淺談工業企業能耗在線監測通用技術研究及應用

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測系統建設工作，文中介紹了系統的建設背景和主要內容，分析了工業企業實現能耗數據在線采集、實時監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:工業企業;能耗在線監;系統建設;通用技術

    隨著節能工作向系統化、精細化、信息化方向發展，節能領域運用物聯網、大數據等信息技術手段深挖、細挖節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測系統。通過該系統，可以、準確、及時地掌握全國和分地區、分行業能源消費總量及其構成，提高節能宏觀調控的針對性和性。建設能耗在線監測系統，是推進能源生產和消費革命、深化創新節能工作的必然選擇，是企業進一步挖掘節能潛力、提高能源管理精細化水平的客觀需要，也有利于培育和發展節能環保戰略性新興產業，促進經濟結構轉型升級。

 

    “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，發展改革委、教育部、工業和信息化部、財政部等十二部門聯合發布《萬家企業節能低碳行動實施方案》，提出要建立萬家企業能源利用狀況在線監測系統。2012年，《國務院關于印發節能減排“十二五"規劃的通知》則進一步提出開展用能單位能耗在線監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個行業的部分用能單位開展試點。2015年以后，對能耗在線監測系統建設提出了新的要求，在《關于加快推進生態文明建設的意見》、“十三五"規劃《綱要》、《“十三五"節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測系統的明確要求。2017年，發展改革委、原質檢總局聯合印發《用能單位能耗在線監測系統推廣建設工作方案》，明確要求在試點基礎上推進能耗在線監測系統建設，到“十三五"末期，基本建成連接各省(區、市)用能單位、相關部門和行業數據共享的能耗監測系統，為部門統籌能源發展與生態文明建設、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。

 

    能耗在線監測系統主要包括三部分建設內容:一是建設省級平臺。省級平臺是監測系統的區域性公共服務平臺，部署在各省(區、市)電子政務外網和互聯網，支持接入市級平臺數據，至少應達到信息安全等級保護二級的要求。省級平臺由省級節能主管部門、質監部門負責建設，要優先使用政務云等計算資源，符合對政務信息系統整合共享的工作要求。二是對接平臺。各省級平臺要按照統一的技術標準，將監測數據上傳到平臺。平臺部署在電子政務外網和互聯網，由發展改革委負責建設，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據，為能源消費總量與強度“雙控"及用能單位節能管理等工作提供支持。三是建設用能單位接入端系統。用能單位接入端系統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、工控系統等采集、匯總本單位能耗數據，將數據上傳至省級平臺，或直接上傳至平臺。

 

3.1總體技術路線

    能耗在線監測系統采用“平臺+省級平臺+用能單位端系統"的架構和技術路線(見圖1)，為各部委、各級節能主管部門和質監部門、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能耗在線監測系統技術路線

    平臺部署在電子政務外網和互聯網，由發展改革委負責建設，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據，為能源消費總量與強度“雙控"及用能單位節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據接口，實現信息共享。

    省級平臺是監測系統的區域性公共服務平臺，部署在各省(區、市)電子政務外網和互聯網，支持接入市級平臺數據，至少應達到信息安全等級保護二級的要求。省級平臺由省級節能主管部門、質監部門負責建設，優先使用政務云等計算資源。主要是接收本區域內用能單位上傳的數據，整合能源供應單位、其他行業節能主管部門系統，按統一的技術標準與平臺進行數據對接，為本省節能主管部門、質監、住建、交通等相關部門以及用能單位等提供支持服務。

    用能單位端系統一般由能耗在線監測端設備、計量器具、工業控制系統、生產監控管理系統、管理信息系統、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。

    用能單位端系統通過互聯網或傳輸專線等方式將采集到的數據上傳至省級平臺，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%;企業根據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部署完善能源數據采集網絡

    開展能源計量儀表(含新增、改造及已有儀表)現場數據采集系統的適應性接入改造，基于已有自動化系統(DCS、PLC及電力綜保系統等)，完善現場數據采集網絡和工業主干網絡，在滿足安全性和隔離性技術要求下，實現能源計量數據、能源系統操作和質量數據、關鍵生產數據集中統一采集到能耗在線監測端設備。

3.2.3開發能耗在線監測系統軟硬件系統

    企業能源管理中心信息系統分為三層:數據采集層、數據應用層和人機交互層。數據采集層由企業交互終端和數據采集機(如有必要)組成，企業交互終端內置控制器及智能儀表標準協議，可與品牌的控制器和智能儀表實現組態配置通訊接口，內置實時數據庫，用于暫存關鍵數據;內置OPC接口，便于與第三方控制系統或信息系統通訊。企業如果有特殊需要，也可以添置數據采集機，采集機需要預置與生產現場智能儀表、PLC和DCS等現場測量和控制裝置的通訊協議，以便于相關數據的采集;數據應用層由多臺服務器組成，服務器用于存儲數據、存儲和運行模型庫(數據和數據的固有關系)、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的各項功能。

3.2.4部署能源集中監控平臺

    基于實時數據庫和監控圖組態系統，建設監控系統。實現對各級(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、耗全過程的實時監控，掌握其歷史和實時趨勢。實時記錄能源系統事件，實時掌握能源使用消耗情況，實現對各類產能、供能和用能過程及設備的實時監控、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控，實時監控與優化設備的能源利用率、設備運行與生產負荷之間的匹配度。通過綜合監控系統，建設集團、分廠、車間、重要耗能設備四級能源監控系統。

