选煤厂企业能源管控系统：让节能更简单、更高效

摘要

在能源资源日益紧缺和环境保护压力不断增大的背景下，如何高效利用能源、实现节能减排成为工业企业面临的重要课题。本文提出了一种基于物联网（IoT）与大数据分析的智慧化工业企业能耗监测与优化系统。该系统通过物联网技术实现对工业企业能源消耗的实时监测和数据采集，并利用大数据分析技术对海量能耗数据进行深度挖掘和分析，从而实现对企业能源消耗的精细化管理、能耗异常预警以及节能方案的智能优化。实验结果表明，该系统能够有效降低企业能耗成本，提高能源利用效率，并为工业企业可持续发展提供有力支持。

1. 引言

随着全球工业化进程的加速，能源消耗量持续增长，能源短缺和环境污染问题日益严峻。工业企业作为能源消耗的主要领域，其节能减排工作对实现可持续发展目标至关重要。然而，传统的能源管理方式存在数据采集不及时、分析手段落后、节能措施缺乏针对性等问题，难以满足现代工业企业精细化能源管理的需求。

物联网和大数据技术的快速发展为解决上述问题提供了新的思路。通过物联网技术，可以实现对工业企业能源消耗的实时监测和数据采集；而大数据分析技术则能够对海量能耗数据进行深度挖掘和分析，揭示能源消耗规律，识别节能潜力，并制定科学的节能方案。

