趙博龍

北京市自來(lái)水集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100031

1 背景

電能管理系統(tǒng)為企業(yè)提供精細(xì)化的管理模式和節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可為企業(yè)提供一個(gè)節(jié)能、安全、優(yōu)化的信息化平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)延伸布設(shè)，使企業(yè)信息化傳遞更加快速，使即時(shí)電能消耗和企業(yè)生產(chǎn)用能狀況一目了然，使企業(yè)更為便捷、全面和準(zhǔn)確地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的電能消耗、電能損失、電能平衡、電能成本、電能趨勢(shì)變化和電能利用水平進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控。在電能統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，制定相關(guān)的節(jié)能措施，進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力，使企業(yè)持續(xù)改進(jìn)使用策略、提高電能信息化管理層次和降低企業(yè)電能成本，全面提升企業(yè)市場(chǎng)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

2 需求分析

某水務(wù)公司的給水廠平均電能均占生產(chǎn)成本50%以上，節(jié)能降耗是水廠成本管理的重點(diǎn)，因此建設(shè)電能管理系統(tǒng)意義重大。

某水務(wù)集團(tuán)下轄10余處給水廠，本次電能管理系統(tǒng)將在各水廠分批次逐步實(shí)施，本文依托2019年實(shí)施的兩個(gè)給水廠電能管理系統(tǒng)作為試點(diǎn)。

本次電能管理系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃分為兩個(gè)層級(jí)：給水廠電能管理系統(tǒng)和集團(tuán)級(jí)電能管理系統(tǒng)。

2.1 給水廠電能管理系統(tǒng)擬要實(shí)現(xiàn)功能需求

(1)全廠能效計(jì)量：實(shí)現(xiàn)給水廠電能計(jì)量及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)、分析。

(2)能效實(shí)績(jī)考核：對(duì)各電能單元分區(qū)責(zé)任制管理，提高員工節(jié)能意識(shí)和節(jié)能降耗積極性；對(duì)關(guān)鍵能效指標(biāo)監(jiān)控、預(yù)警，實(shí)現(xiàn)班組、全廠能效實(shí)績(jī)考核。

(3)設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行：通過(guò)對(duì)重點(diǎn)電能設(shè)備的效率核算、監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(4)電能質(zhì)量監(jiān)控：通過(guò)系統(tǒng)對(duì)諧波分量圖及其趨勢(shì)圖的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量及諧波監(jiān)測(cè)、分析，避免發(fā)生諧波危害和電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)提高功率因數(shù)、負(fù)荷均衡和變配電效率，降低供電系統(tǒng)損耗。

2.2 集團(tuán)級(jí)電能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能需求

(1)集團(tuán)能效全面管理：各給水廠電能管理系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳集團(tuán)電能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所屬水廠電能管理的全覆蓋。

(2)節(jié)能降耗管理：通過(guò)電能計(jì)量及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)、分析，推動(dòng)水廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能技改工作的實(shí)施，形成節(jié)能技術(shù)交流培訓(xùn)平臺(tái)。

(3)能效實(shí)績(jī)?cè)u(píng)價(jià)與考核：利用大數(shù)據(jù)對(duì)水廠內(nèi)部、水廠之間關(guān)鍵能效指標(biāo)對(duì)標(biāo)、分析，評(píng)價(jià)水廠能效挖掘潛力，通過(guò)目標(biāo)指標(biāo)考評(píng)和節(jié)能降耗經(jīng)驗(yàn)推廣，激勵(lì)員工、班組、水廠節(jié)能降耗積極性，有效降低電能成本。

3 建設(shè)目標(biāo)

為了做好某水務(wù)集團(tuán)節(jié)能減排工作，進(jìn)一步增強(qiáng)水務(wù)集團(tuán)工作人員節(jié)能意識(shí)，加強(qiáng)電能管理，降低電能成本，結(jié)合某水務(wù)集團(tuán)水廠電能的現(xiàn)狀，本次電能管理系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)如下：

3.1 各水廠能效工況統(tǒng)計(jì)、分析與預(yù)警

開(kāi)展集團(tuán)以及各單位電能工況統(tǒng)計(jì)、分析與預(yù)警，集團(tuán)所屬各單位間關(guān)鍵電能指標(biāo)對(duì)標(biāo)，查問(wèn)題找原因，尋找節(jié)能降耗重點(diǎn)目標(biāo)，進(jìn)行管理提升或節(jié)能技改。

