安科瑞 陳聰
摘要：以能耗管理系統(tǒng)在工業(yè)廠房的應(yīng)用為例，介紹了系統(tǒng)架構(gòu)及功能。重點(diǎn)分析能耗管理系統(tǒng)在工業(yè)廠房實(shí)施過程中遇到的難點(diǎn)，并對系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的節(jié)能措施，幫助該業(yè)廠房達(dá)到節(jié)約能耗和運(yùn)行費(fèi)用的目的。
0引言
隨著經(jīng)濟(jì)和社會的持續(xù)發(fā)展，節(jié)能成為關(guān)系企業(yè)生存與發(fā)展的重要因素。當(dāng)前住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部正在建設(shè)國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能源管理系統(tǒng)，為建筑節(jié)能的建設(shè)和發(fā)展提供了良好的數(shù)據(jù)平臺。能源管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對能耗數(shù)據(jù)的采集、分析和遠(yuǎn)傳。本文介紹該系統(tǒng)應(yīng)用于某工業(yè)廠房的情況，將企業(yè)的生產(chǎn)管理、計(jì)量管理和節(jié)能管理提高到一個新的層次。
1項(xiàng)目簡介
該工業(yè)廠房位于江蘇省某市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，總建筑面積約為5.7萬平方米，其中包括1號廠房，2號廠房和中央機(jī)房三個區(qū)域。1號廠房和2號廠房建筑面積均為26683平方米，廠房共三層，主要是LED芯片以及外延片的生產(chǎn)線和辦公室，其中生產(chǎn)線為凈化車間，有較高的恒溫恒是要求。中央機(jī)房建筑面積約為4千平方米，包含所有冷站機(jī)組和服務(wù)器。目前1號廠房的能耗管理系統(tǒng)已經(jīng)施工完畢并投入使用中，之后還會對中央機(jī)房及2號廠房進(jìn)行節(jié)能監(jiān)測。
2項(xiàng)目難點(diǎn)分析
根據(jù)對工業(yè)廠房項(xiàng)目的調(diào)研，以及用戶對系統(tǒng)的要求，該項(xiàng)目主要有以下三個難點(diǎn)：
2.1在項(xiàng)目的實(shí)施過程中要盡可能利用工業(yè)廠房已有三相多功能電表，但根據(jù)計(jì)量需要，我們所加裝的電表和工廠已有電表是不同通訊協(xié)議的不同種類電表，為滿足工業(yè)廠房現(xiàn)有工作環(huán)境下傳輸?shù)目煽啃裕讓訑?shù)據(jù)采集無法通過以太網(wǎng)傳輸。如何設(shè)計(jì)一套既能實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，又具備高度可靠的傳輸性能的系統(tǒng)?
2.2由于管理人員要求對該廠進(jìn)行分區(qū)域能耗監(jiān)測管理，且用電量要以車間為單位進(jìn)行核算，所以建筑區(qū)域的劃分要以車間為*小單位。照明用電和動力用電在線路設(shè)計(jì)時(shí)就采用的每個車間單獨(dú)設(shè)置計(jì)量電表的方式。但是暖通空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)凈化和恒溫恒濕要求設(shè)計(jì)一個空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)同時(shí)分配到多個車間進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，如何核定各車間的用電量?