2. 系统架构与关键技术

2.1 系统架构

本系统采用分层架构设计，主要包括以下四个层次：

2.1.1.感知层：

传感器网络：在工业企业各个生产环节和能源消耗节点部署传感器，实时采集水、电、气、热等能源消耗数据，以及生产设备运行状态、环境参数等数据。

数据采集终端：负责将传感器采集到的数据通过有线或无线网络传输至数据处理层。

2.1.2.网络传输层：

采用工业以太网、4G/5G、LoRa、NB-IoT 等多种通信技术，实现感知层与数据处理层之间高效、稳定的数据传输。

保障数据传输的安全性，采用加密技术防止数据泄露和篡改。

2.1.3.数据处理层：

数据存储与管理：

采用分布式数据库（如 Hadoop HDFS）和大数据处理平台（如 Apache Spark）存储和管理海量能耗数据。

对数据进行清洗、预处理和分类存储，确保数据质量。

数据分析与挖掘：

实时分析：利用流处理技术对实时数据进行在线分析，识别能耗异常，及时发出预警。

离线分析：对历史数据进行深度挖掘，分析能源消耗趋势，识别能耗模式，评估节能措施效果。

机器学习：构建能耗预测模型，预测未来能源消耗趋势，为制定节能方案提供依据。

数据可视化：利用可视化工具（如 Tableau、Power BI）将分析结果以图表、仪表盘等形式直观展示。

2.1.4.应用层：

能耗监测与展示：

提供实时能耗数据展示、历史数据查询、能耗报表生成等功能。

支持多维度、多层次的数据分析，如按时间、设备、车间、部门等维度进行能耗分析。

能耗异常预警：

基于预设的能耗阈值或机器学习模型，实时监测能耗数据，及时发现异常能耗行为。

通过短信、邮件等方式向相关人员发送预警信息。

节能优化方案制定：

根据能耗分析结果和预测模型，制定个性化的节能方案，包括设备优化运行、生产工艺改进、能源结构调整等。

对节能方案进行模拟评估，预测节能效果。

能源管理与决策支持：

提供能源消耗成本分析、能源使用效率评估等功能，为企业能源管理决策提供支持。

集成电力需求侧管理（DSM）模型，优化企业用电策略，降低用电成本。

2.2 关键技术

2.2.1.物联网技术：

传感器网络设计：选择合适的传感器类型和部署方案，确保数据采集的全面性和准确性。

数据传输协议：采用 MQTT、CoAP 等轻量级协议，实现高效的数据传输和设备管理。

2.2.2.大数据分析技术：

数据存储与管理：采用分布式存储架构，支持海量数据的存储和快速查询。

数据处理与分析：利用 Hadoop、Spark 等大数据处理框架，实现对海量数据的并行处理和分析。

机器学习算法：应用回归分析、聚类分析、深度学习等算法，构建能耗预测模型，识别能耗模式。

2.2.3.数据可视化技术：

采用交互式可视化工具，将复杂的数据分析结果以直观、易懂的形式展示出来。

支持多维度数据展示和实时数据更新，方便用户进行数据探索和分析。

2.2.4.云计算技术：

利用云计算平台提供的弹性计算资源和存储资源，支持系统的高效运行和扩展。

采用 SaaS（软件即服务）模式，降低企业部署和维护成本。

3. 系统功能

3.1.实时能耗监测：实时采集和展示企业各生产环节的能源消耗数据，提供多维度、多层次的能耗分析。

3.2.能耗异常预警：基于预设阈值或机器学习模型，实时监测能耗数据，及时发现异常能耗行为并发出预警。

3.3.能耗数据分析与挖掘：

分析能源消耗趋势，识别能耗模式，评估节能措施效果。

构建能耗预测模型，预测未来能源消耗趋势。

3.4.节能优化方案制定：

根据能耗分析结果，制定个性化的节能方案。

对节能方案进行模拟评估，预测节能效果。

3.5.能源管理与决策支持：

提供能源消耗成本分析、能源使用效率评估等功能。

集成 DSM 模型，优化企业用电策略，降低用电成本。

3.6.用户权限管理：根据用户角色分配不同的系统访问权限，保障系统安全。

3.7.系统维护与管理：提供系统配置、数据备份与恢复、日志管理等功能，确保系统稳定运行。

4. 案例分析

本文以某大型制造企业为例，介绍了该系统的应用情况。实施该系统后，该企业实现了以下目标：

能耗成本降低：通过优化设备运行参数和调整生产计划，该企业每月节约能源成本约 10%。

能源利用效率提升：系统提供的实时能耗数据和节能建议，帮助企业提高了能源利用效率，单位产品能耗下降了 8%。

能耗异常及时发现：系统能够及时发现能耗异常情况，并发出预警，帮助企业快速响应，避免了不必要的能源浪费。

决策支持能力增强：系统提供的多维度能耗分析和预测模型，为企业制定能源管理策略提供了科学依据。

5.平台概述

安科瑞企业能源管控平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

6.方案设计

6.1 系统结构

平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

7.平台功能

7.1 登录

用户可以用浏览器（建议用谷歌浏览器、火狐浏览器、360极速浏览器）打开网址 http://218.90.237.66:58890/，如图所示。

7.2 驾驶舱

用户可根据需要，在大屏展示能耗、能效数据，进行能效排名等等。

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7.3 首页

首页给用户展示企业集团与分公司的每日用电统计信息、每周用电统计信息、总碳排统计信息、各分部用电统计信息、分时段用能统计等相关信息，展示报警的数据和分类，用户还可以切换平台主题色和中英文，以及全屏展示，如图所示。

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7.4数据监控

7.4.1 仪表监控

数据监控显示了项目信息和项目下所有的设备信息，可以看到每个设备的通讯状态、回路名称、电参量等。

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7.4.2 抄表数据

该页面展示某一回路中，一段时间内每天的日数据信息，用户可以选择不同的电力类型，显示不同电参量数据，数据会以图表或者数据列表的信息展示；逐日极值数据展示了各个电参量在一段时间内，每天最值数据及发生时间，还能统计平均值。

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7.4.3 参数报表

用户可以查看各个区域设备的电参量报表，可以通过切换时间和调整参量显示查看对应数据，如图所示。支持报表导出和批量导出，导出报表为excel格式，批量导出可以导出多块仪表的数据。

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7.4.4 极值报表

展示各个项目下的仪表的电参量在某一天中的最小值，以及平均值和发生时间，形成报表形式进行展示，并可导出。

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7.4.5 平均功率因数

展示了项目下某一回路按月/年的正向总有功电能、反向总有功电能、正向总无功电能、反向总无功电能、平均功率因数，并以折线图和数据表格的形式展示，如图所示。

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7.4.6 配电图

配电监测主要展示配电一次图。选中需查看的项目名称，即可查看该配电一次图。点击图中数据，可以调出控制箱，查看实时数据，如相电压，有功功率，无功功率，有功电能，相电流，无功电能，切换至历史数据，通过选择日期与电力类别，查询想要看的图表与数据。

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7.4.7 相序诊断

查看仪表的接线以及仪表数据是否正常，常见的诊断状态有，正常，数据异常，接线松动，相序错误，失联，相序接反。如图所示。

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7.5 能耗分析

7.5.1 用能概况

把环比、能耗趋势、日用电功率曲线、功率峰值显示在同一界面。根据查看某个项目，选择对应节点、分类能耗，即可查看该项目，环比，能耗趋势，有的还可以查看日用电功率曲线，功率峰值。同时，可以切换当日，当月，当年，查看不同时间段的能耗趋势。如图所示。

