淺談煤礦企業能耗在線監測系統的設計與應用

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：煤礦企業在為國民經濟發展提供核心動力的同時也消耗著大量能源。“雙碳"目標這一國家戰略給煤礦企業生產提出了挑戰，也為其技術升級、節能增效提供了機遇和驅動力。能耗“雙控"是實現“雙碳"目標的必由之路，而對煤礦企業能耗及碳排放情況進行在線監測、精細管理、科學決策是實現能耗“雙控"、節能增效的基礎。

關鍵詞：高能耗；能耗雙控；大數據采集；能耗核算；數字化轉型

0、引言

根據《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和 2035 年遠景目標綱要》規劃部署的碳達峰、碳中和路線，各行業相繼提出碳達峰和碳中和的目標和實施方案，“30、 60"也成為了煤炭等能源生產企業的指導目標。

《自然資源部煤炭行業綠色礦山建設規范》要求各礦企應建立礦山生產全過程能耗核算體系，通過采取節能減排措施，控制并減少單位產品能耗、物耗、水耗，減少“三 廢"排放。陜西省發改委和生態環境廳也要求各礦企按照《陜西省綠色礦山管理辦法》《關于推進用能單位能耗在線監測系統建設的通知》提升能源統計監測能力，健全能耗統計監測和計量體系，加強用能單位能耗在線監測系統建設。

1、概況

陜西煤業《“雙碳"工作行動方案(暫行)》等文件中要求：各單位要提高節能管理信息化水平，要開展能耗在線監測系統的建設，應用信息化手段推動環保和能源 管理與節能降耗工作，深挖生產環節的節能減排空間，確保階段性節能目標實現。

結合陜西煤業要求，以行業發展現狀為背景，以各礦需求為切入點，以切實解決問題為目標，同時響應國家相關政策，開發節能環保能耗在線監測管理平臺，幫助企業對能耗情況進行在線監測、精細管理，對污染排放情況，及時進行污染預防，避免超標排放，滿足各類環保要求，提高運維工作效率，逐步實現清潔生產。

煤礦企業生產本身是一個復雜系統，生產鏈條長，耗能設備多，耗能種類多，產生的工業“三廢"多。當前煤礦企業側重于對生產環節進行智能化改造，對能耗監管投入略顯不足。

本文就是基于礦區實際情況，構建一套能耗監管系統，通過本系統的實施，對全礦區的所有能源數據進 行監測、計量、管理、分析、預測，構建全礦各部門、各能耗設備的水、電、熱量、柴油等能源記錄數據的歷史數據庫，并把相關數據上傳至股份公司以及省市平臺。

2、研究方向及內容

2.1 能耗單元的實時計量統計管理

本研究將實時采集各級用能單位或高耗設備能耗信息，自動完成計量、記錄、統計及定制報表等功能。對全礦區用能情況按照高耗能設備、重要工序、辦公樓宇、各級用能單位進行分層管理。

2.2 構建數據模型，實時預警

重要設備、重要工序、各級用能單位，結合有效產出數據，構建數字化能耗以及能效模型，進行同比、環比及對標分析，實現能耗預警。

2.3 建立節能技改數據支撐

基于長期的能源能耗監測數據，終形成能源大數據診斷報告，結合全礦區生產工藝，為中長期節能技改方案提供強大的數據和決策支撐。

2.4 建立能耗管理指標依據

在精細管理、降耗提效的方針下，為煤礦企業管理建立健全能耗量化管理數據的依據。

2.5 能耗管理決策分析

通過一定時間的數據累積，從不同角度對能源消耗情況進行分析預測，提供防止能源浪費、降低能耗、合理規劃使用能源的決策支持。

2.6 系統管理與信息發布

快速、準確地提供各種能耗數據信息，可通過智能化綜合管控平臺統一發布。

2.7 各類平臺對接

可提供相對應接口，實現與省能管平臺無縫對接。

3 、系統功能體系結構設計

3.1 系統設計原則

系統采用分散采集、綜合監控、集中管理的模式。系統設計遵循可靠性、兼容性、規范性、經濟性、可擴展性等原則。

能耗數據采集原則為：

各類能源總關口，即重要用能單位配置。

在能耗統計分析中具有重要意義的用能單位或設備。在數據接口開放的情況下，計量數據盡量從現有系統中采集，降低投資成本。

3.2 系統網絡架構

圖 1 系統網絡整體架構圖

能耗在線監測管理系統監測點分布在礦區范圍內不同地點，分布范圍廣且分散。基于以上特點系統網絡結構采用分布式結構，以光纖環網為骨干網(部分使用現有4G網絡) 星型電氣連接各個子系統，系統通過現場總線或I/0方式連接檢測設備。