2.3為了加強(qiáng)對能耗的管理，分析能耗使用情況，用戶要求每月系統(tǒng)要生成節(jié)能報(bào)表，包括excel表格，柱狀圖，餅圖和曲線圖。
2.4由于工業(yè)廠房為商業(yè)用電，不同時(shí)段電價(jià)不同在僅知道用電量的情況下，管理者并不能很好的掌握具體費(fèi)用，為了達(dá)到企業(yè)既節(jié)約能源又降低費(fèi)用的目的，用戶要求系統(tǒng)能有計(jì)費(fèi)功能。為了解決用戶的以上需求，我們在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又針對他們的特殊需求進(jìn)行了開發(fā)。
3系統(tǒng)總體介紹
3.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
ezEMS能源管理系統(tǒng)(以下簡根據(jù)稱EMS系統(tǒng))通過安裝分類和分項(xiàng)能耗計(jì)量裝置，采用遠(yuǎn)程傳輸?shù)仁侄渭皶r(shí)采集能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)能耗的在線監(jiān)測和動態(tài)分析功能。該系統(tǒng)由能源管理平臺、采集設(shè)備、終端計(jì)量設(shè)備三部分組成。EMS系統(tǒng)是三層體系架構(gòu)，第一層在需要進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量的設(shè)備處安裝多功能電表、氣表、水表、熱表；第二層用相應(yīng)的能耗采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)無人的、自動的能耗及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，為能源管理平臺提供能耗分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；第三層通過數(shù)據(jù)倉庫的多維分析功能將采集器獲取的能耗及相關(guān)數(shù)據(jù)以圖、表等方展現(xiàn)給管理層，同時(shí)為管理層定期提供能耗分析報(bào)表。系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖1所示。
圖1系統(tǒng)架構(gòu)圖
該項(xiàng)目原有品牌A三箱數(shù)字式多功能測控電表125塊，電表支持Modbus協(xié)議。
通過調(diào)研，決定在現(xiàn)有電表的基礎(chǔ)上對空調(diào)控溫和空調(diào)加濕進(jìn)行單獨(dú)計(jì)量，共16個空調(diào)機(jī)組，用32塊品牌B電表單獨(dú)計(jì)量。如下圖2所示，原有電表用5個Modbus網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，新裝品牌B電表支持DL-T645協(xié)議，用3個645網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。8個網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)中的PCCAN,采用RS-485通信方式。綜上所述，EMS系統(tǒng)支持不同協(xié)議的不同品牌電表，并提供了穩(wěn)定、可靠的傳輸功能，這種高集成性有助于項(xiàng)目的順利實(shí)施。
圖2現(xiàn)場計(jì)量示意圖
3.2能耗管理系統(tǒng)功能簡介
EMS系統(tǒng)能對建筑設(shè)施整體能耗狀況進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測和細(xì)致化管理；將電力、水、冷/熱量等多類能耗數(shù)據(jù)的透明化；為其他高級應(yīng)用提供各類能耗的高精度數(shù)據(jù)；為建筑設(shè)施的節(jié)能改造提供依據(jù)；對建筑能耗總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和趨勢分析；優(yōu)化建筑能耗成本的結(jié)構(gòu)。EMS系統(tǒng)通過采用實(shí)時(shí)能源監(jiān)控、分戶分項(xiàng)能源統(tǒng)計(jì)分析、重點(diǎn)能耗設(shè)備監(jiān)控、能耗費(fèi)率分析等多種手段，使管理者能能在監(jiān)測能耗的基礎(chǔ)上，對重點(diǎn)能耗部分進(jìn)行節(jié)能改造或用電控制，從而起到節(jié)能作用。以下簡要介紹EMS系統(tǒng)在該工業(yè)廠房項(xiàng)目上的六點(diǎn)功能。
(1)可自定義建筑結(jié)構(gòu)
