基于物聯網的火電廠廠用電能效管理系統

趙正聰

摘要：火電廠的廠用電率是衡量發電廠運行質量的主要經濟指標之一，降低廠用電率可以降低電能成本，提高相對供電量，具有重要的經濟價值和社會意義。提出通過建立基于物聯網的火電廠廠用電能效管理系統，實現廠用電信息采集的自動化、網絡化、實時化以及廠用電能效管理的最優化、智能化與信息化。論述了廠用電能效管理系統的目標、體系結構、物理結構以及核心功能，分析了廠用電能效管理系統的直接與間接效益，包括社會效益、管理效益與經濟效益。

關鍵詞：物聯網； 火電廠； 用電能效管理

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2163（2013）05-0066-05

0引言

能源是人類生存和發展所依賴的重要資源，而電力則是現代化社會的最主要能源之一。目前，電力能源形式主要包括火電、水電、核電、風電、太陽能電力等，其中水電、風電、太陽能等清潔能源一直是人類追求的最佳能源形式。但是，目前全球還無法全部由這些清潔電力來保障電力供應，火電在電力能源中仍然占據重要的比例，尤其在我國，火電仍然是主要電力形式。我國是世界第二大能源消費國，但人均能源占有量不足世界平均水平的一半，能源稀缺成為制約中國經濟持續高速發展的瓶頸。我國的火力發電廠主要是以煤炭為主，約占煤炭消費的60%。煤炭消耗一方面存在不可持續、不可再生的問題，另一方面對環境污染非常嚴重，因此提高火電廠效率、實現火電廠的節能降耗，對我國經濟的長遠發展具有重要的戰略意義[1，2]。

火電廠的節能降耗與效率提升的重要途徑之一就是優化火電廠自身廠用電的管理。發電廠在啟動、運轉、停役、檢修過程中，有大量以電動機拖動的機械設備，用以保證機組的主要設備以及輸煤、碎煤、除灰、除塵和水處理等輔助設備的正常運行。這些電動機以及全廠的運行、操作、試驗、檢修、照明等用電設備都屬于廠用電負荷，總的耗電量，統稱為廠用電；廠用電耗電量占發電廠全部發電量的百分比，稱為廠用電率。廠用電率是發電廠運行的主要經濟指標之一，一般火電廠的廠用電率為5%～10%。因此，降低廠用電率可以降低電能成本，提高相應對系統的供電量，具有重要的經濟價值和社會意義[3，4]。

本文提出通過建立基于物聯網的火電廠廠用電能效管理系統，實現廠用電信息采集的自動化、網絡化、實時化，并且實現火電廠廠用電能效管理的最優化、智能化與信息化。該廠用電能效管理系統通過物聯網實時監測輔機設備的運行狀態，可以及時、準確掌握電能使用狀況，支持能效優化與節能改造；綜合分析能量利用與損失、設備效率、能源利用率，優化生產流程，降低生產中斷風險，保障電廠高效運營；實現非生產用能（電、水、汽、煤、油等）的精細化管理，為科學用能、節能減排等決策提供支持服務；優化廠用電管理綜合解決方案，提高電力能效利用率[5，6]。

本文首先概括了基于物聯網的火電廠廠用電能效管理系統的目標，然后論述了系統體系結構、物理結構以及核心功能，最后對系統的效益進行了分析。

1系統目標

火電廠的制粉系統、煙風系統、給水系統和循環水系統等均為高耗電系統，其中，電動給水泵、循環水泵、吸風機、一次風機、送風機、磨煤機、凝結水泵等設備為高耗電設備[6]。通過優化調度制粉系統、煙風系統、給水系統、循環水系統、高耗電設備、非生產用電等廠用電系統和設備的運行，可以有效降低熱電廠廠用電率，提高廠用電效能，具有重要的經濟價值和社會效益。

發電企業非生產用能是指與發電生產過程無直接關系，非生產實際消耗的各類用能。主要包括檢修、輔業公司的行政、生產用電、用汽、用水、用煤（油）；用于基建和新投機組的調試以及帶負荷運行期間耗用的電量；生活區和關聯協作單位用能等，優化分析并降低非生產用電也能降低發電成本[1，2，6]。

本文提出的基于物聯網的火電廠廠用電能效管理系統就是通過建立火電廠廠用電及非生產用電能效管理系統，實現廠用電及非生產用電能效管理的自動化、信息化、網絡化和智能化，全方位做好節電細化管理工作，實現能源利用效率的提高，有利于提高發電企業節能、經濟、安全運行能力，滿足節能降耗的能源政策及新的電力市場模式的需求，達到增強企業的可持續發展能力的目的。

