际华高分子材料高科产业园能源管理系统设计

摘  要：际华高分子材料高科产业园能源管理系统，对园区13栋工房每栋水、电、蒸汽能耗数据进行数据实时采集监测、数据统计和节能管理，对用能状态全面监测，提供能源数据采集、存储、分析，对用能情况进行及时地了解，完成数据采集通道的建设，并根据实时数据对用能进行及时、有效的管理，为公司节约用能成本提供了参考和依据，提高用能管理水平。

关键词：智能能源数据采集;通信协议;GPRS;CDMA

中图分类号：TP315                  文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）01-0144-04

Abstract： The energy management system of Jihua polymer materials high tech Industrial Park carries out real-time data collection， monitoring， data statistics and energy-saving management for the energy consumption data of each of the 13 workshops in the park， comprehensively monitors the energy consumption status， provides energy data collection， storage and analysis， timely understands the energy consumption， completes the construction of data collection channel， and timely and effectively manages the energy consumption according to the real-time data， it provides a reference and basis for the company to save energy cost and improve the level of energy management.

Keywords： intelligent energy data collection; communication protocol; GPRS; CDMA

0  引  言

际华高分子材料高科产业园需对水、电、蒸汽这些能源进行精确的计量、统计分析和有效管理，为了追求高效、合理地利用能源，提高园区能源管理的水平，建设一套能源管理系统对全园区能耗情况进行统一管理，将生产管理、计量管理、节能管理以及能源的合理调配与控制提高到一个新的水平。

1  设计目标

按照际华高分子材料高科产业园能源管理要求，建设统一的用能信息采集平台，以期实现园区用能计量点远程自动抄表，并提供无法自动采集的能源人工手工填报接口，实现园区用能数据统计分析，明确了解各种能源的使用情况;并且通过系统分析，能够发现目前用能情况是否合理，是否存在节约的空间， 通过系统的过负荷报警等报警，为园区安全用能提供保障。

2  系统架构設计

2.1  物理架构

系统由三层物理结构组成，如图1所示。具体内容包括：

（1）第一层主站。第一层主站是整个系统的管理中心，负责整个系统的能耗信息采集、用能管理以及数据管理和数据应用等，主要由采集服务器、数据库服务器、应用服务器、WEB服务器、通信网络、防火墙等多类硬件设备组成，此外还需要部署相关的数据库管理系统等应用软件系统。系统主站部分与其他应用系统以及公网信道采用防火墙进行安全隔离。

（2）第二层数据采集层。第二层数据采集层负责对各采集点电能信息的采集和监控，设备为用能信息采集终端。系统主站与采集终端的通信信道，主要包括GPRS、CDMA、Internet/Intranet等，以满足主站系统与现场终端的数据交换。

（3）第三层多功能水、电、蒸汽表。第三层多功能水、电、蒸汽表是能耗信息采集源和监控对象。

2.2  逻辑架构

系统逻辑结构包括用户交互层、业务处理层、数据交换处理层、通信层和采集层等四个层次。具体内容包括：

（1）用户交互层。用户交互层采用三层B/S应用软件构架和组件化技术，包含客户表示层、业务逻辑层和数据服务层，保证系统的灵活性、可扩展性、安全性以及并发处理能力，适应集约化管理和业务发展的需要，可支持各类主流浏览器、手机、平板直接进行浏览。

（2）数据交换处理层。数据交换处理层对通信层传入的数据进行数据加工和处理，存储各类能耗数据、能效指标体系数据，建立和管理用能信息一体化数据平台。主要由数据存储与加工、数据采集和数据接口等构成。

（3）通信层。数据通信层以各种通信方式接入各种类型终端，按照规定的通信协议解析数据，并对数据进行初步处理，监视通信质量，管理通信资源。主要由通信接入设备、前置通信服务器、支持软件、通信协议解析软件等构成。

（4）采集层。数据采集层提供安全、稳定的能耗数据的采集终端和表计。

3  园区用能数据采集方案设计

根据园区规划图的地理位置及分布情况，13栋工房按照1栋楼1电表，1水表和1蒸汽表的规划设计，需安装多功能电表13块，安装在每栋楼进线处;远传大口径（智能）水表13块，安装在每栋楼进水管上;带485通信的蒸汽表13块，安装于每栋楼进汽管处。

智能能源网关的安装，同样按照1栋楼1台能源网关的安装原则，本项目所需智能能源网关统计为13台，用作数据采集远传。表与能源网关之间用RS485连接，终端采用网络通信，远传数据至主站。系统采用总线方式连接，通信稳定、布线方便。如图2所示。

4  系统功能设计

4.1  能源总览

虚拟全貌，全面、实时查看整个公司的总能耗及单体建筑的各分类能耗（水、电、蒸汽）数据。实时了解各分类能耗的日环比、月环比、周环比数据。通过整个地图信息调阅分散的各栋工房的能耗数据。

