工業(yè)能耗通用技術

劉丹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:圍繞用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設工作，文中介紹了系統(tǒng)的建設背景和主要內容，分析了工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)能耗數(shù)據在線采集、實時監(jiān)測的總體技術路線和方法建議，提出了

通用技術要求。

關鍵詞:工業(yè)企業(yè);能耗在線監(jiān);系統(tǒng)建設;通用技術

0引言

隨著節(jié)能工作向系統(tǒng)化、精細化、信息化方向發(fā)展，節(jié)能領域運用物聯(lián)網、大數(shù)據等信息技術手段深挖、細挖節(jié)能潛力成為必然趨勢。為此，從“十二五"開始建設覆蓋全國一萬多家用能單位的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以、準確、及時地掌握全國和分地區(qū)、分行業(yè)能源消費總量及其構成，提高節(jié)能宏觀調控的針對性和性。建設能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，是推進能源生產和消費革命、深化創(chuàng)新節(jié)能工作的必然選擇，是企業(yè)進一步挖掘節(jié)能潛力、提高能源管理精細化水平的客觀需要，也有利于培育和發(fā)展節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產業(yè)，促進經濟結構轉型升級。

1能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設的有關背景

“十一五"期間，建立了用能單位能源利用狀況報告制度，對用能單位能源利用狀況實行年度管理。2011年，發(fā)展改革委、教育部、工業(yè)和信息化部、財政部等十二部門聯(lián)合發(fā)布《萬家企業(yè)節(jié)能低碳行動實施方案》，提出要建立萬家企業(yè)能源利用狀況在線監(jiān)測系統(tǒng)。2012年，《國務院關于印發(fā)節(jié)能減排“十二五"規(guī)劃的通知》則進一步提出開展用能單位能耗在線監(jiān)測體系建設試點工作。從2014年下半年開始，組織開展能耗在線監(jiān)測試點，選取北京、河南、陜西3個省市的電力、鋼鐵、石油石化3個行業(yè)的部分重點用能單位開展試點。2015年以后，對能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設提出了新的要求，在《關于加快推進生態(tài)文明建設的意見》、“十三五"規(guī)劃《綱要》、《“十三五"節(jié)能減排綜合工作方案》等文件中再次提出了建設能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的明確要求。2017年，發(fā)展改革委、原質檢總局聯(lián)合印發(fā)《用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設工作方案》，明確要求在試點基礎上推進能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設，到“十三五"末期，基本建成連接各省(區(qū)、市)用能單位、相關部門和行業(yè)數(shù)據共享的能耗監(jiān)測系統(tǒng)，為部門統(tǒng)籌能源發(fā)展與生態(tài)文明建設、強化能源消費總量與強度“雙控"提供支撐，為用能單位提質降本增效提供服務。

2能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設內容

能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三部分建設內容:一是建設省級平臺。省級平臺是監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)域性公共服務平臺，部署在各省(區(qū)、市)電子政務外網和互聯(lián)網，支持接入市級平臺數(shù)據，至少應達到信息安全等級保護二級的要求。省級平臺由省級節(jié)能主管部門、質監(jiān)部門負責建設，要優(yōu)先使用政務云等計算資源，符合對政務信息系統(tǒng)整合共享的工作要求。二是對接平臺。各省級平臺要按照統(tǒng)一的技術標準，將監(jiān)測數(shù)據上傳到平臺。平臺部署在電子政務外網和互聯(lián)網，由發(fā)展改革委負責建設，主要功能是接入、匯總、分析各省級平臺或用能單位直接上傳的數(shù)據，為能源消費總量與強度“雙控"及用能單位節(jié)能管理等工作提供支持。三是建設用能單位接入端系統(tǒng)。用能單位接入端系統(tǒng)部署在用能單位內部，由用能單位負責建設。主要功能是，通過計量儀表、工控系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據，將數(shù)據上傳至省級平臺，或直接上傳至平臺。