EMS系統(tǒng)將電表的數(shù)據(jù)劃分到廠房的辦公室、車間及其它公共區(qū)域，能夠通過電量區(qū)域架構(gòu)圖清楚的看到每個區(qū)域的用電情況。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)凈化空調(diào)的高效送風(fēng)口均勻分布于廠區(qū)，所以根據(jù)空調(diào)送風(fēng)口個數(shù)(即送風(fēng)量)采用按比例折算的方式計(jì)算得到虛擬電表的電量。用這個辦法將整個廠區(qū)按照生產(chǎn)車間進(jìn)行了建筑區(qū)域細(xì)分，便于該廠對各個生產(chǎn)段進(jìn)行用電計(jì)量。由于照明用電和動力用電均按車間單獨(dú)計(jì)量，所以工業(yè)廠房的能耗分區(qū)實(shí)現(xiàn)了以車間為*小單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便管理者對各車間能耗成本比重和發(fā)展趨勢有準(zhǔn)確的掌握，制定有的放矢的節(jié)能策略，并將節(jié)能指標(biāo)分解到各個部門，使節(jié)能工作責(zé)任明確。
(2)分析報(bào)表
為了方便用戶掌握系統(tǒng)能耗特點(diǎn)，分析系統(tǒng)能耗規(guī)律，EMS系統(tǒng)可對能耗進(jìn)行分項(xiàng)、分建筑區(qū)域以及分支路的統(tǒng)計(jì)，生成多種能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表，如：
分項(xiàng)能耗報(bào)表：系統(tǒng)根據(jù)建筑消耗各類能源的主要用途劃分進(jìn)行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)，分為空調(diào)用電、動力用電、照明用電、特殊用電四大項(xiàng)。該報(bào)表又可逐層分解為十六小類以便將建筑能耗術(shù)語規(guī)范化，將用能系統(tǒng)各異的建筑能耗歸一化，從而為管理者提供建筑能耗橫向比較與分析的依據(jù)。
建筑區(qū)域能耗報(bào)表：基于對建筑區(qū)域的劃分標(biāo)準(zhǔn)，該報(bào)表向高層管理人員提供各個區(qū)域逐時(shí)、逐日、逐月、逐年的統(tǒng)計(jì)，使管理者清晰地掌握各單位每月/季、年的用能量。
支路能耗報(bào)表：能夠查看所有支路在各時(shí)段上的用電情況，為一下步的節(jié)能改造提供了重要的依據(jù)。
(3)能耗費(fèi)用管理
能耗費(fèi)用管理分為兩個部分：第一部分定義能耗費(fèi)用的計(jì)劃名稱、計(jì)劃項(xiàng)目、地區(qū)名稱以及開始/結(jié)束日期(如下圖二所示);第二部分按照當(dāng)?shù)厣虡I(yè)電價(jià)定義峰、平、谷三個不同時(shí)間段的電價(jià)(如下圖三所示)。
能耗費(fèi)用管理分為兩個部分：第一部分定義能耗費(fèi)用的計(jì)劃名稱、計(jì)劃項(xiàng)目、地區(qū)名稱以及開始/結(jié)束日期(如下圖二所示);第二部分按照當(dāng)?shù)厣虡I(yè)電價(jià)定義峰、平、谷三個不同時(shí)間段的電價(jià)(如下圖四所示)。
圖3能耗費(fèi)用管理圖 4能耗費(fèi)用詳細(xì)信息管理
(4)底層設(shè)備配置管理
EMS系統(tǒng)豐富的表具類型支持和靈活的采集器管理可以滿足各種用戶需求，底層支持M-bus、MODBUS、DL-T645等常用協(xié)議的電表、水表、冷熱量表，能夠兼容目前市面上絕大部分計(jì)量表具。表具管理直觀簡單，回路名稱、表具編號、所屬采集器等信息能夠在配置界面上詳細(xì)的展現(xiàn)出來；每種表具所采集的數(shù)據(jù)種類可以靈活更改、配置。只要是表具支持并能夠采集的數(shù)據(jù)，都可以直接在界面上增減、更改，配置換算比例。各種表具可以靈活的通過采集器管理和電表、水表、冷熱量表管理進(jìn)行分類、整理，并通過分項(xiàng)和建筑區(qū)域劃分簡單直觀的將能耗在用戶界面上表現(xiàn)出來。單個表具的能耗量還可以單獨(dú)從支路能耗中去查詢。
(5)用戶權(quán)限管理
EMS系統(tǒng)將用戶權(quán)限管理分為了用戶管理和角色管理兩個部分，使用時(shí)應(yīng)先對角色進(jìn)行定義，并為不同的角色分配對應(yīng)的權(quán)限。如：
管理員角色：除基本功能外，可對其分配電度儀表管理，電建筑區(qū)域管理，用戶權(quán)限管理等功能板塊。
用戶角色：只對其開放查看電能分析，水量分析，分析報(bào)表等基礎(chǔ)功能，并且只有查看權(quán)利不能對其進(jìn)行配置。之后還要進(jìn)入用戶管理界面為不同用戶建立新的用戶名、密碼以及角色，這樣不同的用戶在使用時(shí)看到的界面就是其所需要的那部分功能，提高了EMS系統(tǒng)的安全性，也有利于管理人員對該系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的控制與維護(hù)。
(6)專家系統(tǒng)
系統(tǒng)定期將工廠能耗使用情況做出統(tǒng)計(jì)，并通過專家系統(tǒng)對該運(yùn)行期間累計(jì)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真運(yùn)算，以便獲得節(jié)能量及節(jié)能收益數(shù)據(jù)，對能耗使用狀況給予評價(jià)。讓用戶能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的能耗超標(biāo)現(xiàn)象，及時(shí)制定調(diào)整措施。
4實(shí)際項(xiàng)目數(shù)據(jù)分析