系統采用B/S(瀏覽器/服務器)模式。管理層應用服務器通過以太網交換機與數據庫服務器連接，通過與信息管理系統網絡的聯網，支持和股份公司能耗平臺、省市監管平臺，礦區綜合管控平臺無縫對接，支持遠程客戶瀏覽訪問。

系統管理層根據礦測能耗監測和管理需要，分別實現能源數據采集、存諸、分析、計算，提供能耗統計、能耗預警、同比/環比分析、能流圖、能源看板、能源報表等業務功能模塊，另外，還有系統管理、信息設置、能源系統建模等系統功能模塊的開發，同時實現同股份公司平臺以及省平臺的無縫對接。

3.3系體軟件加構及功能

圖 2 系統軟件體系架構圖

能耗在線監測管理子系統從全礦組織架構、各生產環節、能耗設備角度、分別進行能源數據采集、存儲、分析、計算，為管理人員提供能耗統計、能耗預警、同比/環比分析、能耗分析、對標分析、能流圖、能源看板、能源報表等業務功能模塊，另外，還有系統管理、信息設置、能源系統建模等系統功能模塊。

邊緣數據采集層:主要完成各類能耗數據和有效產出數據采集。邊緣采集器向下需要支持常見的工業通信接口和協議，向上需要支持云平臺數據通信協議。

數據平臺層:主要負責數據存儲、分類、計算等。業務應用層:主要完成各種能源信息的統計、分析，包括能耗統計、能耗分析、能耗預警、對標分析、綜合報表管理、數據查詢等。

4、系統主要功能

4.1 信息管理層主要功能如下

計劃調度。實現生產計劃、設備及備件計劃管理。提供與陜煤股份層系統的接口，實現系統對接。

能效管理。滿足企業需求，實現能效管理。

設備管理。滿足企業需求，實現設備管理。主要包括生產設備及計量設備基礎信息、運行信息、操作記錄、預警、故障等管理。

動力指標管理。主要包括動力控制指標的管理。

綜合報表管理。可以根據企業需求，自動生成所需的報表，也可根據自身需求定制頁面和編輯報表。報表主要包括能源動力相關的各類制式報表，包括各類生產及消耗報表等。

綜合管理。主要包括平面管理、流程管理、制度管理、資料管理、用戶管理、權限管理、交接班管理、生產管理、幫助管理等。

WEB 發布。實現能源管理的信息共享。

4.2 集中監控層主要功能如下：

動態圖形監控:設置動態工藝流程畫面及單臺主機流程畫面， 圖形動畫顯示，實時顯示各工位號參數及設備運行狀態，對于涉及面比較廣的子系統，可以設置多個畫面。

實時數據監控:在工藝流程畫面顯示數據的基礎上，實現柵格形式匯總實時顯示各工藝參數，設備狀態，柵格底色應根據所顯示數據的歸屬分類不同而加以區別，做到一目了然，以便于操作人員集中監視系統狀態。

遠程操作:對所有設備進行遠程遙控操作，通過鼠標實現對現場設備(啟/停)、電動閥(開/閉)進行操作，根據權限設密碼保護。

預警及報警功能:有關參數超限報警及設備故障報警，發出聲光提示，可實時指令打印，有中文提示并自動記錄。報警根據緊要程度、事故等級區別對待，通過不同的報警提示音和顏色加以區別。并設立維修模式，保障在維修、檢測狀態下，可以關閉自動報警功能。

實時趨勢圖:實時顯示各工藝參數的變化趨勢，如流量、溫度、壓力、電流、頻率等，有助運行操作人員和管理人員實時掌握生產工藝參數變化情況;

報表: 設班報、日報、月報、年報，分別按分類報表及匯總報表并實時打印，報表設置可根據需求進行調整功能，可根據實際需要和臨時變動，隨時對報表數據的篩選和計算公式、函數參量進行調整。

數據采集 諸存 記錄和發布：系統具有各種工藝參數、設備狀態、計量數據的采集、諸存、記錄功能。各種信息按照不同功能要求分別寫入實時歷史數據庫或管理數據庫，供能源管理系統軟件使用。系統監控畫面和相關信息可以通過WEB方式發布，以便于管理人員通過網絡訪問和遠程瀏覽。