4.2  智能抄表

支持定时采集和随时抄录远方数据，支持自动补抄和手工补抄，保证数据的完整性及运行设备数据查看的实时性。自动抄表方案可灵活配置。

4.2.1  系统数据采集方式

系统数据采集方式具体内容包括：

（1）通过采集终端，统一的规约报文格式，进行通信，实现各类数据的采集。

（2）通过OPC接口方式，实现与DCS系统数据的交互。

（3）通过WEB填报界面的方式，实现产能产值数据的填报。

（4）手工录入及其他接口导入数据。

4.2.2  实时监控

实时监控具体内容包括：

（1）通信方式及协议。主站采用基于Internet的TCP/IP协议与终端或者计量设备进行通信，支持光纤（以太网/局域网）、无线公网（GPRS/CDMA）等多种通信通道的接入。

（2）通信协议。支持Lon Works、TCP/IP，MODBUS、OPC、ODBC、BACNET IP、XML等协议，支持国电规约体系、支持IEC102规约体系接入;同时，系统具有较强的规约兼容性，能兼容同一协议标准的不同厂商的设备的接入。

（3）采集方式。采集方式包括定抄、随抄、自动补抄和手动补抄。

定抄：可灵活设置采集周期间隔，如5分钟、15分钟、30分钟、45分钟、1小时、2小时、1天、2天、1月、2月，支持最小采集时间周期为5分钟，不同的数据项可以采用不同的采集周期;可灵活设置定抄任务参考时刻，最小参考时间精度到分钟;可灵活设置定抄任务数据项。

随抄：支持以WEB方式在任意客户端下发随抄命令，返回随抄结果包括随抄报文，并对随抄报文进行对应规约解析。可选择一个或多个计量设备抄读当前时刻不同数据类型的实时值。

自动补抄：采集系统自动检索当前时间到配置周期时间段内所缺数据，并对其进行3次以内的自动补抄，超过配置时间以外的数据可不进行补抄，补抄缺数时间段周期可配置。

手动补抄：提供补抄程序给运维人员，通过手工办法输入补抄条件来生成补抄任务（输入补抄条件如终端名称或编号、表计名称或编号、数据类型、需补抄时间段等）。

补抄数据可存储到数据库，人工补抄事件可记录，包括操作人员、计算机、表计、终端、数据类型、时间段等。

采集数据类型及数据密度可根据规约及实现现场需求灵活配置。

数据校验：对采集到的数据按不同数据类型进行验证，找出有异常的表计读数。如对曲线表码数据，可判断表码突变、表码停走、表码倒走等，对这些异常数据，在存储时以不同属性值加以区分，在Web显示时，以不同颜色加以区别显示，并按预先设定的报警阈值进行告警。以便数据使用者能区别对待。

数据统计：日平均负荷、日最大负荷、日最小负荷，周（月）平均负荷、周（月）最大负荷、周（月）最小负荷，最大负荷及发生时间、最小负荷及发生时间。能耗统计数据及发生时间：A相＼B相＼C相＼总有功功率最大（小）值及发生时间、A相＼B相＼C相＼总无功功率最大（小）值及发生时间、A相＼B相＼C相＼零序电压最大（小）值及发生时间、A相＼B相＼C相＼零序电流最大（小）值及发生时间、A相＼B相＼C相＼总功率因数最大（小）值及发生时间。

数据存储：采集的实时数据、历史日、月数据以及事件数据等在数据库中进行存储。运用索引、分区、压缩等数据库技术对数据库进行优化管理，确保数据访问的高效性。提供数据备份、恢复以及清除的解决方案。

数据采集进度：查询单个表计各数据项的采集进度，同时也可查询终端下所有表计各数据项的采集进度。

4.2.3  手工及接口导入

提供统一手工录入数据界面，能完成手工输入数据，手工编辑数据，接口导入数据;同时支持数据导出功能，提供各种数据按指定时间段查询报表，查询的结果能导出成Excel保存，系统中的数据，可通过中间数据库、Web Service等对外发布和交互。

4.3  档案管理

4.3.1  采集器档案维护

提供对采集器档案的新增，修改，删除等操作功能。主要档案内容包括名称，逻辑地址，所属客户，安装地址，通信协议，采集模板，所属厂家，型号，资产号等等。

4.3.2  采集器远程调试

采集器安装完成后，可查看是否上线及历史上下线记录，历史上下线记录包括IP及端口，上下线时间等;可随抄终端及表计数据，测试通道和规约是否正常。

4.3.3  表计档案维护

提供对表计档案的新增，修改，删除等操作功能。主要档案内容包括名称，测量点号，所属终端，安装地址，通信协议，所属厂家，型号，资产号，CT变比，PT变比等等。

4.4  数據查询

4.4.1  表码数据

查询表计中各类表码数据，如曲线表码、日冻结表码和月冻结进行展示。表格展示时，能对不同费率的行以不同的颜色加以标识，对整点时标的值加以标识，对异常表码加以标识，能区分时缺点还是数据异常。