對(duì)于重點(diǎn)耗能設(shè)備由于客觀原因偏離額定工況時(shí)增加的電能，通過(guò)工況統(tǒng)計(jì)、分析與預(yù)警等手段，科學(xué)化合理調(diào)整工藝流程和技術(shù)路線等。

3.2 節(jié)能降耗管理

建立節(jié)能技改臺(tái)賬，進(jìn)行節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)、分析；進(jìn)行節(jié)能技術(shù)、措施研究與推廣；以本項(xiàng)目為契機(jī)，構(gòu)建節(jié)能技術(shù)交流培訓(xùn)平臺(tái)。

3.3 能效實(shí)績(jī)?cè)u(píng)價(jià)與考核

以各給水廠分級(jí)管理電能作為考核指標(biāo)，對(duì)水廠電能管理水平進(jìn)行評(píng)價(jià)、分級(jí)管理；各給水廠的電能預(yù)算指標(biāo)進(jìn)行年度、月度考核評(píng)價(jià)。

4 設(shè)計(jì)方案

4.1 總體規(guī)劃

4.1.1 整體規(guī)劃，分步實(shí)施原則

某水務(wù)集團(tuán)電能管理系統(tǒng)建設(shè)要遵循整體規(guī)劃，分步實(shí)施，從集團(tuán)發(fā)展戰(zhàn)略、電能管理先進(jìn)手段、電能結(jié)構(gòu)調(diào)整等高度出發(fā)，做到整體規(guī)劃，分為遠(yuǎn)期規(guī)劃、中期規(guī)劃和近期規(guī)劃，并進(jìn)行分步實(shí)施。

4.1.2 技術(shù)成熟，應(yīng)用創(chuàng)新原則

電能管理系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)選擇成熟的、主流的和符合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的相關(guān)產(chǎn)品，使電能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)兼具經(jīng)濟(jì)性及創(chuàng)新性。

4.1.3 充分兼容，減少投資原則

電能管理系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)之間的兼容性原則，系統(tǒng)應(yīng)充分兼容其他電能信息化相關(guān)系統(tǒng)。

4.1.4 結(jié)合實(shí)際，彰顯特色原則

電能管理系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程中，從水廠電能使用現(xiàn)狀出發(fā)，充分考慮實(shí)際需求，在滿(mǎn)足基本需求的基礎(chǔ)上，讓系統(tǒng)功能更豐富而具有特色。

4.2 總體架構(gòu)及硬件系統(tǒng)

本次電能管理系統(tǒng)從業(yè)務(wù)層級(jí)上可分為水廠監(jiān)控級(jí)和集團(tuán)運(yùn)營(yíng)管理級(jí)，其中水廠和集團(tuán)都是切實(shí)存在的公司實(shí)體，其對(duì)應(yīng)的功能需求如下。

集團(tuán)運(yùn)營(yíng)管理層：電能數(shù)據(jù)的挖掘分析，績(jī)效考核；目標(biāo)制定，計(jì)劃制訂等運(yùn)營(yíng)管理；

水廠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層：承上啟下的作用，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的過(guò)濾與匯總，對(duì)水廠進(jìn)行專(zhuān)業(yè)管控。

本次電能管理系統(tǒng)由電能計(jì)量裝置、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、工作站、服務(wù)器、運(yùn)營(yíng)管理軟件等組成，總體架構(gòu)詳見(jiàn)圖1。

圖1 某水務(wù)集團(tuán)水廠電能管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.3 軟件系統(tǒng)

4.3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

本次電能管理系統(tǒng)軟件的架構(gòu)采用目前最為主流、成熟的三層架構(gòu)：即數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層，如下圖2所示。

圖2 電能管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

4.3.1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是整個(gè)電能管理的基礎(chǔ)，其包括數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集包括智能設(shè)備采集、手動(dòng)錄入系統(tǒng)和與其他系統(tǒng)通信的三種方式；采用基于SQL結(jié)構(gòu)的大型數(shù)據(jù)庫(kù)將采集上來(lái)的電能數(shù)據(jù)按照分項(xiàng)分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)。

4.3.1.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要分成四個(gè)功能模塊，分別是數(shù)據(jù)及消息管理、分析展示、輔助管理及后臺(tái)管理四個(gè)功能模塊。

數(shù)據(jù)及消息處理的主要功能包括電能數(shù)據(jù)的采集、電能數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)上傳，以及電能數(shù)據(jù)的備份、校驗(yàn)和還原功能。

