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淺談智慧能源管理系統在鋼鐵行業中的應用

點擊次數：637更新時間：2024-11-06

安科瑞劉秋霞

摘要：鋼鐵行業作為能源消耗高密集型行業，在能源利用和碳排放方面面臨著巨大的挑戰。在“雙碳"目標的背景下，加強鋼鐵企業的能源管理，提高能源利用效率，對于推動行業綠色發展和實現碳中和目標具有*強的現實意義和深遠的歷史意義。為了有效應對這一挑戰，本文提出構建一套適用于企業發展的智慧能源管理平臺。該平臺以綜合能源協同利用為核心，通過精細化計量、科學核算和智能調控，能有效降低碳排放和用能成本。

關鍵詞：碳中和 ; 碳排放 ; 智慧能源

1、引言

　2020 年 9 月 22 日，第七十五屆聯合國大會一般性辯論上向世界宣布了中國的新達峰目標與碳中和愿景。“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和。"2023 年 2 月 6 日，中國節能協會制定并發布了《零碳工廠評價規范團體標準管理辦法》: 鼓勵利用自身的資源優勢，加大與政府、企業的合作，幫助企業在降碳同時，積極對接投融資機構，為減排企業引入綠色融資機會，實現減排的正面收益。努力打造“零碳工廠"，助力碳達峰碳中和目標的早日實現［1］。隨著企業生產規模的擴大和產能的提升，用能成本也不斷上升，企業越來越關注能源成本的控制和能源效率的提升。另外，雙碳政策的推進，多元化的分布式能源供應是企業未來能源供給的趨勢，但傳統的工廠能源管理水平已不能適應多樣化的用能形式，亟需探索一種智慧能源管理的新模式［2］。

目前我國在碳中和與降碳方面已經取得了顯著的進展。政府積極推動雙碳工作，采取了一系列措施來推進節能減排和低碳發展。全國碳市場的建設也在穩步進行，為企業減排溫室氣體、推動行業綠色低碳轉型提供了重要平臺。此外，社會各界對雙碳工作的關注度也在不斷提高，積極參與降碳、減污、擴綠、增長，推動生產生活方式的低碳化、綠色化［3］。然而，盡管取得了一些成績，我國在碳中和與降碳方面仍面臨一些挑戰和不足。首先，產業低碳轉型面臨穩增長、降成本、促創新等多重約束。在推進低碳轉型的過程中，如何在保持經濟增長的同時降低碳排放、提高能源利用效率，以及推動技術創新和產業升級，都是需要解決的問題。然后，能源結構調整也是一個重要挑戰。我國在能源消費結構上仍然以化石能源為主，如何加快清潔能源的發展，解決能源安全保障、機制理順和技術創新等問題，是實現碳中和目標的關鍵［4］。最后，區域發展不均衡也加大了雙碳工作的統籌協調難度。不同地區的經濟發展水平、資源稟賦和產業結構存在差異，因此，需要建設一套適合企業發展的、滿足綜合能源協同利用的、能夠有效降低碳排放和用能成本的智慧能源管理平臺。

1.1現代企業智能化能源管理系統的控制與服務方向

　　工業制造業、能源產業作為我國社會經濟的支柱產業，近年來也面臨著產業結構不科學合理、能源消耗量高等的問題。因此，依托于分層式的能源數據信息管理系統，對于現代企業的智能化能源控制與服務，主要包括數據采集、篩選處理與分析，以及生產設備在線監視與控制、能源消耗與利用等的管理方向。

　　(1)數據采集、篩選處理與分析。能源管理控制系統的信息采集層，負責利用現場采集儀表、異構通訊采集設備等，實時采集生產工藝、能源消耗與應用的數據信息，并通過現場控制中心作出采集層信息的簡單篩選與處理，以此作

為生產工藝與流程監視、報警的參考依據。

　　(2)生產設備在線監視與控制。工業或熱電企業生產的能源消耗監測，主要通過能源管理控制系統，搜集內部不同生產設備的數據信息，包括產品生產的運行信息、能源使用信息，對多種生產設備實時監控的信息作出整合，并與過限報警、故障報警裝置形成連接，可實現生產設備安全運用中的能源信息監控目標。

