煤矿企业能源管理系统开发及应用

李凌乾，李 萌，苏南丁

(河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001)

煤炭是我国能源的主要来源，也是我国经济的重要支柱，2019年煤炭消费量占全国能源消费总量的57.7%[1]。当前，煤炭行业正处于全面深化改革、转型发展的关键时期，煤炭转型发展需要开拓新的空间[2-5]。随着煤炭行业信息化水平的不断提高，煤矿企业能源管理系统在我国煤炭行业已经逐步开始应用[6-9]，例如国家能源集团与360公司联合成立清洁能源大数据安全技术研究中心，徐州矿业集团与华为公司联合建设淮海大数据中心等。与此同时，煤炭行业也面临着从“高碳”到“低碳”的能源革命的挑战，随着能源结构向清洁低碳转变[10-11]，煤炭比例的逐步下降将导致煤炭企业效益的下降，提高生产效率、降低煤炭生产成本将是促进煤炭行业转型发展、开拓利润空间的必由之路。

煤矿企业是煤炭资源生产企业，也是重点耗能行业。煤矿企业能源消耗较大，一方面是由煤矿行业特点造成的，煤炭生产是一个复杂的系统，集煤炭开采、隧道运输、机电、通风、地质勘查、安全等功能于一体，消费的能源主要为电力，耗能设备多，装机容量大[12]；另一方面是由于煤矿企业发展模式传统、能源管理粗放，生产过程中浪费严重，能源损失多。因此，节能减排是煤矿企业实现降本增效的重要途径。通过加强煤矿的能耗管理、煤矿高耗能设备节能改造、矿井绿色照明技术研究等措施，降低煤矿企业能源消耗，促进煤矿企业绿色生产，实现可持续发展[13-15]。

本文根据煤矿企业生产特点，设计了煤矿企业能源管理系统总体方案，并结合城郊煤矿生产管理实践，为煤矿企业实现能源信息化管理提供参考。

1 建设目标

通过建立煤矿企业能源管理体系和煤矿企业能效管理及智慧能源平台，规范企业能源管理过程，提升企业能源管理水平，提高企业能源生产或能源消费过程中的能源利用率，同时提高企业能源利用的智能化水平，从而降低企业用能、产能成本，提高企业核心竞争力。

2 设计方案

2.1 总体架构

项目总体架构即系统层级架构，由综合能源数据中心、综合能源管理中心、用户服务互动中心3大中心共同构成。其中，综合能源数据中心提供数据基础；综合能源管理中心依托数据基础，实现能源系统监测、运维、托管等功能以及数据价值分析、诊断、预测、优化等功能；用户服务互动中心提供一站式、定制化、专家型、全方位的服务。

能源管理系统的总体架构从全系统范围进行分析设计，按照客户类型的不同，其软件系统分别建立以B/S(浏览器/服务器)和C/S(客户机/服务器)为主的体系结构。前者针对信息浏览者和外部操作客户，后者针对操作员、工程师类型客户。

能源管理系统采用跨平台系统网络配置方案。系统中的所有硬件设备都通过以太网连接，并使用标准的TCP/IP和UDP网络通信协议。系统以3层结构模式运行，网络上的每台计算机都是冗余的，只要一台服务器在运行，就可以完成监控系统最基本的功能而不会崩溃，并且具有良好的安全性。系统采用内存数据库模式，可以满足监控系统对数据的实时性和标准性的双重要求。系统中存储的历史数据以标准的商业数据库格式存储，支持语言查询，数据接口完全开放。系统易于升级并且具有良好的开放性，可以随意集成其他制造商提供的软件模块，易于扩展功能。

系统组网设计如图1所示，组网架构主要包括能源监控中心系统、能源设备、通信设备以及各系统/设备的连接方式。计算机系统包括服务器系统和操作站系统；服务器包括实时数据库服务器、内存服务器、应用服务器、Web服务器等；监控工作站包括能源监控工作站、电力调度工作站等。