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7.5.2 趋势分析

趋势分析可以查看项目能耗节点下分类能耗的日月年能耗趋势，如图所示。

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7.5.3 能源流向

主要展示单个项目各个分类能耗的流向图。选中需查看的项目、分类能耗，起始日期及截止日期，即可查看该项目的能源流向。如图所示。

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7.5.4 电费分析

根据项目设置的容量单价，需量单价，结合项目总容量，最大需量，复费率，计算用容量计费划算，还是需量计费划算。如图所示。

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7.5.5 能耗排名

根据所选的能源消耗节点用量，进行能源消耗排名，从高到低。如图所示。

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7.5.6 节能评估

企业可以在此添加节能技改记录，设置基期和校准期，比较节能措施实施前后的同一产量下的节能量。如图所示。

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7.5.7 同环比分析

企业可以查看各个能源节点的同比环比数据，如图所示。

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7.5.8 损耗分析

损耗分析可以查看各个用能源节点之间的线路损耗情况，也支持导出报表。如图所示。

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7.5.9 分时能耗

平台支持设置工作日，非工作日，维修日，停机日等多种时间段，然后根据设置的各个时段做统计。如图所示。

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7.5.10 分组能耗

平台支持多能源计量节点再分组，然后根据分组情况进行能源数据的日月年自定义时间段的趋势数据进行统计，支持导出。如图所示。

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7.5.11 对比分析

对比分析可以对选中项目的多个能耗节点进行图表对比。选中需查看的项目，能耗节点以及日期，选中“日”，“月”其中一种报表类型，点击“查询”。如图所示。

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7.5.12 碳排放监控

企业可以查看能源网络计量点的各能源类型产生的碳排放量，同比环比数据，下级能源节点前五碳排放量的能源节点。如图所示。

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7.5.13 能耗补录

对于能耗异常的点位，系统支持对于异常数据的小修复。如图所示。

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7.6 分项能耗分析

7.6.1分项概况

分项概况是把分项用能柱状图、饼图、表格数据显示在同一界面。根据查看某个项目，选择对应能耗节点、分类能耗，切换日期，即可查看该项目对应时间段内的分项用能柱状图、饼图、表格数据。如图所示。

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7.6.2 分项同比分析

分项同比分析主要统计某个项目能耗节点某一类能耗分项用能与去年同期的比较分析。选中需查看的项目，分类能耗、能耗节点及日期，选择“年份”即可查看该项目的分项用能表格数据和柱状图表。如图所示。

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7.7 复费率分析

7.7.1 复费率报表

复费率报表主要统计项目能耗节点的尖、峰、平、谷电能及电费。选中需查看的项目，能耗节点及日期，选择“日”，“月”，“年”其中一种报表类型。点击“查询”，即可查看该能耗节点的复费率报表；点击“导出”可导出表格。如图所示。

注：此报表需要计量装置支持分时段统计功能。

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7.7.2 反向复费率报表

反向复费率报表主要统计项目能耗节点的尖、峰、平、谷电能及电费。选中需查看的项目，能耗节点及日期，选择“日”，“月”，“年”其中一种报表类型。点击“查询”，即可查看该能耗节点的反向复费率报表；点击“导出”可导出表格。如图所示。