分析展示主要是將電能數(shù)據(jù)結(jié)合企業(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)行多維度的分析，然后將結(jié)果通過(guò)曲線、圖表等等方式展現(xiàn)出來(lái)。

輔助管理功能是根據(jù)運(yùn)行的電能數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)管理者制定相關(guān)的考核指標(biāo)、進(jìn)行考核并將電能數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行展示。

后臺(tái)管理系統(tǒng)是對(duì)整個(gè)能效管理系統(tǒng)的工程管理，如用戶(hù)權(quán)限的設(shè)置，系統(tǒng)增容以及界面設(shè)置等功能。

4.3.1.3 表現(xiàn)層

表現(xiàn)層的主要功能是將電能數(shù)據(jù)信息及分析結(jié)果通過(guò)一定的方式展現(xiàn)給對(duì)應(yīng)用戶(hù)，不同的用戶(hù)分組擁有不同的權(quán)限，可以看到指定的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)是基于B/S結(jié)構(gòu)，展示主要以圖形、報(bào)表級(jí)曲線等方式，通過(guò)Web瀏覽器方式實(shí)現(xiàn)。

4.3.2 軟件系統(tǒng)的內(nèi)容

電能管理系統(tǒng)軟件建設(shè)主要有：

(1)Web系統(tǒng)：支持在一個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)上能建立多個(gè)基于Web系統(tǒng)的服務(wù)及其功能[1]。

(2)安裝SOA工作流引擎：采用標(biāo)準(zhǔn)的SOA架構(gòu)，通過(guò)SOA工作流引擎與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)交互[2]。

(3)安裝網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議：smtp.pops，imap4，web soap等[2]。

(4)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：建立大型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、大型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)SOL Server2008和實(shí)時(shí)的工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

(5)建立安全系統(tǒng)：設(shè)置防火墻軟件、防病毒軟件，可有效地防止黑客入侵。

(6)電能管控系統(tǒng)軟件：在建設(shè)周期內(nèi)可以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)根據(jù)車(chē)間內(nèi)需要修正軟件功能。

4.3.3 軟件系統(tǒng)功能

本次電能管理系統(tǒng)軟件所能實(shí)現(xiàn)的主要功能(不限于)如下：

4.3.3.1 數(shù)據(jù)采集及管理

系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸層將電能數(shù)據(jù)采集上來(lái)，并將其存儲(chǔ)至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)帶有時(shí)間、用途及位置等信息。

4.3.3.2 系統(tǒng)管理

靈活的用戶(hù)配置界面，可以讓用戶(hù)很方便地進(jìn)行用戶(hù)配置、區(qū)域管理、分類(lèi)分項(xiàng)及分科室管理，并能很方便進(jìn)行儀表信息管理。

上述功能須在專(zhuān)用客戶(hù)端上進(jìn)行，以保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全和生產(chǎn)運(yùn)行安全。

4.3.3.3 電能管理

(1)用戶(hù)可自定義實(shí)現(xiàn)基于GIS地圖的電能監(jiān)測(cè)與管理、各生產(chǎn)構(gòu)筑物分項(xiàng)用能數(shù)據(jù)分析展示、用能查詢(xún)，當(dāng)能源監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生異常，可以直接在地圖上進(jìn)行位置鎖定，幫助客戶(hù)縮短故障恢復(fù)時(shí)間。

(2)對(duì)電能系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)設(shè)定報(bào)警限值，設(shè)定的內(nèi)容包括報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警類(lèi)型、報(bào)警等級(jí)、報(bào)警級(jí)別、位置、能源類(lèi)型、周期、指標(biāo)、單位、設(shè)定值等。

(3)報(bào)警管理包括報(bào)警設(shè)定、實(shí)時(shí)報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析、歷史查詢(xún)等管理功能[3]。

(4)提供對(duì)歷史報(bào)警信息的查詢(xún)功能，實(shí)現(xiàn)多種查詢(xún)條件的查詢(xún)，列表展現(xiàn)報(bào)警信息列，可導(dǎo)出Excel，也可查看每條報(bào)警信息的詳細(xì)情況。

(5)提供對(duì)報(bào)警信息的分析功能，方便客戶(hù)查看各種記錄信息和分析報(bào)警原因，給出分類(lèi)統(tǒng)計(jì)、縱向?qū)Ρ鹊榷喾N分析方法。

(6)對(duì)電能消耗總體情況和分項(xiàng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照年、季、月、周和天的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并以柱狀圖、曲線、數(shù)字表現(xiàn)形式顯示和輸出，實(shí)現(xiàn)電能統(tǒng)計(jì)需求。

