基于數(shù)據(jù)倉庫的工業(yè)企業(yè)能源管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄭海川，張 浩

(北京五特自動化工程有限公司，北京 100053)

0 引言

在能源問題備受關(guān)注的今天，降低能源消耗已成為工業(yè)企業(yè)增效和提升整體競爭力的重要手段。我國工業(yè)企業(yè)能源消耗形勢嚴峻，企業(yè)能源管理仍然存在諸多問題。其主要表現(xiàn)在：能源數(shù)據(jù)計量點配置不足，人工抄表計量可靠性低；企業(yè)各能耗單位的計量方式不同，信息孤島無法打通；缺乏對歷史數(shù)據(jù)的科學(xué)分析，無法為節(jié)能評估提供可靠的參考數(shù)據(jù)，難以有效測評主要耗能設(shè)備的用能效率等[1-4]。如何提高能源使用效率、降低資源消耗、解決能源信息缺失或失真、能源信息管理工具不完善等問題，是工業(yè)企業(yè)能源管理面臨的重要課題。

建立能源管理系統(tǒng)是解決工業(yè)企業(yè)能源管理問題的重要途徑。能源管理系統(tǒng)對能源在生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、消耗的全周期、各環(huán)節(jié)進行跟蹤和管理，通過建立準確、可靠的能源指標體系來衡量能源利用的效率，評估節(jié)能效果和能源利用的經(jīng)濟效益[5]。本文針對工業(yè)企業(yè)能源管理存在的諸多問題，以及能源管理系統(tǒng)的需求特點，通過采用數(shù)據(jù)抽取以及聯(lián)機分析處理等數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，構(gòu)建多維度能源數(shù)據(jù)分析體系，設(shè)計開發(fā)以能耗數(shù)據(jù)計量、能耗統(tǒng)計與管理、能源評價與分析為主模塊的能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)能耗的動態(tài)監(jiān)控、能源統(tǒng)一管理及優(yōu)化利用[6-7]。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

工業(yè)企業(yè)使用的能源種類繁多，主要能源介質(zhì)包括水、電、蒸氣、天然氣、煤、焦炭等。由于能源信息分散在以廠區(qū)為劃分范圍的各個相對獨立的生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)庫平臺及采集數(shù)據(jù)類型不統(tǒng)一[8]。數(shù)據(jù)倉庫著力解決異構(gòu)平臺數(shù)據(jù)的采集問題，從而快速、準確地提供決策支持。

1.1 數(shù)據(jù)倉庫體系構(gòu)建

數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)包含了一系列有效、可行的方法以及一個完整的體系結(jié)構(gòu)，主要包括數(shù)據(jù)抽取、元數(shù)據(jù)處理以及聯(lián)機分析等[9]。數(shù)據(jù)倉庫把數(shù)據(jù)從不同的數(shù)據(jù)源中抽取出來，轉(zhuǎn)換為公共的數(shù)據(jù)模型。能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫模型由概念模型、邏輯模型和物理模型組成。

概念模型反映工業(yè)企業(yè)能源管理需求，是數(shù)據(jù)倉庫的核心主題。本文確定的主題分為能耗結(jié)構(gòu)和單位產(chǎn)品能耗兩類[10]。數(shù)據(jù)倉庫概念模型主題設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)倉庫概念模型主題設(shè)計圖

能耗結(jié)構(gòu)主題邏輯模型展示工業(yè)企業(yè)能耗類型、不同能源類型的消耗占比，以及不同能源類型行業(yè)、區(qū)域的橫縱向數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，如圖1(a)所示；單位產(chǎn)品能耗主題描述了工業(yè)企業(yè)每生產(chǎn)單位產(chǎn)品所產(chǎn)生的能源消耗量值及不同能源的消耗比，如圖1(b)所示。

邏輯模型設(shè)計即維度建模，其將不同主題及其關(guān)聯(lián)的維度映射到具體維表中。物理模型在邏輯模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個合適的物理結(jié)構(gòu)[11-12]。數(shù)據(jù)倉庫物理模型主題設(shè)計如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)倉庫物理模型主題設(shè)計圖

能耗結(jié)構(gòu)主題主要包括能源消耗結(jié)構(gòu)表、企業(yè)表、能源消耗用途表和能源類型表，如圖2(a)所示；單位產(chǎn)品能耗主題物理數(shù)據(jù)模型包括單位產(chǎn)品能耗表、行業(yè)表、產(chǎn)品類型表、能源類型表等，如圖2(b)所示。

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

能源管理系統(tǒng)的主要功能包括：完善能源計量儀表、自動化系統(tǒng)和接口系統(tǒng)，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)采集和能源系統(tǒng)實時監(jiān)控；通過訪問接口，將數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和協(xié)議進行數(shù)據(jù)抽取、清洗、轉(zhuǎn)換、裝載，形成標準數(shù)據(jù)；在實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫的支撐下，通過數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)對采集數(shù)據(jù)進行分類分項建模，形成多維度的數(shù)據(jù)倉庫模型，最后通過聯(lián)機分析等數(shù)據(jù)分析工具進行數(shù)據(jù)挖掘等進一步操作。通過集成企業(yè)生產(chǎn)與能源數(shù)據(jù)系統(tǒng)的相關(guān)信息，實現(xiàn)對企業(yè)能源計劃、能源統(tǒng)計、能源考核等維度的全面能源管理，使得能源系統(tǒng)運行達到安全、經(jīng)濟和合理的目標。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