注：此报表需要计量装置支持分时段统计功能。

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7.7.3 复费率趋势

以柱状图展示日，月，年内尖峰谷的用电趋势，以饼图展示尖峰谷用电量的占比以及金额占比。如图所示。

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7.8 产量管理

7.8.1 产量录入

系统支持手动录入各个能源节点的产量数据、产值数据。如图所示。

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7.8.2 产量统计

系统可以按照日月年自定义时间段，查看各个能源计量节点下的产品产量数据，产值数据。如图所示。

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7.8.3 产量同比环比

企业可以查看各个能源计量节点下的产量的同环比数据。如图所示。

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7.8.4 产品录入

手工录入产品的编号，名称，售价。国际，先进企业标准等数据，为产品录入做准备。如图所示。

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7.9 单耗分析

7.9.1 单耗报表

查看各个能源计量节点下的电单耗、水单耗等趋势数据以及电产值单耗、水产值单耗数据。如图所示。

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7.9.2 产品单耗

可以查看各个能源计量节点下的各个产品的在时间区间段内的单位产品单耗和单位产值单耗。如图所示。

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7.9.3 单耗对标分析

展示各个能源计量节点下各个产品与国际，国际，企业等标准的对比数据。如图所示。

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7.9.4 单耗趋势分析

按照月，年展示各个能源计量节点的单耗趋势数据。如图所示。

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7.10 指标考核

7.10.1 评分设定

设定整个企业考核各个能源计量节点的评分标准。如图所示。

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7.10.2 指标设定

设定各个能源计量节点的计划指标数据，为绩效kpi分析做准备。如图所示。

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7.10.3 指标KPI分析

根据企业设定的评分标准，和设定的各个能源计量节点的指标，展示各个能源计量节点的绩效评分数据。如图所示。

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7.11 班组能耗

7.11.1 班组管理

班组增删改查。如图所示。

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7.11.2 班组设置

对各个能源计量节点的班次班组设置。如图所示。

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7.11.3 班次管理

设置企业，或者能源计量节点的班次情况，增删改查。如图所示。

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7.11.4 班组能耗

可以查看各个能源计量节点下，各个班组在区间段内的总能耗。如图所示。

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7.12 变压器管理

7.12.1 变压器管理

变压器管理页面展示了关联项目下所有的变压器信息，信息包括变压器名称、仪表、额定容量、项目名称、备注、创建时间等，可根据项目名称/变压器名称找到对应变压器。如图所示。

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7.12.2 变压器监控

展示各变压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出最低。如图所示

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7.12.3 变压器平均负荷报表

该页面展示了项目下单个变压器的各项数据，用户可以切换该项目下其他变压器和不同时间维度查看变压器平均负荷等数据，如图所示。本页面支持报表导出，点击导出按钮即可导出相应数据，导出报表为excel格式。

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7.13 组态控制管理

组态图需要由客户自行绘制。

7.13.1 组态图管理

组态管理页面展示了关联项目下所有的组态信息，信息包括配置编号、配置名、类型、标签、控制操作等，可根据类型/标签/配置名找到对应组态。如图所示。

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7.13.2 图元分类管理

该页面可以对图元进行分类管理，如图所示。

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7.13.3 图元管理

用户可以通过此页面，上传和查看图元，如图所示。

7.13.4 模板管理

该页面可以存储和使用组态模板，如图所示。

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7.13.5 组态图

该页面主要展示客户绘制的组态图页面。如图所示。

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7.14 设备监控

7.14.1 视频监控

点击视频监控即可查看当前摄像头视频监控，视频监控功能需要配置视频监控信息，支持回放的监控设备还可查看指定时间的视频回放，如图所示。

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8.典型硬件

8.1导轨式电能表DTSD1352

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● 有功精度：0.5S级，无功精度：2级（目前标准最高），电压、电流精度：0.2级

● 电压规格：3×100V、 3×380V、3×57.7/100V、3×220/380V

● 电流规格：3×1(6)A（经互感器接入），3×10(80)A（直接接入）

● 工作温度：-25℃~+55℃

● 相对湿度：≤95℅（无凝露）

● 通讯：最大支持2路独立485通讯，Modbus RTU规约/DL/T645-07规约可自适应，两路485可独立设置，亦可使用不同协议；波特率1200bps-19200bps可设，奇偶校验位可设

● 功能：支持1DI1DO；支持有功脉冲输出

● 外形尺寸：126*88*69，标准DIN35导轨安装

8.2智能远传水表

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● 可用电子直读式，具有高清晰液晶显示，直接读取和通信发送。该水表的特点包括：高灵敏度，始动流量小，计量精度高，具备误差自动修正功能；通讯方式：可通过MODBUS-RTU通讯接口进行通信，管理者可对水表各参数进行设置或修改，也可抄回表内的信息以便供管理部门进行统计、监测；断电后数据可保存10年以上；扩展功能：可根据需要扩展远程控制阀门开关功能；耐高温：可在120℃下长期工作，水解稳定；抗腐蚀：抗酸碱腐蚀性强不易被腐蚀，阻燃性能好，环保：水资源免遭二次污染。

● 通信规约依照《CJ-T188-2004户用计量仪表数据传输技术条件》或者兼容《DL/T 645-2007》的规约。

8.3智能网关

ANet智能通信管理机是一款采用嵌入式硬件计算机平台，具有多个下行通讯接口及一个或者多个上行网络接口，用于将一个目标区域内所有的智能监控/保护装置的通信数据整理汇总后，实时上传主站系统，完成遥信、遥测功能。

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9.结束语

安科瑞企业能源管控平台能够采用自动化、信息化技术建立能源管理调中心，实现从能源数据采集——过程监控——能源介质消耗分析——能耗管理等全过程的自动化、高效化、科学化管理。从而使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来，使之能够运用的数据处理与分析技术，进行离线生产分析与管理，提升企业能源管理，提高企业竞争力。


审核编辑 黄宇