3能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體技術路線

3.1總體技術路線

能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)采用“平臺+省級平臺+用能單位端系統(tǒng)"的架構和技術路線(見圖1)，為各部委、各級節(jié)能主管部門和質監(jiān)部門、用能單位等用戶提供不同層次的服務。用能單位需按照《用能單位能源計量器具配置和管理通則》(GB17167)配備計量儀表。

 

圖1能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術路線

平臺部署在電子政務外網和互聯(lián)網，由發(fā)展改革委負責建設，主要功能是接入、匯總、分析各省級平臺或用能單位直接上傳的數(shù)據，為能源消費總量與強度“雙控"及用能單位節(jié)能管理等工作提供支持。平臺達到信息安全等級保護三級要求，可以為相關部門提供數(shù)據接口，實現(xiàn)信息共享。

省級平臺是監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)域性公共服務平臺，部署在各省(區(qū)、市)電子政務外網和互聯(lián)網，支持接入市級平臺數(shù)據，至少應達到信息安全等級保護二級的要求。省級平臺由省級節(jié)能主管部門、質監(jiān)部門負責建設，優(yōu)先使用政務云等計算資源。主要是接收本區(qū)域內用能單位上傳的數(shù)據，整合能源供應單位、其他行業(yè)節(jié)能主管部門系統(tǒng)，按統(tǒng)一的技術標準與平臺進行數(shù)據對接，為本省節(jié)能主管部門、質監(jiān)、住建、交通等相關部門以及用能單位等提供支持服務。

用能單位端系統(tǒng)一般由能耗在線監(jiān)測端設備、計量器具、工業(yè)控制系統(tǒng)、生產監(jiān)控管理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、通信網絡及相應的管理軟件等組成，部署在用能單位內部，由用能單位負責建設，主要為用能單位提供能源管理服務。

用能單位端系統(tǒng)通過互聯(lián)網或傳輸專線等方式將采集到的數(shù)據上傳至省級平臺，再由省級平臺經電子政務外網上傳平臺。

3.2技術方法建議

3.2.1完善能源計量器具配備

企業(yè)依法配備能源計量器具，并定期檢定或校準，能源計量器具應滿足數(shù)據采集接口要求。進出用能單位()和進出主要次級用能單位(二級)計量器具配備率和在線率達到100%;企業(yè)根據重點耗能設備或工序的能耗情況和儀表安裝的可行性，完善主要用能設備(三級)計量器具配備。計量器具配備率和準確度等級達到《用能單位能源計量器具配備和管理通則》(GB17176)的要求。

3.2.2部署完善能源數(shù)據采集網絡

開展能源計量儀表(含新增、改造及已有儀表)現(xiàn)場數(shù)據采集系統(tǒng)的適應性接入改造，基于已有自動化系統(tǒng)(DCS、PLC及電力綜保系統(tǒng)等)，完善現(xiàn)場數(shù)據采集網絡和工業(yè)主干網絡，在滿足安全性和隔離性技術要求下，實現(xiàn)能源計量數(shù)據、能源系統(tǒng)操作和質量數(shù)據、關鍵生產數(shù)據集中統(tǒng)一采集到能耗在線監(jiān)測端設備。

3.2.3開發(fā)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)

企業(yè)能源管理中心信息系統(tǒng)分為三層:數(shù)據采集層、數(shù)據應用層和人機交互層。數(shù)據采集層由企業(yè)交互終端和數(shù)據采集機(如有必要)組成，企業(yè)交互終端內置控制器及智能儀表標準協(xié)議，可與品牌的控制器和智能儀表實現(xiàn)組態(tài)配置通訊接口，內置實時數(shù)據庫，用于暫存關鍵數(shù)據;內置OPC接口，便于與第三方控制系統(tǒng)或信息系統(tǒng)通訊。企業(yè)如果有特殊需要，也可以添置數(shù)據采集機，采集機需要預置與生產現(xiàn)場智能儀表、PLC和DCS等現(xiàn)場測量和控制裝置的通訊協(xié)議，以便于相關數(shù)據的采集;數(shù)據應用層由多臺服務器組成，服務器用于存儲數(shù)據、存儲和運行模型庫(數(shù)據和數(shù)據的固有關系)、存儲定制的人機交互界面等;人機交互層，該層由多種形式的人機交互設備組成，可以是大屏幕顯示器、PC機或移動終端等，這些設備應方便生產管理人員使用能源管理中心信息系統(tǒng)的各項功能。