基于物聯網的火電廠廠用電能效管理系統可以實現以下主要目標：

（1）通過物聯網實時監測輔機設備的運行狀態，全面掌握電能使用狀況、電能消耗數量與構成、分布與流向，并通過優化分析與節能改造，降低輔機電機的耗電量；

（2）實現能量利用與損失情況、設備效率、能源利用率、綜合能耗等信息的綜合管理，支持生產流程的優化設計與能效管理，降低生產中斷風險，保障電廠高效運營；

（3）實現非生產用能（電、水、汽、煤、油等）的精細化管理，提高非生產用能管理水平，為科學用能、節能減排構造服務，并為企業運營提供決策依據；

（4）[JP3]實現生產用電與非生產用電信息的全面與綜合管理，為廠用電能效管理的優化決策提供支持，逐步減低廠用電率。

2系統總體框架

火電廠廠用電能效管理系統以物聯網為基礎，通過遍布全廠的物聯網智能監測設備/傳感器實現在線、連續、實時的數據采集，監測所有電、水、氣、熱等信息，實時監控企業的能源動力應用狀況，及時準確判斷能源運行狀態和需求趨勢，確保能源生產可靠運行。

2.1系統體系結構[HT5”SS]

基于物聯網的火電廠廠用電能效管理系統體系結構如圖1所示。系統采用層次架構，包括物聯網、物聯網中間件、應用基礎平臺以及廠用電能效管理應用系統四個層次。同時，系統還要遵循并滿足電廠相關標準規范體系與安全規范體系。

由圖1可知，物聯網由智能電度表、智能水表、智能熱能表、智能燃氣表、智能閥門以及其它各類智能傳感器（如溫度傳感器等）通過有線或無線組網的方式構成，實現廠用電能效管理所需各種信息的實時采集以及相關設備控制；物聯網中間件提供對物聯網的訪問，實現數據獲取、存儲、處理、融合以及挖掘等；應用基礎平臺提供應用系統一般性功能支持，包括基礎數據管理、模型管理、工況監測、消息管理以及報警等功能；廠用電能效管理系統提供面向熱電廠廠用電能效管理的各種應用功能，包括能耗監測、能耗分析、能耗預測以及能耗優化等功能。

2.2系統物理結構[HT5”SS]

火電廠廠用電能效管理系統采用分布式、多層次結構，系統共分為三部分：現場采集子系統、網絡通信、控制管理中心，如圖2所示。

在圖2基礎上，對廠用電能效管理系統各組成部分的功能分析如下：

（1）現場采集子系統

現場采集子系統一般部署在非生產過程各環節的現場，完成能耗監測。現場采集子系統由計量裝置、能源數據網關和數據傳輸系統組成。其中：

① 計量裝置是用來度量電、水、燃氣、熱（冷）量等能耗的儀表及輔助設備的總稱；

② 能源數據網關/能源數據采集器實現對不同種類用能計量裝置的數據采集，包括電能表、水表、燃氣表、熱/冷量表等；

③ 數據傳輸系統實現計量裝置到能源數據網關之間的數據通信，主要包括RS485有線方式、載波方式、Zigbee無線方式等。

（2）網絡通信

網絡通信是整個系統的聯系紐帶，使非生產計量監控系統可以覆蓋發電企業廠區各處。在非生產計量監控系統中，隨著監測點數量的增多以及系統功能的增強，往往需要多種通信方式的組合使用，如光纖網、以太網、GPRS等。

（3）數據管理中心

數據中心接收并存儲計量裝置上傳的數據，數據中心將經過數據處理后的分類分項能耗數據進行分析、匯總和整合，一方面通過靜態或者動態的圖表方式將能耗數據展示出

2.3系統核心功能

廠用電能效管理系統的核心功能主要分為非生產用電管理功能和生產用電管理功能。另外，基于OpenOffice實現了強大的報表功能，系統還包括能源部門內部報表、企業內部報表、企業對外報表以及報表凍結等功能。

2.3.1非生產用能管理

非生產用能管理的主要目的是對非生產環節能耗狀況以及用能過程進行管理，挖掘能耗問題，指導節能改造，優化非生產用能管理，實現節能目標。主要包含能耗監管基礎應用、能耗監管增值應用兩大部分。能耗監管基礎應用主要包括電能計量系統、給水管網監測系統、熱能計量系統等。

（1）計量管理

針對非生產環節涉及的用電、用水、用氣等用能環節，分別安裝計量裝置，系統支持采用一體化的計量裝置以及能源網絡，進行分類數據的采集。包括：計量設備臺賬管理、抄表管理、計量監測、運行監視和異常監測等。圖3為實時電量數據監測界面。

