智慧能源管理系統的設計與實現

石宏圖， 李桂海， 馬 振， 蘆 海， 趙金元， 唐海亮

(北京瑞太智聯技術有限公司， 北京 100102)

銅冶煉企業是一次能源和二次能源的消耗大戶，其能源消耗量在全國能源總產量中占很大的比例[1]。銅冶煉企業作為工業之路最具代表性的傳統行業，對于國家的基礎建設以及工業建設具有重要的意義[2]。銅冶煉企業作為一個高耗能企業，能源的合理管控是企業節能降耗的重要手段[3]。目前，銅冶煉企業能源管理存在著工藝流程復雜、耗能設備龐大、管理流程不規范等問題，給能源管理帶來巨大的挑戰。

隨著互聯網技術與通信技術的持續發展，在國家大力推動智能制造背景下，銅冶煉企業要求自身在生產現場數字化和互聯互通模式下，實現現場數據的自動采集和監控報警，進而實現能源管理業務的精益化管理。利用能源優化調度和智能建模算法技術，為上層決策分析提供有力的支撐，大力提升企業的生產精益水平、能源管控水平和企業經濟效益。

1 能源管理系統架構

1.1 能源管理系統

能源管理系統主要基于底層DCS系統實時數據的采集、歸集，實現能源消耗的統計、能源平衡的測算、能源預測及能源的優化調度等功能[4]。該系統主要是針對企業內部的電、生產水、生活水、天然氣、氧氣、氮氣、柴油、重油等介質進行耗量采集、分析、管控，為能源管理和調度人員提供強大的生產事件追蹤和分析的工具，為企業能源決策提供重要依據。

1.2 能源管理應用架構

通過對銅冶煉企業的全面調研，根據企業對系統功能的需求，以企業在能源管理與信息化建設的實際情況為出發點，從總體的應用架構與實現架構進行整體的設計，搭建可實施落地的符合當下銅冶煉企業的能源管控工業應用框架。

應用架構主要分為數據采集監控、管控一體化、智能決策分析的三層架構[5]，構建互聯互通、綜合應用集成、數據分析支撐的應用系統，如圖1所示。數據采集與監控層主要是通過工業物聯網實現工廠的人、機、料、法、環數據的全面采集。通過全面完整的數據支撐，精準執行實現能源計劃、能源平衡、智能決策的落地實現，最終實現能源的預測與能源的優化調度，實現底層數據為企業決策分析提供強有力支撐的核心價值。

圖1 能源管理應用架構

管控一體化主要基于當下主流的開發框架與開元軟件，進行能源管理系統的開發，實現企業從能源計劃的制定、能源指標統計以及能源優化調度等全方位的管控。以當下企業能源管理的痛點為切入口，實現能源管控一體化，為企業的節能降耗提供強大的支撐[6]。智能決策分析主要是通過對采集數據和業務數據的歸類、分析，形成能源消耗、能源指標的柱狀圖、餅狀圖、折線圖等基礎分析圖，同時利用能源優化調度模型與神經網絡的能源預測模型，實現管理層決策有據可依。

1.3 能源管理技術架構

能源管理技術架構由用戶展示層、接入系統層、業務系統層和基礎設施層5部分組成，如圖2所示。

圖2 能源管理技術架構

1)用戶展示層。Web Server采用Spring Rest Controller開發，View采用HTML進行開發，讓前端與后端實現松耦合。前端通過Restful Web API與后臺服務進行通訊，采用JSON格式進行數據傳輸。移動端采用App和手機網站形式進行，后端架構不變。

2)接入系統層。通過安全協議、認證訪問授權、接口網關提供安全的用戶接入服務。用戶訪問通過SSL協議進行數據加密后與后端數據進行交互，通過API Gateway對外提供統一的服務接口，用戶經過認證后才能訪問相關接口服務，通過接入層提供安全可靠的用戶接入。

3)業務系統層。業務系統通過微服務(Microservice)提供業務服務，通過將服務從應用集成、流程、數據3個方面對外提供服務，通過Restful API和消息事件提供服務協同通信，將服務通過Docker部署在服務器集群；對已有的系統通過ESB總線進行通信和集成。保護現有信息資產和技術發展趨勢結合在一起，并可以實現現有系統的過渡和升級改造。

4)基礎設施層。提供對軟件開發支持，通過集成先進開發框架和技術，對業務領域的服務開發進行技術支持。采用IoC容器技術和AOP開發技術，集成DAO數據庫訪問技術支持企業級服務的開發。采用Spring為集成框架，通過集成JDBC、Haibernate、MyBaits、Log4j等技術框架支撐整個軟件開發，Spring還可以融合其他組件如郵件、短信提供服務支持。提供軟件的運行環境和數據存儲軟件，主要是各種數據庫軟件，包含關系數據庫(Oracle、MySql、SqlServer)、NoSql數據庫(MongoDB)、內存數據庫(Redis)、實時數據庫。

2 系統功能

2.1 能源計劃管理

從生產系統信息提取導入各周期對應生產計劃信息，自動生成各種能源實物量年、季度、月的消耗計劃量，同時提取各周期對應生產計劃信息、節能項目實施預測信息，自動生成各種能源實物的預測消耗計劃量，節能項目實施預測信息，制定好各部門能源計劃后按照能源計劃審批流程進行逐級推送，已完成所屬提交或審批動作的部門可以查看該任務的整個流程完成情況。同時生成各種根據能源消耗計劃、指標變化趨勢等數據，自動生成能源目標指標的建議值，結合實際情況對自動生成的目標指標進行調整。能源計劃管理流程如圖3所示。