　　(3)能源消耗與利用。工業能源消耗數據的處理與管理，是依據能源管控系統的數據處理層、決策層，對涉及電力、燃氣、蒸汽與壓縮空氣等能源，作出全面的監控、處理與分析。而后利用能源消耗、能源調度的監控數據，作為生產設備監測、能源消耗預測、能源負荷平衡、成本控制與優化的依據，完成一系列能源數據的決策應用。

2、軟件模塊設置

（1）現代企業智能化能源管控平臺，主要基于Windows操作系統、SCADA數據采集與監視控制軟件，進行現場設備的硬件數據測量、運行數據采集、自動化監控控制、信號報警等。這一能源消耗與應用管理的任務執行過程中，由域服務器、其他管理與備份服務器支持，在SCADA網絡數據采集、處理與管理系統中，設置信號濾波、量程轉換、用戶腳本執行、事件記錄、報警檢查、歷史存儲等的組件。

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智能化能源管控平臺的軟件系統結構

隨后借助于網絡計算機、PLC可編程邏輯控制器、RTU遠程終端單元、Web服務器等的軟硬件，搭建起用于能源管控系統后臺、交互的人機界面(HMI)。當多種企業生產設備、電力或熱能能源子站接入網絡時，4由域服務器確定以下信息：(1)此網絡計算機的IP地址是否屬于本域內。

（2）用戶賬號是否存在、登錄信息的輸入是否正確，若有一項不正確則拒絕登錄。

（3）在域服務器中部署DNS服務，使用DNS解析子站域名、并通過域名轉換，與子站主機的IP地址進行一一對應。

在以上能源子站的用戶身份及權限驗證完成后，在Historian數據庫服務器、0racle服務器、PI數據庫支持下，由能源管控中心系統將數據采集、處理的指令信號，發送至報表系統、Web發布系統等，再使用智能化電子令牌異構控制模塊，將企業生產現場設備運行數據、能源消耗數據，傳回至多個管理服務器端口。

3、智能化能源管理系統在企業中應用的能耗控制功能實現

　　在Historian數據庫服務器、Oracle服務器、PI數據庫等硬件，以及B/S架構、MyEcplice開發工具、MySQL關系型數據庫系統支持下，搭建起用于數據信息存儲、數據傳輸與操作指令控制、用戶服務的智能化能源管控系統。

　(1)總配電子系統。電力配電系統(TN-C)為三相三線、三相四線制配電系統，包括高壓配電線路、變電站、配電站、配電房等的組成結構。在電力企業發電、電力輸送過程中，由供電電源向不同用電區域、用電設備，合理有效分配電力資源，而配電子系統管理模塊可通過儀表能耗監測裝置，實時查看各支路的用電情況、能源消耗狀況，包括系統產能、分表用能、環比負載等的數據信息，以及整個配電系統拓撲結構的穩定性。

　(2)生產設備數據配置。選用生產現場儀表、無線智能電表、XL10智能信號采集器，從電力生產企業的機器中，采集生產機器運行、待機、故障、停機的運行狀態信號，得到生產設備的實時電流、電壓、功率、故障等數據，并將生產運行數據上傳至電力服務器，或經由不同區的網絡交換機端口，傳回至智能化能源管控中心。

　(3)能耗報表指標分析。利用現場儀表、數據采集器、異構通訊采集器等設備，搜集在日、周、月、季度等周期的生產用能數據，并通過Modbus協議、DL/T645協議、HTTPS協議、I/0接口等，將實時監測到的系統不同周期能耗、噸煤能耗情況，傳回至智能化能源運維管理平臺，對錄入的數據指標整合為能耗統計報表，提供數據報表下載和導出，分析并反映各單位月度或企業的用能情況、能耗利用效率。