3.2.4部署能源集中監(jiān)控平臺

基于實時數(shù)據庫和監(jiān)控圖組態(tài)系統(tǒng)，建設監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)對各級(集團、分廠、車間、重要耗能設備)多種能源介質(煤、電、蒸汽、水、燃料氣、氮氣等)產、存、耗全過程的實時監(jiān)控，掌握其歷史和實時趨勢。實時記錄能源系統(tǒng)事件，實時掌握能源使用消耗情況，實現(xiàn)對各類產能、供能和用能過程及設備的實時監(jiān)控、異常報警和分析管理。對耗能設備(變壓器、鍋爐、加熱爐、汽機、風機、空壓機、泵等)進行能效實時計算與監(jiān)控，實時監(jiān)控與優(yōu)化設備的能源利用率、設備運行與生產負荷之間的匹配度。通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)，建設集團、分廠、車間、重要耗能設備四級能源監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2.5健全管理制度

企業(yè)根據生產過程和能量系統(tǒng)特點，制定切合實際的能耗在線監(jiān)測制度，充分發(fā)揮能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的作用。企業(yè)需將能源管理工作提升到與產品質量管理和產量管理同等高度，針對不同產品和不同耗能設備或工序，制定能耗預警指標體系;制定節(jié)能優(yōu)化生產操作指南?；谀?/span>源管理信息系統(tǒng)分析工具，制定持續(xù)改進的節(jié)能工作方案，實施在線能效績效考核管理，落實節(jié)能獎懲制度。

4安科瑞用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)

4.1建設意義

《用能單位節(jié)能管理辦法》規(guī)定，用能單位包括年綜合能源消費量1萬噸標準煤以上(含1萬噸)的用能單位以及各省、自治區(qū)、直轄市有關部門的年綜合能源消費量5000噸標準煤以上(含5000噸)、不足1萬噸標準煤的用能單位。目前在該范圍內的用能單位全國約17000家，能源消費量占全國能源消費總量的60％，是節(jié)能工作的對象。

為貫徹落實《用能單位節(jié)能管理辦法》（發(fā)改委2018年第15號令）、《發(fā)改委關于開展用能單位“百千萬"行動有關事項的通知》（發(fā)改環(huán)資〔2017〕1909號）和發(fā)改委辦公廳《關于發(fā)布“百家"用能單位名單的通知》（發(fā)改辦環(huán)資〔2019〕351號），深入推進用能單位能源消耗總量和強度“雙控"工作，各省市相關主管部門陸續(xù)發(fā)出通知，要求納入“百千萬"行動的用能單位落實節(jié)能主體責任，加強節(jié)能管理，并按照《用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設工作方案》（發(fā)改環(huán)資〔2017〕1711號）等要求，建設接入端系統(tǒng)并按時接入省級用能單位能耗在線監(jiān)測平臺，對未按要求開展用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設、未配備和使用能源計量器具的，依法依規(guī)責令限期整改，逾期不整改或整改未達到要求的，嚴格按照有關法律法規(guī)進行處罰。

4.2端系統(tǒng)結構

根據《用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設工作方案》的要求，用能單位接入端系統(tǒng)部署在用能單位內部，由用能單位負責建設。