图1 系统组网架构Fig.1 System architecture

2.2 功能模块

根据煤矿企业能源管理的实际情况及业务定位，煤矿企业能源管理系统主要包括能源数据采集、能源综合监控、能源分析、能源设备运维、移动端APP5个功能模块。

(1)能源数据采集。能源数据采集系统主要实现现场工序及能源数据的采集，并把采集到的数据上传给能源综合监控系统，由采集网络和现场数据采集站组成。将采集各种能源计量表计数据，与各个子系统进行对接，获取能源相关数据。

能源数据采集系统主要采集电力监控、主排水、水源热泵、空压机、空压机余热利用、主要通风机、主胶带输送机、架空乘人装置、提升机监控、天然气锅炉、热水输送、其他能源12个系统的数据。通过通信管理机将数据集中汇总上传服务器。能源数据采集系统是能源管理系统的底层基础。

(2)能源综合监控。能源综合监控系统接收能源数据采集系统采集的信息，并对采集的数据进行实时处理显示、统计分析、趋势记录和报警，实现对全矿能源的生产、输送、消耗的实时监控，由数据库服务器、应用服务器、操作站及显示系统等组成，主要包括图形显示、实时告警、报表统计、趋势分析、统计分析、人机界面、系统管理、数据转发8个模块。

(3)能源分析。能源分析系统主要实现能源数据管理、统计、分析等功能，主要功能为能源在线监测、设备告警、设备利用率分析、尖峰负荷分析、能源统计分析、能源性能管理、能源单耗对标管理、统计报表/报告管理、能耗汇总、能源数据看板、系统配置管理等。

(4)能源设备运维。能源设备运维系统利用信息处理技术与网络传输技术等对大范围的能源设备进行实时集中监控和一体化运维管理，最终对各能源设备设施实现完全的无人值守、有人巡检、线上实时监控、线下巡视检修的自动化目标，提高能源设备管理的信息水平。

能源设备运维子系统主要包括以下7个功能模块：设备管理、智能巡检、检修管理、运行管理、缺陷管理、图档管理、设备巡检闭环管理。

(5)移动端APP。移动端APP可实现重点功能的移动端展示。根据功能不同，移动端APP可分为能源分析子系统及能源设备运维子系统。其中移动端能源分析子系统由首页、用能分析、用能告警、企业中心4个模块组成；能源设备运维子系统由远程数据监测、画面监视、告警浏览、设备巡检4个模块组成。

3 煤矿企业能源管理系统应用效果

3.1 实现能源管理可视化

运用云计算、物联网、互联网、现代通信、软硬件集成等技术，实现智慧能源管控，配电安全、环境品质、设备设施运维的综合管理，提供全方位的服务，为企业建立一个能源及设备设施运维管理系统。实现各类型水、电、气等多种能源的远程监控和综合性的能源管理，企业能够实时了解自身的能源消耗情况，为企业的节能减排方案提供数据支撑；实现配电设备的远程集中监控和设备设施的无人值守；通过设备设施运维管理实现对设备设施的科学有序的管理，降低运维人力成本，为线下的设备设施改造提供数据基础和技术支持。

3.1.1 生产管理可视化

根据生产的实际需要，使用过程可视化配置工具提供的监视手段，对过程数据和管理数据进行分类、处理和计算。有用的数据结果以系统仿真图的形式显示，以反映生产现场系统运行的实际情况。通过系统仿真图，生产管理人员可以实时观察生产现场的各项指标，以获得足够的生产信息，监控生产状况，了解实时生产情况；管理者可以在同一屏幕上清楚地看到每个区域和每个工序的信息，从而消除了控制过程中的信息孤岛。根据用户定义的查询条件，可以查询和统计实时能耗和成本，并支持实时数据查询和各种图形显示(饼图、柱状图、曲线图等)。以城郊煤矿为例，其各系统能耗占比如图2所示。