（2）計費管理

計費計算系統按照算法與計算過程相分離的原則，實現算法描述、算法執行順序規則、業務邏輯規則的可配置，降低算法描述、算法執行順序規則、業務邏輯規則和核算之間的耦合度。主要功能包括：電量電費算法配置、電量電費業務規則配置、自動測試配置、電量電費計算、自動測試、運算監控和核算引擎幾個部分。

（3）路燈管理

智能路燈控制系統采用基于Zigbee技術的物聯網實現對路燈的智能化控制，有效降低路燈用電量。系統由監控中心、照明主控器、單燈智能控制器三部分組成，可以實現整體監控、單燈監控、定時監控、故障回報、參數采集、歷史查詢等功能。

（4）指標管理

每個計量監測點對象都可以采用指標數據及圖形展示。對象的指標數據包括實時數據、計算數據、匯總數據；根據統計數據的不同特性，可以選擇直觀的圖形化展現方式，如負荷數據的曲線表示，曲線與數據關聯，建立對象的圖形化信息；將指標數據與對象圖形化信息綜合調控到統一的指標面板，提供給業務管理人員使用。不同人員關注不同的對象及指標信息，對同一對象的關注指標也可能有所不同，因此，系統提供對關鍵指標的配置服務，用戶可以對自己關心的指標進行個性化定制。

另外，系統為領導層、決策層特別設立了各類關鍵數據的儀表盤功能，可以幫助決策者對整個電網的電量計量情況、負荷變化情況、數據異常情況、資產運行情況等進行及時、全面、準確地了解，為進行宏觀戰略規劃的實施和階段目標的調控提供快捷的數字化輔助功能。

2.3.2生產用電管理

發電廠中高壓輔機所耗的總電量占全部廠用電量的70%～75%，深挖高壓電機節電潛力，降低耗電量，將是降低廠用電率的關鍵。通過發電廠用電系統的實時監測，在線分析輔機系統運行狀況，在保證機組運行安全穩定的前提下，優化輔機運行方式并進行設備技術改造，從而在降低輔機單耗的基礎上，進一步降低了全廠用電率[3，4]。

（1）能量消耗監測

系統可精確統計全廠的用電負荷情況，提供相應的負荷分析曲線。除電能參數外，還包括電流、電壓、頻率、功率因數、諧波等電量參數的實時存儲與顯示，從而減少傳統的人工抄表與分析工作。圖4為能耗監測系統界面。

（2）電能分析和諧波分析

系統可以在線監測配電系統的電壓、諧波及功率因數等電能質量參數，通過諧波分量圖和趨勢圖等，使用戶及時了解真實用電環境，避免諧波危害和電能質量問題的發生，并對電能質量問題進行實時預警。同時，依據系統提供的各次諧波數據，有針對性地制定諧波治理，優化電能質量。

（3）性能指標管理系統

根據火電廠SIS系統積累的機組數據，采用數據挖掘算法，根據某種性能指標，找出機組相似運行工況下的最佳運行狀態，指導運行操作，并最終通過數據累積，達到機組全工況下的優化。

（4）能效管理及優化

能耗管理及優化是能效管理平臺的高級功能，通過利用曲線圖、趨勢圖、柱狀圖等對設備用電的功率、三相功率因素、諧波等電能質量及電能使用情況進行統計分析，分析用電結構是否合理，為用戶提供有效的節能信息，找出設備用電的缺口，對用電不合理的設備及時調整，同時優化用電模式，并結合企業的用電管理考核機制，最大限度地滿足企業節能需要，由此為企業的節能考核提供最終決策依據。主要包括：相似工況下的參數對比和歷史工況的數據查詢功能。

3系統效益

在火電廠部署與應用基于物聯網的火電廠廠用電能效管理系統可以實現廠用電狀態的實時監測、分析以及廠用電的科學管理，為降低廠用電率提供支持，同時也可為電廠企業帶來顯著的效益。

（1）社會效益

基于物聯網的火電廠廠用電能效管理系統在電廠的應用，能夠有效促進火電廠降低廠用電率和供電煤耗，實現節能減排，減少火電廠產生的環境污染。

（2）管理效益

① 可以克服用電管理中存在的抄表工作強度大，工作效率低、及時性差、數據不準等問題；

② 通過物聯網的實時在線監視，及時準確了解各主要生產設備耗電量，比較發電廠主要輔機設備的耗電情況及設備運行工況，指導運行值班人員調節機組運行參數，提高發電廠的經濟運行水平。經過指標計算和指標分析，實現機組廠用電率的可控；