通過一段時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，我們將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出該工業(yè)廠房目前的能耗情況：日平均總能耗為50000kWh(費(fèi)用約為30000元),單位面積平均能耗1.9kWh/m2,。
本項(xiàng)目工業(yè)廠房實(shí)行的是三班制工作時(shí)間，工人輪流倒休，每天二十四小時(shí)生產(chǎn)線都會有生產(chǎn)活動，所以用電量每天變化都不大。如下圖5所示為該工廠一周的用電情況，每日用電總量均在50000kWh上下波動，因此后續(xù)僅對單日能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
圖5工廠日用電量累計(jì)圖
分別從EMS系統(tǒng)中選取建筑區(qū)域電能分析餅圖(下圖6)和建筑區(qū)域電能分析曲線圖(下圖7)對其進(jìn)行說明。1號廠房按建筑區(qū)域共分為十個大區(qū)域，分別為：外延一、外延二、芯片前、芯片后、QC、技術(shù)中心、廠區(qū)照明、廠務(wù)、辦公室、消防。其中外延一、外延二及廠務(wù)用電量較大，達(dá)到總用電量的75%,這三個區(qū)域建筑面積之和占總建筑面積的40%。因此外延和廠務(wù)工藝用能是工業(yè)廠房的能耗大戶和節(jié)能重點(diǎn)，管理人員在以后的節(jié)能工作中可以從這三個區(qū)域入手，進(jìn)行用能控制或能耗改造，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
從建筑區(qū)域電能分析曲線圖可以看出12:00-16:00和18:00-20:00為能耗高峰期，根據(jù)上述該市商業(yè)電價(jià)可以看出12:00-16:00電價(jià)為0.667元/kWh,18:00-20:00電價(jià)為1.112元/kWh。根據(jù)圖8給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可得高峰期用電總費(fèi)用為14779.46元，建議將能耗大的工序調(diào)至夜班零點(diǎn)到早上七點(diǎn)，若做次調(diào)整總電費(fèi)降為5661.37元，節(jié)約電費(fèi)9118.09元，可以節(jié)約電費(fèi)約30%。針對以上用能情況該系統(tǒng)定期將分析報(bào)表發(fā)送給工廠管理層，他們采納了我們的節(jié)能建議，在未做任何節(jié)能改造的前提下，僅對工業(yè)流程進(jìn)行了調(diào)整，便節(jié)省了大量運(yùn)行費(fèi)用，取得了顯著成效。
圖6建筑區(qū)域電能分析餅圖
圖7建筑區(qū)域電能分析曲線圖
圖8高峰期用電量統(tǒng)計(jì)
5AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺
5.1平臺概述
AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺集變電站綜合自動化、電力監(jiān)控、電能質(zhì)量分析及治理、電氣安全、能耗分析、照明控制、設(shè)備運(yùn)維于一體，為建立可靠、安全、高效的工廠能源管理體系提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)引入技術(shù)，配合廠務(wù)系統(tǒng)優(yōu)化，簡化全廠管理，并利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，優(yōu)化能效并預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)，保障關(guān)鍵制造設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和良品率，降低綜合成本，*終達(dá)到高效運(yùn)營和制造的目的。
5.2平臺組成
安科瑞AcrelEMS-SEMI電子廠房管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所綜合自動化、電能質(zhì)量監(jiān)測與治理、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、能耗監(jiān)測系統(tǒng)、新能源充電樁、預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對電子廠房的用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時(shí)滿足廠房用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。
5.3平臺拓?fù)鋱D
6平臺子系統(tǒng)
6.1電力監(jiān)控
電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計(jì)量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實(shí)時(shí)監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機(jī)保護(hù)測控裝置、發(fā)電機(jī)控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報(bào)警及記錄等。