系統管理:統一管理操作人員、維護工程師、能源管理人員等相關人員的安全操作權限，以保證本系統的安全保密性，防止非法用戶對生產控制和重要數據的侵害；

能源管理系統通過開放的以太網OPC標準接口實現與其它管理系統的集成。

5、安科瑞企業能源管控系統概述

安科瑞企業能源管控系統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

6、應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業、木材、工業園區、醫院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業。

7、系統結構

現場通過廠區局域網和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

8、系統功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

8.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

8.2大屏展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。

8.3首頁

首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業級統計數據。

8.4數據監控

對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

• 能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。

• 能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗報警提示等；

• 配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀表的實時參數、門禁水浸狀態及能耗數據。

• 實時統計：實時統計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

• 數據展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區域、不同設備的不同的能耗參數；

• 檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關處理操作，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗等報警提示；

8.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

8.6變壓器監控

展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

8.8儀表實時監控

展示各個水電氣儀表的實時參數變化，以曲線圖的方式展示。

8.8能源中控

將所有有關能源的能源參數集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

8.9用能統計

從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

8.10成ben分析

統計各個監測節點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。

8.11產品單耗統計

與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

8.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、指ding時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。

8.13運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

8.14自定義能耗報表

用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產各種報表，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。

8.15同比、環比

提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環比

8.16分析報告

以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

8.18能耗設備用能

監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

8.18線損分析

根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。

8.19碳排放管理

按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。對單位產值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現超標預警，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。

8.20電能質量監測

實時監測諧波含量、三相不平衡度、功率因數等，確保功率因數不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現故障。

8.21運維管理

系統支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。

8.22報警管理

針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業提前預警，避免發生火災事故和被罰款導致用能成本過高。支持分級分類報警，可對報警進行派發與閉環處理。

8.23能耗抄表

可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。

8.24能耗分析自定義時間抄表

可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

8.25容需量報表

提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業實現容改需，降低基本電費。

8.26復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。

8.28文檔管理

對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統管理，支持文件的上傳和下載。

8.28 3D可視化大屏

對場景進行虛擬仿真，展示各區域運行及能源消耗情況，可實現分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監測點位的自定義綁定。

8.29 3D子系統

對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。

8.30工業組態

可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。

8.31自定義駕駛艙

可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

8.32基礎數據管理

對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、能源、公示、及相關參數進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。

8.33手機APP

APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

8.34知識產權證書

9、系統硬件配置

10、結論

本系統基于礦區現有相關能耗數據和增加新的能耗采集點，結合大數據分析平臺，以低碳發展為目標，以智慧礦山建設為導向，構建了一套能耗及碳排放監管系統。填補數據服務于現場現場能耗監測的空白，充分挖掘煤礦海量數據的價值，起到數字化轉型示范作用。符合國家煤礦數字化轉型發展規劃，是典型的數字化轉型案例。

同時通過一套完善的能管系統，運用目前的數據采集技術，把各個區域的能耗數據串聯起來，綜合監測、綜合分析、綜合管控，綜合管理。實現節能減排、實現國家2030“碳達峰"戰略性政策目標。主要體現在以下幾點:

在接入現有電力計量系統的基礎上，對公司的用電情況按照高耗能設備、重要工序、辦公樓宇、各級用能單位進行分層監管。

將各類鍋爐的用電、燒煤燃氣情況，以及膠輪車的耗油量納入監管系統。盡管水、壓空、蒸汽作為含能工質折成標準煤后占比相對較小，但為了分析供排水、壓風、鍋爐等系統的能效，也對其進行采集計量。

對生產過程中附帶產生的煤矸石、礦井水、瓦斯、二氧化碳等工業“三廢"進行監測，并綜合考慮地面綠化對二氧化碳的吸收情況，對礦業公司整體碳排放量進行核算。

面向重要設備、重要工序、各級用能單位構建數字化能耗及碳排放模型，進行同比、環比及對標分析，實現適時預警。

結合有效產出數據，為重要設備、重要工序構建能效模型，分析設備運行狀態，為礦業公司經濟運行提供依據。

利用監管系統積累的大數據，對礦業公司更多層級的能耗、能效及碳排放情況進行預測，為管理部門決策提供參考。

參考文獻

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3. 安科瑞企業微電網設計與選型手冊.2022.05版.

4. 安科瑞企業能源管控平臺.2020.08版.

作者簡介:任運業，男，安科瑞電氣股份有限公司。