圖3 能源管理流程

2.2 能源計量管理

2.2.1 數據采集點維護

能源數據采集點的設置、計量器具的配置和計量精確度均符合國家標準《用能單位能源計量器具配備與管理通則》(GB 17167—2006)要求，能源計量器具采用唯一性編碼和識別標簽管理。根據銅冶煉企業介質平面圖分布情況，包括針對各種不同能源介質類別的點位的數據維護、用戶人工數據錄入、從其他系統數據的導入功能。系統數據庫按“系統—區域站點—能源設備—屬性點”來組織數據。

2.2.2 數據采集處理

針對現場數據采集的實際情況，設計自動采集和手工錄入兩種方式，對于具備自動采集條件的實行自采，不具備條件或自采儀表故障時通過手工錄入保證數據不丟失。同時結合現場生產實時數據波動很大的情況，設計科學的數據抖動處理等功能。

數據采集周期、匯總類型、時間間隔以及時間跨度，均可用系統管理工具進行配置。對于不變化的數據且未超過指定時間間隔的數據，系統自動濾除，對于不變化且超出指定時間間隔的數據，系統給出報警提示。系統提供能源數據補償處理，系統可根據流量、壓力及溫度，利用歷史數據進行補充處理，尤其對于超過設計量程的數據。

2.2.3 數據歸檔與系統日志

能源系統的信息主要包括監控信息、優化調度及分析信息和管理信息等。通過對實時數據進行處理，形成一定時域的歷史數據，作為優化調度及能源分析的基礎[7]。

能源計量管理可為相關工作人員提供方便、快捷、準確的能源計量結果，可以得到更多、更全面、更詳細的工業能源消耗的實際情況，便于在生產的各個環節中有效地落實能源計量管理的工作水平，促進企業提升自身的能源計量管理的工作質量以及工作效率。

2.3 能源平衡管理

能源平衡主要是指采用能量守恒的原則，針對指定系統一段時間內輸入能量與輸出能量的平衡關系進行分析，為定量分析耗能情況、提高能源利用水平提供支撐[8]。針對銅冶煉企業的用能特點，采用以能源介質為分析對象的方式進行平衡分析，其可以分為電平衡、熱平衡、氣平衡等。

建立銅冶煉企業的能源平衡主要實現能源合理利用、合理分配、消耗可追溯，為企業能源優化與預測提供支撐。建立能源平衡模型的主要工作是建立各個參數系統，基于已有的參數模型，建立各個子系統的平衡模型，從而建立全企業的平衡模型[9]。能源平衡模型設計方案如圖4所示。

圖4 能源平衡模型設計方案

規劃用能企業多級計量體系模型，將每種介質的流向節點定義為用能單元，構建完整的能源流向圖。依據能源流向圖中各個父節點與子節點的關系，采用能源平衡模型自動計算出各個子節點平衡后的能源消耗量，同時與實際消耗量對比生成差值，以便企業追溯哪些環節能源的損失值較大，為能源結構的優化提供一定的數據依據。

2.4 能源預測

通過對線性回歸和BP神經網絡預測模型的對比分析，BP神經網絡對于能源的預測具有較好精度[10]。BP神經網絡基本遵循梯度下降最快法，其主要通過調整權值實現整體預測誤差最小。

采用BP神經網絡算法學習時，正向與反向傳播的兩個階段構成這個學習過程。正向傳播時，輸入數據從輸入層進入，經過隱含層進行一層一層處理，并且指向輸出層，每層神經元狀態只與上層神經元的狀態有關。若最終輸出值不能達到預期，則進行反向傳播，通過之前連接通道將信號返回處理，為了保證最小誤差，通過調整各層神經元的權值來實現。其拓撲結構如圖5所示。

圖5 神經網絡拓撲圖

對相關能源預測值進行相應分析處理，進而對能源管理工作進行指導，能源預測實現能源管理由“事后管理”向“事前管理”轉變[11]。

3 能源優化調度

根據生產計劃及生產實際以及能源單耗，在滿足生產用能的情況下，以綜合能耗成本最低為目標，實現能源優化調度。為同種能源介質提供不同供應渠道，根據不同介質的成本差異進行選擇調配。

實時優化調度需要結合產能/耗能單元的能源管網運行情況、重點耗能/產能設備關鍵工藝參數情況、優化調度目標及歷史最優工況模式等參數建立能源優化調度模型，得出能源調度人員或設備操作人員切實可行的方案供其參考[12]。同時在此基礎上將相關調度人員及設備操作人員的績效指標納入考核評估范圍內，以使優化調度模塊真正實現有激勵能落地[13]。

優化調度是基于對全企業能源數據的統籌管理，依據全企業能效策略，設定相應的優化目標，以設備情況、生產情況、能源介質種類及市場價格等多因素為約束條件，采用特定算法，根據用戶需要，可設定時間間隔進行效益測算[14]。對于同類型機組，機組效率高的優先安排使用，若滿負荷生產仍不能滿足需求時，則安排效率較低的機組啟動[15]。

能源優化調度管理中以減少能源消耗為目的，綜合考慮原料流、產品流(物質流)和能量流的耦合關系，建立高能耗設備的能源投入產出模型和面向操作的實績能效評估方法，結合投入產出模型和能效評估實現面向能效提高的高能耗設備操作優化，能源優化調度流程如圖6所示。

圖6 能源優化調度流程

4 結論

該智慧能源管理系統實現企業對生產過程中能源消耗分析、能源統計、能源調度和能源預測等功能，有助于企業實現精細化管理與節能減排，提高能源利用效率，對提高企業經濟效益，緩解經濟社會發展面臨的能源和環境約束具有極為重要的作用。