(7)可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中任意選取數(shù)據(jù)形成方案，并針對(duì)所選方案完成圖形化對(duì)比分析展示。

(8)通過(guò)自由分析功能，可實(shí)現(xiàn)客戶(hù)對(duì)該系統(tǒng)內(nèi)電能數(shù)據(jù)的任意組合查看，查看方式為圖表。包括自由分析方案的定義(新建和修改)、查看、導(dǎo)出或打印自由分析圖表等功能。功能頁(yè)面上包括自由分析查詢(xún)、方案編輯等管理功能。

4.3.3.4 報(bào)表管理及發(fā)布

系統(tǒng)可以生成各類(lèi)電能的日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表等各種報(bào)表，實(shí)現(xiàn)電能精確計(jì)量和運(yùn)行監(jiān)管功能[4]，清晰描述企業(yè)總的用電現(xiàn)狀。

系統(tǒng)提供各種電能對(duì)比、電能審計(jì)相關(guān)報(bào)表，包括但不限于以下各類(lèi)報(bào)表：

(1)按日、月、年提供某個(gè)工藝段電能報(bào)表。

(2)各工藝段用電環(huán)比、同比報(bào)表。

(3)工作時(shí)間與非工作時(shí)間用電分析。

(4)分時(shí)、分區(qū)電能消耗對(duì)比分析。

(5)同時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)表的自動(dòng)生成與實(shí)時(shí)發(fā)布功能。

報(bào)表提供打印、過(guò)濾、排序等功能，打印方式支持Word、Excel、PDF、棒圖、曲線等圖表打印功能。

4.3.3.5 績(jī)效考核

采用績(jī)效管理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶(hù)電能使用的一種考核方法，目的是促進(jìn)客戶(hù)(電能使用者)提高能源管理水平、提供電力系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行效率、人員的節(jié)能意識(shí)等以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。其包括績(jī)效設(shè)定、實(shí)時(shí)績(jī)效、績(jī)效分析等管理功能。

4.4 管控中心

電能管理系統(tǒng)建設(shè)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單個(gè)水廠不需建設(shè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)主控中心，每個(gè)水廠的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸給集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)器，每個(gè)水廠電能管理僅增加服務(wù)器、工作站及防火墻等基礎(chǔ)設(shè)備，數(shù)據(jù)中心建設(shè)在集團(tuán)電能管控中心，其作為節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的支撐。

本次電能管理系統(tǒng)采用的體系架構(gòu)為C/S和B/S架構(gòu)。B/S架構(gòu)的特點(diǎn)是通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器的程序，在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專(zhuān)門(mén)的軟件，只要有一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦就能使用，客戶(hù)端零維護(hù)，系統(tǒng)的擴(kuò)展非常容易。C/S結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是客戶(hù)端要安裝客戶(hù)端程序，通過(guò)客戶(hù)端程序與服務(wù)器進(jìn)行交互，充分發(fā)揮客戶(hù)端PC的處理能力，很多工作可以在客戶(hù)端處理后提交給服務(wù)器，客戶(hù)端響應(yīng)速度快。B/S架構(gòu)的應(yīng)用，適用于用戶(hù)交互量不大的應(yīng)用，對(duì)于要求高速、頻繁交互的模式則采用C/S體系，所以?xún)烧咴趹?yīng)用時(shí)采用相互補(bǔ)充。

結(jié)語(yǔ)

節(jié)能降耗是水務(wù)公司可持續(xù)發(fā)展的根本，它是水務(wù)公司降本增效，提高生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效益的重要途徑，更是水務(wù)公司應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的重要社會(huì)責(zé)任。因此對(duì)于水務(wù)公司來(lái)說(shuō)，搞好電能管理，提高電能使用效率是具有重要的意義的[5]。

本次給水廠電能管理系統(tǒng)已部署在某集團(tuán)調(diào)度中心及給水廠中控室，具體實(shí)現(xiàn)的功能有：水廠電能消耗能流圖表、電能預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析、歷史查詢(xún)、同類(lèi)對(duì)比、自由分析、績(jī)效考核、報(bào)表管理、節(jié)能效果分析等，本系統(tǒng)已投入運(yùn)行將近3年，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，滿(mǎn)足了電能生產(chǎn)及運(yùn)營(yíng)管理要求，為給水廠的電能管理提供有效的支撐。