主要功能:通過計量儀表、工控系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據，將數(shù)據上傳至省級平臺，或直接上傳至平臺；用能單位接入端系統(tǒng)要通過網閘、防火墻、隔離等安全措施，確保內部系統(tǒng)安全和數(shù)據安全；要具備遠程升級維保、一端多傳、接收和省級平臺推送信息和用能單位自身能源管理所需的功能。

安科瑞可為企業(yè)接入端系統(tǒng)提供完整解決方案：

 

4.2.1端設備

企業(yè)接入端系統(tǒng)需要從生產過程控制系統(tǒng)中采集能耗相關數(shù)據，考慮到企業(yè)生產網絡與辦公網絡(互聯(lián)網)之間并不互通的實際情況，企業(yè)接入端系統(tǒng)將通過具備2+1架構的物理隔離裝置--能耗在線監(jiān)測端設備，實現(xiàn)生產網絡和辦公網絡之間的物理連接，在數(shù)據傳遞過程中確保從生產網絡（內網）獲取的能耗數(shù)據以單向傳遞、隔離加密、文件擺渡的形式安全傳遞到辦公網絡(外網)，再通過外網主機側的CA數(shù)字認證證書進行身份認證識別后上傳至省(市）級平臺。結構如圖所示：

 

4.2.2端設備硬件參數(shù)

  (1)單主板采用低功耗處理器；

  (2)單主板內存大小4G； 

  (3)硬盤：64G固態(tài)硬盤；

  (4)獨立雙主機“2+1"架構非IP物理隔離；

  (5)帶VGA接口，可外接顯示器，便于現(xiàn)場維護操作；

  (6)雙冗余開關電源，互為備用、支持熱插拔，保障端設備的可靠性，具有電源故障聲光報警功能；

  (7)8路RS485串口；

  (8)4路千兆以太網；

  (9)4個USB接口，可用于CA證書接口；

4.2.3端設備軟件功能

(1)支持從現(xiàn)場的儀表通過Modbus（GB/T19582）、DL/T645、CJ/T188等協(xié)議采集需要的能耗實時數(shù)據，并進行匯總生成上報的能耗數(shù)據；

(2)支持從能源網關、DTU、SCADA通過ModbusTCP（GB/T19582）、能耗協(xié)議等上傳的能耗實時數(shù)據，并進行匯總生成上報的能耗數(shù)據；

(3)支持從自動化信息系統(tǒng)通過OPC協(xié)議采集需要的能耗實時數(shù)據，并進行匯總生成上報的能耗數(shù)據；

(4)支持手工填報數(shù)據：對于不具備在線采集條件的數(shù)據，提供手工填報數(shù)據上傳；

(5)具有基礎數(shù)據處理、本地存儲功能，本地歷史數(shù)據可存儲6個月以上；

(6)可根據項目情況錄入企業(yè)基本信息、企業(yè)生產層級結構、計量器具檔案信息、端設備信息、數(shù)據采集項信息等各類基本信息；

(7)按照《NHJC-04-2018用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范-端設備接口協(xié)議規(guī)范》的要求往或省級平臺上傳數(shù)據；

(8)支持斷線緩存，保證數(shù)據的連續(xù)性；

(9)端設備平臺方便用戶使用、配置；

(10)支持人工補錄、遠程升級；

(11)用能數(shù)據集抄；

(12)數(shù)據上傳日志。

4.3ANet系列能源網關

ANet系列能源網關，可將企業(yè)內分散的能源計量器具集中采集后上傳至端設備，滿足辦公、大型公共建筑、工業(yè)企業(yè)等能源管理系統(tǒng)中對于水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的能耗計量及分項數(shù)據采集需求，搭配簡單易用的數(shù)據配置軟件工具，可以快速配置所需采集數(shù)據及上傳數(shù)據中心等各項參數(shù)信息。

4.3.1能源網關硬件參數(shù)