能源管理系統(tǒng)通過實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫采集各級介質(zhì)的系統(tǒng)信息、重點耗能設(shè)備信息及與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息；通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)分析平臺，對能耗數(shù)據(jù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行綜合集成、統(tǒng)計、監(jiān)視和管理。該系統(tǒng)可實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)診斷與校正，能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析，能耗信息和關(guān)鍵耗能設(shè)備的實時監(jiān)視、報警、故障診斷與應(yīng)急聯(lián)動。

2.1 能耗數(shù)據(jù)的全面采集計量

為滿足能源管理系統(tǒng)的建設(shè)要求，需要對水、電、氣等分類能耗數(shù)據(jù)以及重點耗能設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，并且根據(jù)能源消耗的不同用途和負荷性質(zhì)，對不同的用能設(shè)備或區(qū)域進行分項能耗數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

為實現(xiàn)對能源管理系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)的全面采集和計量，系統(tǒng)根據(jù)工業(yè)企業(yè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在廠區(qū)布置工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為主干網(wǎng)，各管理分區(qū)的能源計量設(shè)備通過通信管理機匯聚至工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。能源管理中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為樹形拓撲結(jié)構(gòu)，通過冗余I/O數(shù)采服務(wù)器接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。能源管理系統(tǒng)通過防火墻與企業(yè)資源計劃(enterprise resource planning,ERP)系統(tǒng)進行連接，確保能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)的物理隔離，保證信息安全。

2.2 能耗信息綜合統(tǒng)計和管理

為實現(xiàn)能耗信息綜合統(tǒng)計和管理，建立符合不同管理需求的能源分項計量管理模型，確保構(gòu)建的能耗分類、分項、分區(qū)域計量對象的組織結(jié)構(gòu)能最大程度地保持與實際能源管理考核的一致性；對原始采集數(shù)據(jù)進行精度控制，通過對數(shù)據(jù)的校驗和歸一化處理，保證數(shù)據(jù)的有效性和一致性；通過主元成分分析(principal component analysis，PCA)等聚類分析方法，對多維能耗數(shù)據(jù)進行降維處理，通過小波分析、多目標粒子群(multi-objective particle swarm optimization，MOPSO)等算法，對能耗數(shù)據(jù)進行準確、有效的優(yōu)化處理，并將結(jié)果通過曲線、表格、餅圖等多種圖形化方式進行可視化能耗統(tǒng)計、分析、展示。

對關(guān)鍵用能設(shè)備狀態(tài)、重點耗能設(shè)備進行實時監(jiān)控，為系統(tǒng)異常運行狀態(tài)提供事件報警和故障分析等功能，確保整個能源供給、轉(zhuǎn)換、消耗過程的安全、穩(wěn)定、可靠，并為故障診斷提供依據(jù)和分析手段。關(guān)鍵設(shè)備能耗評估指標如圖4所示。

圖4 關(guān)鍵設(shè)備能耗評估指標示意圖

2.3 能源管理評價與分析

在實現(xiàn)能源管理系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和分析的基礎(chǔ)上，對工業(yè)企業(yè)各類能源在使用中的各個環(huán)節(jié)進行能源平衡分析，及時發(fā)現(xiàn)能源在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能情況，提醒企業(yè)盡早干預(yù)。針對企業(yè)實際運行中的不同工況，建立企業(yè)能源運行模型庫，對能源網(wǎng)絡(luò)和重點耗能設(shè)備進行模擬和仿真，實現(xiàn)對能源介質(zhì)消耗和生產(chǎn)的在線精準預(yù)測；結(jié)合精細化的生產(chǎn)工藝流程和單位能耗指標等參數(shù)，給出整廠能源優(yōu)化調(diào)度的建議和能源管理方案。通過動態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度，提高能源使用效率，為關(guān)聯(lián)生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)提供穩(wěn)定運行和經(jīng)濟運行方案。具體步驟如下。

①建立能源管理在線模擬模型，精確計算能源介質(zhì)消耗內(nèi)部詳細信息，及時發(fā)現(xiàn)能源跑冒滴漏現(xiàn)象，實現(xiàn)能源信息精準預(yù)測。

②建立能源工藝流程模型、能耗指標考核檢查、能源調(diào)度運行等功能模塊的完整能源閉環(huán)管理事務(wù)流，實現(xiàn)能源動態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度。

③實現(xiàn)能源管理系統(tǒng)和制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)的集成，整合并管控能源數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

針對能效模型數(shù)值模擬和能源消耗數(shù)據(jù)分析，找到影響能效的關(guān)鍵因素，確定在不同條件下影響能效的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)定各級能耗額定標準和審計考核制度，為能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)更深層次挖掘、分析、加工和創(chuàng)造提供條件，由此構(gòu)建實現(xiàn)能源管理、監(jiān)控、預(yù)警、分析和評價的工業(yè)企業(yè)一體化能源管理系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

本文在總結(jié)工業(yè)企業(yè)能源使用和能源管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，按照能源管理系統(tǒng)的建設(shè)目標和功能要求，設(shè)計并實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)倉庫的工業(yè)企業(yè)能源管理系統(tǒng)。通過對能耗信息全面計量、分析和管理，實現(xiàn)從能源計劃、能源調(diào)度、能源管理實施到能耗統(tǒng)計、能耗情況考核的全面管理，確保工業(yè)企業(yè)能準確把握能源消耗過程及走向，方便企業(yè)管理者制定精細化的能耗計劃任務(wù)，為工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排計劃提供決策支持。