摘要: 針對工業(yè)企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)( EEMIS) 建設過程中缺乏能效診斷技術的問題，在傳統(tǒng)信息系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)的基礎上，通過機理建模和機器學習相結合的方法，研究了用能設備、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的結構和功能，并開發(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(tǒng)的實用性。
關鍵詞: 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)的開發(fā)過程中，能效分析技術的缺乏是導致系統(tǒng)失效的主要問題之一。傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)(如ERP)可以從統(tǒng)計規(guī)律的角度去分析數(shù)據(jù)，而在EEMIS中，用能對象的運行狀況與能效規(guī)律密切相關。如果沒有能效分析技術的支持，能效問題往往只能“模糊”處理，無法解釋現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律，導致節(jié)能潛力的識別和改進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(tǒng)建設過程中缺乏能效診斷技術的問題，在傳統(tǒng)信息系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)的基礎上，通過機理建模和機器學習相結合的方法，研究了用能設備、耗能工序和公用工程系統(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)的結構和功能，并開發(fā)了軟件。
1 系統(tǒng)軟件結構
系統(tǒng)針對工業(yè)企業(yè)用能特點，按照企業(yè)設備級、車間級、廠級的三級能源管理網(wǎng)絡進行設計和開發(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等自動化系統(tǒng)的基礎上，通過應用程序接 口實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)同步。其他系統(tǒng)無法提供的數(shù)據(jù)可以通過安裝電子儀表來進行補充采集，節(jié)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(tǒng)的基本功能
系統(tǒng)采用PHP的MVC架構模型實現(xiàn)，采用了LAMP開發(fā)技術、可視化程序設計、面向?qū)ο缶幊獭?數(shù)據(jù)庫等多項軟件技術，實現(xiàn)了系統(tǒng)的各項功能。
2.1 能源數(shù)據(jù)采集
能效數(shù)據(jù)分為實時和非實時兩種。實時數(shù)據(jù)一般來自于企業(yè)在線監(jiān)測系統(tǒng)，也可以通過安裝數(shù)字儀表來補充缺少的數(shù)據(jù)，在預設的時間間隔內(nèi)實現(xiàn)自動收集，并存儲到實時數(shù)據(jù)庫中，從而實現(xiàn)能效指標的在線計算與動態(tài)分析，如圖2所示。非實時獲取的數(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)的準確，需要對數(shù)據(jù)進行驗證。常用的方法是將非同源的數(shù)據(jù)放在一起進行比較，也可以和歷史數(shù)據(jù)對比來發(fā)現(xiàn)異常。對于異常的數(shù)據(jù)應該進一步分析并解釋原因，錯誤的數(shù)據(jù)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、計量儀表檔案信息管理、設備檔案信息管理、培訓及資料信息管理、能源管理委員會( 或稱之為節(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、技術文檔信息管理、系統(tǒng)的初始化及設置管理等內(nèi)容。
開發(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，避免每個功能模塊在使用時還需要重新配置內(nèi)容和結構。
2.3 節(jié)能績效管理
考核管理是企業(yè)提升節(jié)能績效的重要手段。企業(yè)能源利用的好壞，可以通過能源消費量、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反映出來。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。若進一步對這些指標進行對標分析，如企業(yè)內(nèi)部的能耗基準(限額、目標值、歷史數(shù)值等)以及外部行業(yè)基準(國內(nèi)外行業(yè)平均、法規(guī)標準值、行業(yè)準入值等)進行比較，還可以進一步挖掘節(jié)能潛力的機會，如表1、圖3所示。
2.4 節(jié)能項目管理
對于工業(yè)企業(yè)而言，節(jié)能效益的絕大部分均來自于節(jié)能技改項目的實施結果。為了保證節(jié)能項目的順利實施，提高管理效率和效果，借助信息技術手段對節(jié)能項目進行管理則成為一個方法。EEMIS提供節(jié)能技改方案設計、改造過程信息管理、項目節(jié)能效果評估功能，輔助工作人員對項目實施后的長期運行狀況進行監(jiān)控，確保節(jié)能效果的持久。
2.5 能源運行管理
傳統(tǒng)的能源管理過程是基于人工管理的離線過程。在工業(yè)信息化高速發(fā)展的今天，只能完成離線能源管理的EMIS已經(jīng)不能滿足部分企業(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)實現(xiàn)基于產(chǎn)品生產(chǎn)和安全運行為目標的高度自動化。在此基礎上，該系統(tǒng)以能源較優(yōu)運行為目標，開發(fā)了企業(yè)能源運行的在線管理功能。
