆粒的再生資源公司，傳統(tǒng)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(yè)，有6條同型號漁船，通過能耗數據采集和同比分析，發(fā)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(tǒng)效率問題，通過檢查發(fā)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(jiān)督和規(guī)范操作人員行為。某陶瓷企業(yè)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(jié)省能耗近10%。

　　4 安科瑞企業(yè)能耗管理系統(tǒng)介紹

　　安科瑞企業(yè)能源管控系統(tǒng)采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數據化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等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(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、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(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數據和支持。

　　5 應用場所

　　鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業(yè)、木材、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業(yè)。

　　6 系統(tǒng)結構

　　現場通過廠區(qū)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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)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(guī)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(xù)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：

7 系統(tǒng)功能

　　平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數據化管理。實時監(jiān)測企業(yè)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(yè)加強能源管理，提高能源利用效率和節(jié)能潛力，為節(jié)能改造提供數據依據。

　　7.1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。

7.2大屏展示

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

7.3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(yè)級統(tǒng)計數據。

7.4數據監(jiān)控

　　對企業(yè)各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠實時的監(jiān)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(yè)削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

　　能源實時監(jiān)控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監(jiān)測，確保用能環(huán)節(jié)的持續(xù)穩(wěn)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(tǒng)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(tài)及能耗數據。

　　實時統(tǒng)計：實時統(tǒng)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(qū)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(tǒng)彈窗等報警提示；

7.5視頻監(jiān)控

　　接入攝像頭，實時掌控企業(yè)內實際情況。

7.6變壓器監(jiān)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(guī)劃。通過各種運行參數狀態(tài)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。

7.7儀表實時監(jiān)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。

7.8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(yè)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。

7.9用能統(tǒng)計

　　從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)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(yè)用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統(tǒng)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。

7.11成本分析

　　統(tǒng)計各個監(jiān)測節(jié)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。

7.11產品單耗統(tǒng)計

　　與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產品產量以及系統(tǒng)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(huán)比分析。同時將產品單耗與行業(yè)/國家/國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

7.12績效分析

　　對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區(qū)域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、規(guī)定時段績效統(tǒng)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(yè)了解內部能效水平和節(jié)能潛力，評定能源消耗是否合理。

　　7.13運行監(jiān)測

　　系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監(jiān)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(tǒng)一次運行監(jiān)視。可直接從動態(tài)監(jiān)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。

7.14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(yè)各個節(jié)點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環(huán)比報表，支持導出報表。

7.15同比、環(huán)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(huán)比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統(tǒng)計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環(huán)比

　　7.16分析報告

　　以年、月、日對企業(yè)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(tǒng)計分析，讓用戶更加了解系統(tǒng)的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發(fā)現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。

7.17能耗設備用能

　　監(jiān)控耗能設備運行、停機及異常狀態(tài)，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

7.18線損分析

　　根據節(jié)點、能源分類，查詢各個節(jié)點線路上的能源損耗數據，及時發(fā)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。

7.19碳排放管理

　　按照區(qū)域對碳排放總量的變化趨勢進行統(tǒng)計，并進行同環(huán)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(qū)域減排水平，促進碳達峰目標實現。

　　7.20電能質量監(jiān)測

　　實時監(jiān)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。

　　7.21運維管理

　　系統(tǒng)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(zhí)行巡檢、完成工單、巡檢發(fā)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(yǎng)需要。

7.22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(yè)提前預警，避免發(fā)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(fā)與閉環(huán)處理。

7.23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。

7.24能耗分析自定義時間抄表

　　可自定義時間段內各個拓撲節(jié)點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

7.25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(yè)實現容改需，降低基本電費。

　　7.26復費率報表

　　對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析，為企業(yè)分時用電，優(yōu)化成本效益提供數據支持。

7.27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(tǒng)管理，支持文件的上傳和下載。

7.28 3D可視化大屏

　　對場景進行虛擬仿真，展示各區(qū)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(jiān)測點位的自定義綁定。

7.29 3D子系統(tǒng)

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

7.30工業(yè)組態(tài)

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

7.31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(tǒng)計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

7.32基礎數據管理

　　對系統(tǒng)的項目、探測器、設備型號、電參量、節(jié)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。

7.33手機APP

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

7.34知識產權證書

8 系統(tǒng)硬件配置

　　9 總結

　　能耗管理“云"服務公共平臺，適合各行各業(yè)，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盡可能大化，可以滿足中小型企業(yè)對能耗管理的實際需求。這僅僅是個開始，面對各行各業(yè)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(chuàng)空間，需要各行各業(yè)的有心人士來拓展和推廣它的應用。

　　參考文獻

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