3.2.5健全管理制度

    企業根據生產過程和能量系統特點，制定切合實際的能耗在線監測制度，充分發揮能耗在線監測系統的作用。企業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;制定節能優化生產操作指南。基于能源管理信息系統分析工具，制定持續改進的節能工作方案，實施在線能效績效考核管理，落實節能獎懲制度。

4.1建設意義

    《用能單位節能管理辦法》規定，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、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％，是節能工作的對象。

    為貫徹落實《用能單位節能管理辦法》（發改委2018年第15號令）、《發改委關于開展用能單位“百千萬"行動有關事項的通知》（發改環資〔2017〕1909號）和發改委辦公廳《關于發布“百家"用能單位名單的通知》（發改辦環資〔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發出通知，要求納入“百千萬"行動的用能單位落實節能主體責任，加強節能管理，并按照《用能單位能耗在線監測系統推廣建設工作方案》（發改環資〔2017〕1711號）等要求，建設接入端系統并按時接入省級用能單位能耗在線監測平臺，對未按要求開展用能單位能耗在線監測系統建設、未配備和使用能源計量器具的，依法依規責令限期整改，逾期不整改或整改未達到要求的，嚴格按照有關法律法規進行處罰。

4.2端系統結構

    根據《用能單位能耗在線監測系統推廣建設工作方案》的要求，用能單位接入端系統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、工控系統等采集、匯總本單位能耗數據，將數據上傳至省級平臺，或直接上傳至平臺；用能單位接入端系統要通過網閘、防火墻、隔離等安全措施，確保內部系統安全和數據安全；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。

    安科瑞可為企業接入端系統提供完整解決方案：

 

4.2.1端設備

    企業接入端系統需要從生產過程控制系統中采集能耗相關數據，考慮到企業生產網絡與辦公網絡(互聯網)之間并不互通的實際情況，企業接入端系統將通過具備2+1架構的物理隔離裝置--能耗在線監測端設備，實現生產網絡和辦公網絡之間的物理連接，在數據傳遞過程中確保從生產網絡（內網）獲取的能耗數據以單向傳遞、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

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

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

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

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

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

    (6)可根據項目情況錄入企業基本信息、企業生產層級結構、計量器具檔案信息、端設備信息、數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測系統技術規范-端設備接口協議規范》的要求往或省級平臺上傳數據；

    (8)支持斷線緩存，保證數據的連續性；

    (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)用能數據集抄；

    (12)數據上傳日志。

4.3ANet系列能源網關

    ANet系列能源網關，可將企業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、工業企業等能源管理系統中對于水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的能耗計量及分項數據采集需求，搭配簡單易用的數據配置軟件工具，可以快速配置所需采集數據及上傳數據中心等各項參數信息。

4.3.1能源網關硬件參數

4.3.2軟件功能

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

    (2)ModbusTCP實時數據轉發；

    (3)分項計量Xml數據報文定時上傳；

    (4)數據AES加密；

    (5)斷點續傳；

    (6)數據存儲；

    (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工業企業能耗在線監測系統建設通用技術要求

    能耗在線監測端系統部署在用能單位內部，主要功能是通過計量儀表、工業控制系統等采集、匯總本單位能耗數據，將數據上傳至省級平臺，或直接上傳至平臺。能耗在線監測端系統要通過網閘、防火墻、隔離等安全措施，確保內部系統安全和數據安全;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。

    端系統的核心是能耗在線監測端設備，是用能單位的信息節點。用能單位管理信息系統、生產執行系統、儀表中的能耗相關數據通過有線或無線網絡的方式，傳輸到能耗在線監測端設備。能耗在線監測端設備對采集到的數據進行統計匯總，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應用平臺。能耗在線監測端設備在接入互聯網之前應采用防火墻隔離可能來自互聯網的網絡攻擊，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、互聯網的關鍵節點設備，保障數據傳遞的安全隔離，即能耗監測端設備數據接入端和數據發送端之間的物理隔離和邏輯隔離，數據接入端網絡和數據發送端網絡之間的數據交換，只能通過配置的數據，其他數據都被*過濾無法通過。

    能耗監測端設備需采用“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、安全隔離數據交互單元三部分組成。用于連接生產控制網絡數據輸出系統主機(如生產過程控制系統、配電自動化系統、企業生產自動化系統等)網絡與企業辦公網絡，實現兩個網絡之間的數據傳遞、安全隔離、信息流訪問控制、內容過濾和信息交換等。能耗監測端設備中的內、外部主機通過安全隔離數據交互單元連接(由專用隔離部件構成)，安全隔離數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等功能網絡協議棧，采用私有協議實現協議隔離。對于用能單位能耗數據的采集與遠傳，屬于安全性要求較高而實時性要求相對較低的應用場合，安全隔離數據交互單元還將采用一組互斥的分時切換電子開關實現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。

[1]北京節能環保中心．北京市用能單位能耗在線監測試點建設工作經驗[J]．中國能源，2018(4):7－9．

[2]楊紹鵬,王璐,時希杰.工業企業能耗在線監測通用技術研究[J].應用能源技術,2021(08):38-41.

[3]安科瑞用能單位能耗在線監測系統.2020.10版