图2 各系统能耗占比Fig.2 Energy consumption ratio of each system

3.1.2 能耗数据统计分析可视化

量化指标可分为经济类、产品类、工序类，其中经济能耗类评价指标有3个，分别为单位GDP能耗、单位GDP电耗、单位工业增加值能耗；产品能耗类评价指标有3个，分别为吨原煤生产综合能耗、吨原煤生产电耗、选煤电力单耗；工序能耗类评价指标有5个，分别为煤矿提升机工序能耗、煤矿在用主排水泵工序能耗、煤矿在用空气压缩机工序能耗、煤矿主提升带式输送机工序能耗、工业锅炉热效率。通过系统自动及时地对生产过程数据进行统计分析，可以大大提高企业管理人员的工作效率，同时保证了统计数据的客观准确性，为企业生产管理者提供实时准确的生产数据，为管理者快速决策提供依据，有利于提高企业经营效益。通过能源管理系统可以查看指标的变化趋势和每个监控点的历史趋势以形成曲线，如能耗和性能参数(压力、流量、温度等)的数据，方便相关人员比较和分析分布在不同系统中的关键历史数据，对关键技术指标进行科学合理的调整，以提高生产效率。对于重要的生产和过程参数、不同工序的数据，进行数据集成配置，并能够在趋势画面上对其进行比较和分析。以城郊煤矿为例，其电力系统运行日报、能源监测、能耗对标如图3—图5所示。

图3 电力系统运行日报Fig.3 Daily report of power system operation

图4 能源监测Fig.4 Energy monitoring chart

图5 能耗对标图Fig.5 Energy consumption benchmarking

3.2 实现设备运维实时监测

实现对整个煤矿各类能源设备的统一维护，以站点为划分等级，对主要耗能设备进行能耗监测。提供一体化的查询统计功能，如根据所属工序、生产厂商、投运起始终止日期、运行状态、检修次数、检修时间等为条件，进行筛选查询。以城郊煤矿为例，其供电系统总体监控、设备信息管理、设备巡检计划如图6—图8所示。

图6 供电系统接线示意Fig.6 Wiring diagram of power supply system

图8 设备巡检计划Fig.8 Equipment inspection plan

通过对设备日常运行负荷的实时监控，计算出设备的利用率，为企业日常设备维修、保养和维护提供分析依据。以城郊煤矿为例，其设备利用率分析如图9所示。

图9 设备利用率Fig.9 Equipment utilization rate

当能源介质出现异常情况时，通过界面弹出报警、短信或电子邮件等多种方式实现实时报警，让管理者及时、有针对性地解决问题，确保企业安全生产。不同的能源介质有不同的报警设置方法。用电异常报警可通过设定限值、供需平衡分析等，对现场异常情况及时报警，消除和降低电耗现象，从而达到降低成本、提高效率的目的。以城郊煤矿为例，设备告警管理如图10所示。

图10 告警管理Fig.10 Alarm management diagram

3.3 利用数据挖掘，提高能源管理水平

针对调度自动化数据集中管理的特点，为了更好地为管理决策做出支撑，系统利用数据挖掘技术，借助spark等分布式处理和计算技术，对集中管理的数据进行挖掘分析。如利用数据挖掘中的预测技术，建立可预测的设备维护模型，可以更好地分析设备的生命周期，提高设备的使用效率；利用预测技术对用电需求进行预测，确保电力需求侧管理设计合理、准确；利用异常检测与分析，找出数据中的风险点，帮助异常检测等。以城郊煤矿为例，设备运行效率分析、节能量监测如图11、图12所示。

图11 设备运行效率分析Fig.11 Analysis of equipment operating efficiency

图12 节能量监测Fig.12 Energy saving monitoring diagram

4 结语

煤矿企业节能降耗的潜力较大，信息技术在节能降耗、降本增效方面前景广阔。城郊煤矿能源管理系统的开发与应用，为企业管理人员提供了及时、准确、直观、易用的能耗监测数据，提高了企业节能信息化管理水平及能源利用效率，减少了能源浪费和环境污染，具有良好的社会和经济效益，为建设智慧矿山、绿色矿山提供了支撑。