　(4)故障信號報警/預警。在電力企業的上位監測站中，布置高壓開關觸頭、溫度傳感器、感煙傳感器、XL10智能信號采集器，并設置設備過限預警標準、能耗需量報警值，監測不同時間點、不同系統支路的生產運營情況，掌握在電力生產最大負載下，電力企業系統可能發生的設備故障、能源消耗與利用過限等問題，提出針對性的問題改進與解決方案。

4、智能化能源管理控制系統的網絡組織架構、功能、軟硬件組成

4.1能源管理控制系統的網絡框架結構

　　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：

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首先第一層為企業能源數據采集層，是利用生產現場計量儀表、AI異構通訊模塊、數據板卡ME等，搜集產品生產的工藝信息、設備運行信息、能源使用信息，完成工業生產

控制系統內的正向數據采集。

而后在工業級交換機、單模光纜等網絡設備支持下，采取環形、星形相結合的網絡結構，建立起不同自動化監控系統之間的網絡連接，進行主站點、子站點等生產單元的數據信息傳輸控制。由EMS能源管理控制系統，向企業內的產品生產、工業制造車間發送指令信號，實時傳輸某一周、某一月的生產能源消耗信息，包括能源設備運行狀態、能源介質總用量等信息，各車間的現場控制中心，負責指令信號響應、

能源消耗數據采集處理、并逆向傳送相關的響應數據。

第二層為數據運算、處理與調度層級。通過通訊管理機進行數據信息處理、運算后，存儲至數據庫服務器之中。

最外層為能源數據決策應用層。這一層級包含中央交換機、客戶端、工程師站等組成結構，其中由中央交換機作為數據流轉換、能源管理功能的控制核心，建立起數據集中處理與分析的數學模型，通過各主站點、子站點生產單元的傳輸數據計算，得出生產設備控制數據、成本優化數據、能源預測與平衡數據、能源負載與綜合利用數據的結果。

這里智能化能源管控子站的數據采集系統，包含CPU控制終端處理器、異構通訊采集設備、生產現場儀表、TCP/IP通訊協議、AI異構通訊模塊、EN2T以太網通訊模塊等的硬件設施，用于主站管理控制系統、各子站系統的網絡連通，以及PLC控制器、網絡交換機之間的設備對接。

　根據以上圖2的EMS智能化管控系統的網絡硬件結構可以得出：智能化能源管控子站的services服務系統，是在能源管控中心的主結構下，設置基礎能源管理服務器、GIS地理服務器、Web發布服務器、ICV網絡管理服務器、I/0服務器、備份服務器、目錄服務器、PI實時數據庫等的任務處理模塊。

在此基礎上，將不同能源子站接入網絡防火墻、220V雙路供電電網，通過以太網通訊模塊、AI異構通訊傳送，形成能源子站UPS運行信號、ICV服務器管理系統的連接，并完成二者之間企業生產運行數據、能源消耗數據的傳輸發送。當UPS運行信號發生故障的情況下，基礎能源管理服務器、ICV網絡管理服務器等模塊，將向智能化能源管理控制總系統，發出過限報警、故障報警信號，以便于專業技術人員及時處理解決問題。

5平臺設計與功能

5．1 系統平臺設計

智慧能源管理平臺采用去中心化的分布式網絡構架設計如圖 2 所示，采用 B / S 模式，實現云端建模、設計及部署，簡化了客戶端的維護工作，為以業務模式為基礎的功能模塊擴展提供軟件支撐基礎。滿足集團海量實時數據地存儲和處理的要求，存儲在系統中的歷史數據可*不刪除，系統不會因為數據量的攀升影響到存儲和訪問速度。遵循系統應用插件規范進行二次開發，開發的功能模塊插件可無縫配置到應用界面中使用。

5．2 系統實施

每家工廠實施能碳管理系統建設，首先是制定出符合管理要求的能碳管理架構，該架構可以隨著管理需求的變化而靈活調整。能碳管理架構可按照廠區、車間、生產線進行配置，將能耗數據與管理架構進行對應關聯，全面的展示出能源管理的范圍和深度。