4.4.2  电量数据

以日、周、月、年为时间周期分析电能消耗情况和各费率分段电量数据，如图3所示。具体内容包括：

（1）日电量数据分析。使用饼图方式展示各费率日电量组成，提供小时电量曲线、日负荷曲线;曲线显示时需要根据费率时段将X轴上方区域标以不同的颜色，提供日总电量、日平均负荷、日最大负荷、日最小负荷、负荷率数据。

（2）周（月）电量数据分析。使用饼图方式展示各费率周（月）电量组成，使用柱状图方式展示周（月）每日各费率电量数据，提供周（月）总电量、周（月）平均负荷、周（月）最大负荷、周（月）最小负荷、周（月）负荷率数据。

（3）年电量数据分析。使用饼图方式展示各费率年电量组成，使用柱状图方式展示年每月各费率电量数据，提供年总电量、年平均负荷、年最大负荷、年最小负荷、年负荷率数据。

4.4.3  水、汽数据

实时记录累计水耗量、累计供汽量等;水耗包括实际能耗水耗量和标准量。按生产用水、汽分类计量各栋厂房、事业部日、月、年耗能量，按生产设备计量各轮班的日、月生产总耗能量，结合产量信息，方便有效、合理地进行生产成本核算。正确计算各生产工序的单位能耗，实现准确地查明产品能耗节（超）产生的具体原因。

4.4.4  最大需量数据

可分析用能单位月、年最大需量指标变化情况。WEB展示页面可绘制平均负荷、最大负荷、最大需量、最小负荷、容量曲线，来比较分析最大需量和最大负荷发生时间;能按日显示子监测点最大需量及发生时间、最大负荷及发生时间、最小负荷及发生时间、平均负荷信息。

4.5  能耗管理

4.5.1  负荷监测

负荷监测可分析监测点日负荷同比、环比情况，从中找出用能趋势信息，从而发掘用能规律。提供对比分析任意三日之内的同一监测对象的负荷曲线信息，列出在此三天的负荷极大值、极小值、平均值及越限时间数据;能设定优化开始时间信息，用于比对优化前后负荷曲线信息。

4.5.2  能耗结构分析

能耗结构分析从生产、办公和其他用能比例，反映各个监测对象用能结构，客观反映监测对象用能结构的合理性。提供饼图展示方式，显示监测点在生产、办公及其他各个方面日、月、年用能比重情况;按生产、办公及其他几个方面展示了监测点日、月、年能耗和所占比例;通过监测点可逐级分析此监测点在生产、办公及其他各项用能比例;可以根据用户选择的时间，如日、月进行历史用能结构的分析。

4.5.3  能耗分布

能耗分布能反映当前区域监测点日、周、月、年用能的分配情况，反映当前用能区域内能耗的流向情况及各监测点的最新数据，可全面了解用能在自己区域中的传递运动及损耗情况。使用饼图方式展示各费率能耗分布情况; 展示各子监测点能耗分布情况：平均负荷、最大负荷、总量、各费率用量;如果是当前日用能分布分析，需要列出各子监测点当前时刻负荷情况;如果是日用能分布分析，需提供对设置的三个采样时刻的负荷分布情况;列出子监测点总量和各费率能耗量占比情况;包括日、周、月、年能耗分布。

4.5.4  用能报警分析

用能报警分析包括设备告警、能耗超标预警、效率低值报警和用户操作记录。主站系统实时监测每个程序的运行情况，对应用程序异常，线程异常，CPU使用过高，内存使用过大，网络异常等运行故障实际记录并存储告警事件。

4.6  数据报表

报表格式完全兼容Excel，并可输出为WEB页、XML表格、文本文件、DBF文件。

5  结  论

本文设计的能源管理系统设计结合园区实际情况，实现了园区用能管理信息化精益化，可有效提高用能水平，节能节费。

参考文献：

[1] 全国能源基础与管理标准化技术委员会.用能单位能源计量器具配备和管理通则：GB 17167-2006 [S].北京：中国标准出版社，2006.

[2] 全国能源基础与管理标准化技术委员会.企业节能量计算方法：GB/T 13234-2009[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3] 全国电工仪器仪表标准化技术委员会.自动抄表系统 第1部分：总则：GB/T 19882.1-2005 [S].北京：中国标准出版社，2005.

[4] 电力行业电测量标准化技术委员会.电能信息采集与管理系统 第3-1部分：电能信息采集終端技术规范通用要求：DL/T 698.31-2010 [S].北京：中国电力出版社，2010.

作者简介：夏向东（1967.11—），男，汉族，湖南岳阳人，工程师，研究方向：计算机应用。