淺談能耗監測系統在煤礦行業的應用

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精準監測、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

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》《關于推進重點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，加強重點用能單位能耗在線監測系統建設。

一、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，要全面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精準監測、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[1]。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，構建一套全面的能耗監管系統，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。

二、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]。

2.2構建數據模型，實時預警

重點設備、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，最終形成能源大數據診斷報告，結合全礦區重點生產工藝，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[3]。

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

全面、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

三、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、先進性、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，即一級用能單位必須配置。-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[4]。

3.2系統網絡架構

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/O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、存儲、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系統軟件架構及功能圖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、重點能耗設備角度、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[5]。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。

四、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、儲存、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、儲存、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。

五、平臺介紹

5.1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。

5.2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。

5.3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：

5.4工業企業能耗監測系統功能

  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。

（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。

（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。

（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。

（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；

（5）視頻監控

  接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

（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。

（7）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）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。

（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。

（10）成本分析

  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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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

（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。

（17）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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（27）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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（34）知識產權證書

5.5系統硬件配置

六、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，構建了一套全面的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，起到數字化轉型引ling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，運用目前最先jin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[6]。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。面向重點設備、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，為重點設備、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

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局中國國家標準化管理委員會.煤礦主要工序能耗等級和限值

[2]江蘇省市場監督管理局.工業企業能耗大數據采集質量評價規程

[3]弗雷德里克·馬古爾斯.建筑能耗分析中的數據挖掘與機器學習

[4]朱守先.內蒙古能源雙控與雙炭目標協同效應研究.

[5]唐世偉,田楓,蓋璇,李學貴.大數據采集與預處理技術

[6]廖大強.數據采集技術

[7］安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版。

[8］陜西煤業股份有限公司陳永光、邢涵、王鵬

作者介紹：

任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。