功能

AcrelEMS企業微電網能效管理系統提供基于行業特點細分的能效管理解決方案，支持有線/無線方案接入各類智能設備，并提供多種第三方系統接口協議，融合企業微電網電力監控、能耗統計、電能質量分析及治理、智能照明控制、主要用能設備監控、充電樁運營管理、分布式光伏監控、儲能管理等功能，通過一個平臺即可全局、整體的對企業電網進行進行集中監控、統一調度、統一運維，滿足企業用電可靠、安全、節約、有序用電要求。平臺支持中英文切換，現已應用于多個行業和地區用戶側能源管理和電力運維平臺，單個平臺已接入1600多個用戶變電所數據，提供能源分析和運維管理功能。

圖3AcrelEMS能效管理平臺應用

電力監控

對企業高低壓變配電系統的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償柜及電纜等配電相關設備的電氣參數、運行狀態、接點溫度進行實時監測和控制，監測企業微電網主要回路的電能質量并進行治理，對故障及時處理并發出告警信息，提高企業供電可靠性。

圖4電力監控功能

能耗分析

采集企業電、水、燃氣等能源消耗，進行分類分項能耗統計，計算單位面積或單位產品的能耗數據以及趨勢，對標主要用能設備能效進行能效診斷，計算企業碳排放，為企業制定碳達峰、碳中和路線提供數據支持。

圖5能耗分析功能

照明控制

智能照明控制功能可以根據企業情況實現定時控制、光照感應控制、場景控制、調光控制等，并結合紅外傳感器、超聲波傳感器，實現人來燈亮、人走燈滅，并可以根據系統的控制策略實現集中控制，為企業節約照明用電。

圖6照明控制功能

分布式光伏監控

監測企業分布式光伏電站運行情況，包括逆變器運行數據、光伏發電效率分析、發電量及收益統計以及光伏發電功率控制。

圖7分布式光伏發電監測

儲能管理

監測儲能系統、電池管理系統(BMS)和儲能變流器(PCS)運行，包括運行模式、功率控制模式，功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度，根據企業峰谷特點和電價波動以及上級平臺指令設置儲能系統的充放電策略，控制儲能系統充放電，實現削峰填谷，降低企業用電成本。

圖8儲能管理

充電樁運營管理

監測企業充電樁的運行狀態，提供充電樁收費管理和狀態監測功能，并根據企業負荷率變化和虛擬電廠的調度指令調節充電樁的充電功率，使企業微電網穩定安全運行。

圖9充電樁管理

自定義駕駛艙

可根據用戶的關注點自行繪制所需的駕駛艙頁面，包括能源預收費、充電樁運營、電梯、空調、照明等各種設備的能耗統計、收益統計、運維情況等。

圖10能源物聯網駕駛艙定義

數據采集和數據監測

實時監測各配電柜的電壓、電流等電力參數，實現遙測、遙信、遙控。實時監測各配電室溫濕度、煙感、水浸等環境參數。監視變壓器的運行狀態及用能參數，測算損耗，找出經濟運行區間，降低能源損耗。

圖11數據采集和監測

能耗統計分析

主要是對能耗的數據、能耗分項以及區域能耗和能耗指標等進行統計。其中還包含總能耗定比,也就是指實際消耗的能量所占據總能量的百分比,并利用各種圖形的方式進行表示，用于綜合能耗分析。

圖12能耗統計分析

電氣和消防安全管理

接入電氣火災探測器、無線測溫傳感器、智能斷路器等設備，對配電回路的剩余電流、線纜溫度等火災危險參數進行實時監控和管理。在消防水池、消防水箱等地方安裝消防水位表，檢測消防水位的變化；消防水管、噴淋等地方安裝消防水壓表，檢測消防管道的壓力。在家庭、賓館、公寓等存在煙霧、可燃氣體的室內場所，安裝獨立式煙感或可燃氣體探測器，檢測這些場所是否存在煙霧和可燃氣體。