該系統(tǒng)的能源運行管理包括動力能源管理、能源供應管理、能源消費管理。同時涉及采購、運輸、倉儲、動力、生產(chǎn)消費等多個環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)來源于同一數(shù)據(jù)庫，各個部門圍繞統(tǒng)一的信息進行分析和決策。
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、節(jié)能診斷與優(yōu)化改進三方面的問題，管理的對象包括企業(yè)耗能設備、工藝和能量系統(tǒng)三個層次。
能效評價指對上述用能對象的能效狀況進行分析評估，包括能源結構分析、能源消費流向分析(見圖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(如動力生產(chǎn)、照明、大型耗能設備等)性能評估等。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(見圖5)、減排潛力分析等; 優(yōu)化改進包括能量系統(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實現(xiàn)運算與分析功能。每個能效分析模塊采用了機理建模和機器學習相結合的方法，根據(jù)不同用能對象的用能特征逐個分析建立。下面以用能設備能效的在線監(jiān)測模型為例，建模過程如下:
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，這種耦合性通常會使能效特性方程失去實際應用的價值。在該系統(tǒng)能效模型的建立過程中，采用以能量利用的規(guī)律為主、統(tǒng)計分析為輔的方法來確定不同自變量之間的關系，將可控影響因素之間的耦合度降低。
2)然后采用機器學習的方法，使模型具備在線運行環(huán)境的自適應學習能力。當被監(jiān)測對象的能源消費模式發(fā)生顯著變化時，依據(jù)原有模式建立的能效模型會超出使用范圍。機器學習技術可以很好地解決此類問題，按此建立的模型可以根據(jù)新的樣本數(shù)據(jù)進行自我修正，從而獲得新模式下的運算能力。
能效模型采用組件的開發(fā)方式形成軟件模塊，根據(jù)企業(yè)的實際需要選取不同種類的模塊進行功能拼接和拓展，從而形成一個滿足不同行業(yè)企業(yè)能效管理需要的模塊倉庫。圖6所示為一個能效分析模型的內(nèi)部功能及核心技術。
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)采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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行能耗統(tǒng)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(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數(shù)據(jù)和支持。
3.1 系統(tǒng)結構
3.2 系統(tǒng)功能
3.2.1 大屏展示
大屏展示企業(yè)水電氣當前用量、能源消耗趨勢、產(chǎn)能走勢、各類能源占比、各類能源消耗日/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態(tài)。
3.2.2 能源看板
展示企業(yè)電能峰平谷能耗統(tǒng)計占比，區(qū)域或重要工藝綜合能耗占比和統(tǒng)計分析，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，以便及時做好節(jié)能減排策劃。
3.2.3 能耗分析
從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、生產(chǎn)工藝/工段時間、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)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(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)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(diào)整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。
3.2.4運行監(jiān)測
系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。
3.2.5 移動端支持
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、效率分析、同環(huán)比分析、能耗折標、用能預測、運行監(jiān)視、異常報警等。
3.3 現(xiàn)場設備選型
4 結語
隨著我國工業(yè)企業(yè)原材料和人力成本上漲、產(chǎn)品競爭加劇以及節(jié)能環(huán)保的壓力日益增加，越來越多的企業(yè)開始重視并著手建設企業(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)重要的基礎支持，也是系統(tǒng)開發(fā)的難點。
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)的總體架構和基本功能，并開發(fā)了應用軟件，增強了企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)在能效分析方面的實用性，為未來研究更高要求的企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)開拓了思路。
參考文獻
[1]呂進，樓振飛．面向服務架構的能效管理平臺開發(fā)研究[J]．上海理工大學學報，2009，31(5): 506－510．
[2]宋小磊，陳貴軍，趙書平.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)設計與選型手冊.2019.11版.