6.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理
監(jiān)測各進(jìn)線回路電能質(zhì)量，包括電壓暫降、諧波畸變、閃變等數(shù)據(jù)波形記錄，進(jìn)而判斷配電系統(tǒng)擾動方向。
配置有源濾波裝置和無功補(bǔ)償裝置對0.4kV側(cè)電能質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償和治理，并監(jiān)測有源濾波裝置和無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行情況，確保電能質(zhì)量符合生產(chǎn)要求。
6.3變電站綜合自動化
變電站綜合自動化系統(tǒng)主要針對110kV變電站、10kV變電所和10kV柴油發(fā)電機(jī)部分，在變電站設(shè)置Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)子站，實(shí)現(xiàn)本地遙測、遙信、遙控、報(bào)警、報(bào)表等功能，并把數(shù)據(jù)上傳至AcrelEMS-SEMI能效管理平臺，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測和報(bào)警。
6.4電氣安全
AcrelEMS電子廠房能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，發(fā)生異常時(shí)通過聲光、短信、APP及時(shí)預(yù)警。
6.5智能照明控制
單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式。
6.6能耗分析
AcrelEMS電子廠房能效管理系統(tǒng)為工廠搭建計(jì)量體系，顯示能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助企業(yè)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、車間、生產(chǎn)工藝、工序、工段時(shí)間、設(shè)備、班組、分項(xiàng)等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對工廠用能統(tǒng)計(jì)、同比、環(huán)比分析、實(shí)績分析，折標(biāo)對比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統(tǒng)計(jì)，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(fèi)。
6.7充電樁管理
電動汽車和電瓶車充電樁管理，包括收費(fèi)管理、資產(chǎn)管理。
6.8職工公寓管理
對廠區(qū)內(nèi)職工宿舍進(jìn)行負(fù)載管理，包括惡性負(fù)載識別管理、負(fù)載閾值管理，避免因?yàn)閻盒载?fù)載引起火災(zāi)。對員工宿舍進(jìn)行水電收費(fèi)管理，支持微信、支付寶等繳費(fèi)方式，采集職工宿舍能耗數(shù)據(jù)。
7相關(guān)平臺部署硬件選型清單
7.1電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置
7.2能耗管理系統(tǒng)硬件配置方案
7.3智能照明控制系統(tǒng)硬件配置方案
7.5消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置方案
7.6防火門監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置方案
7.7消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)硬件配置方案
7.8電能質(zhì)量治理解決方案硬件配置方案
7.9充電樁系統(tǒng)硬件配置方案
7.10預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)硬件配置方案
8結(jié)束語
如上所述，EMS能耗管理系統(tǒng)是節(jié)能工作中的一個重要手段。本工業(yè)廠房通過能源管理系統(tǒng)獲得了數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并可做出相應(yīng)的節(jié)能措施，達(dá)到節(jié)約能耗和運(yùn)行費(fèi)用的目的。
實(shí)踐證明，節(jié)能是一個不斷循環(huán)、不斷反饋、不斷優(yōu)化的過程，能耗管理系統(tǒng)的運(yùn)用為節(jié)能工作搭建了一個很好的平臺，能有效支撐合同能源管理項(xiàng)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]孫雅佩.能源管理系統(tǒng)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用.
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.05版.
更新時(shí)間：2023-04-27 
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