4.3.2軟件功能

(1)支持多種儀表協(xié)議：支持DL/T645、GB/T19582-200（Modbus）、CJ/T188-2004等；

(2)ModbusTCP實時數(shù)據轉發(fā)；

(3)分項計量Xml數(shù)據報文定時上傳；

(4)數(shù)據AES加密；

(5)斷點續(xù)傳；

(6)數(shù)據存儲；

(7)遠程配置及維護；

4.3.3相關報告及證書

(1)GB/T17626.2-2018《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》4級。

(2)GB/T17626.6-2017《電磁兼容試驗和測量技術射頻電磁場輻射抗擾度實驗》3級。

(3)GB/T17626.4-2018《電磁兼容試驗和測量技術電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》4級。

(4)GB/T17626.5-2019《電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗》4級。

(5)GB9254-2016《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》合格。

4.4設備選型

5工業(yè)企業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設通用技術要求

能耗在線監(jiān)測端系統(tǒng)部署在用能單位內部，主要功能是通過計量儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)等采集、匯總本單位能耗數(shù)據，將數(shù)據上傳至省級平臺，或直接上傳至平臺。能耗在線監(jiān)測端系統(tǒng)要通過網閘、防火墻、隔離等安全措施，確保內部系統(tǒng)安全和數(shù)據安全;要具備遠程升級維保、一端多傳、接收和省級平臺推送信息和用能單位自身能源管理所需的功能。

端系統(tǒng)的核心是能耗在線監(jiān)測端設備，是用能單位的信息節(jié)點。用能單位管理信息系統(tǒng)、生產執(zhí)行系統(tǒng)、儀表中的能耗相關數(shù)據通過有線或無線網絡的方式，傳輸?shù)侥芎脑诰€監(jiān)測端設備。能耗在線監(jiān)測端設備對采集到的數(shù)據進行統(tǒng)計匯總，經驗證、篩選、整理打包后，采用HT-TPS進行通道保護傳送至上級系統(tǒng)應用平臺。能耗在線監(jiān)測端設備在接入互聯(lián)網之前應采用防火墻隔離可能來自互聯(lián)網的網絡攻擊，可選硬件或軟件防火墻。用能單位當前未配置硬件防火墻時，需配置硬件防火墻。

能耗監(jiān)測端設備作為連接用能單位生產控制網絡與辦公網絡、互聯(lián)網的關鍵節(jié)點設備，保障數(shù)據傳遞的安全隔離，即能耗監(jiān)測端設備數(shù)據接入端和數(shù)據發(fā)送端之間的物理隔離和邏輯隔離，數(shù)據接入端網絡和數(shù)據發(fā)送端網絡之間的數(shù)據交換，只能通過配置的數(shù)據，其他數(shù)據都被*過濾無法通過。

能耗監(jiān)測端設備需采用“2+1"架構設計，以雙主機加專用隔離部件的方式組成，即由內網主機、外網主機、安全隔離數(shù)據交互單元三部分組成。用于連接生產控制網絡數(shù)據輸出系統(tǒng)主機(如生產過程控制系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)、企業(yè)生產自動化系統(tǒng)等)網絡與企業(yè)辦公網絡，實現(xiàn)兩個網絡之間的數(shù)據傳遞、安全隔離、信息流訪問控制、內容過濾和信息交換等。能耗監(jiān)測端設備中的內、外部主機通過安全隔離數(shù)據交互單元連接(由專用隔離部件構成)，安全隔離數(shù)據交互單元是兩個網絡之間可信物理信道。該內部信道裁剪了TCP/IP等功能網絡協(xié)議棧，采用私有協(xié)議實現(xiàn)協(xié)議隔離。對于用能單位能耗數(shù)據的采集與遠傳，屬于安全性要求較高而實時性要求相對較低的應用場合，安全隔離數(shù)據交互單元還將采用一組互斥的分時切換電子開關實現(xiàn)內部物理信道的通斷控制，以分時切換連接方式完成信息擺渡，從而在兩個網絡之間形成一個不存在實時物理連接的隔離區(qū)。

【參考文獻】

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[3]安科瑞用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng).2020.10版