摘 要：重点用能单位为了实现能源的日常监测和管理，并对能源进行审计，对能效进行对标，对能源计量进行审查以及进行节能方面的改造，开发了一套用于能源在线监控的系统。该系统基于移动互联网、云计算、智能硬件和SaaS服务，以数据应用为基础，结合生成数据提取、智能硬件监测、作业采集等多种方式，实现以设备运维管理和能源消耗管理为核心的集运维、管理、评估、节能于一体的综合能源信息化管理平台，为企业能源信息化管理的提升、能源平衡分析等提供了有利的支撑。
关键词：能耗监测；信息化；图形化
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）20-0027-05
Research on Development of Energy Consumption Monitoring System
JING Danian1， JING Fangshu2
（1.Jingyi （Suzhou） Electronic Technology Co.， Ltd.， Suzhou 215163， China;
2.Nanjing Audit University， Nanjing 211815， China）
Abstract： Key energy consuming units have developed a system for online energy monitoring in order to achieve daily monitoring and management of energy， energy audit， energy efficiency benchmark， energy metering review and energy conservation renovation. The system is based on mobile Internet， cloud computing， intelligent hardware and SaaS services. Based on data application， combined with multiple methods such as generating data extraction， intelligent hardware monitoring， job collection and other methods， it realizes a comprehensive energy information management platform integrating operation and maintenance， management， evaluation， and energy conservation with equipment operation and maintenance management and energy consumption management as the cores. The development of this system provides favorable support for the improvement of enterprise energy information management and energy balance analysis.
Keywords： energy consumption monitoring; information; graphics
0 引 言
目前企业能源管理[1]存在基础条件薄弱、设备管理分散、能源传输过程无监管、能源采购—传输—使用过程形成管理盲区、维修保养记录缺少现代化管理手段、节能管理缺乏大数据支撑等现状，导致能源成本无法精确统计，能源使用优化受阻，且能源设备运行状况的全面监控也无法得到有效的保障。
根据以上对能耗管理现状的分析，为重点能耗企业能够更好地对能源进行源宏观分析，并根据分析情况进行战略规划，对能源消费总量与强度“双控”形式进行详细分析，对节能情况进行实时的监察，对能源计量进行有效的管理，根据所获得的大数据进行分析来制定相关节能标准等提供数据支持，开发了针对能耗进行实时监测的能耗监测系统，该系统已上线运行，应用效果良好。
该系统通过对能源数据的自动实时采集及远程监控现场设备实时运行画面，实现能耗的数据自动远程监管，当出现告警或能耗异常时，可通过移动端APP、手机电话、短信、邮件等方式通知相关管理人员。系统实现了对能耗数据、费用、能源使用的管理，可以实时监控单耗、综合能耗等数据指标，对各类指标趋势进行测算及预警，为优化能耗指标提供数据支撑，同时针对关键能源介质，如煤、电、气等建立能耗预测模型、优化调度模型，为能源优化提供辅助决策支持[2]。
1 设计依据及原则
该系统在设计上，紧密结合能耗监控[3]的实际情况，充分利用信息化技术的成果，整合能耗各系统设备设施建立起能耗监控平台。在此基础上，建立涵盖多个能耗系统的所有子系统的监察平台，实现对各能耗子系统分层监控，及时纠错，促进用能单位办公自动化管理，推动各部门业务系统实现互联互通、数据协调统一控制。
系统采用B/S架构，微服务框架、分布式缓存和高性能缓存共用方式[4]。采用分别部署的方式，可根据下属单位或能耗设备终端灵活部署，方便个性化升级。系统对现场数据进行统一采集，集团能耗管理平台可直接访问重点单位能耗管理平台功能模块[5]，实现实时自动监控其能耗设备运行状态及各能耗设备运转的实时数据等信息。
2 系统的基本架构
如图1所示，本系统软件主要由前台展示层、中间服务层及后台存储层三部分组成，具体架构内容为：
1）B/S应用结构。系统采用基于浏览器访问的B/S结构，该结构的特定是分布性强，客户端无须进行维护。
2）微服务架构。系统核心业务应用通过服务化，将系统拆分为多个可以独立进行开发、设计、运行和运维的微服务[6]，可实现业务的解耦，同时使得系统核心业务更加容易升级和横向动态扩展。
3）分布式缓存与高性能缓存共用[7]。系统服务之间数据共享采用分布式缓存，分布式缓存的特定是数据可用性高，以此来提高资源的利用率。高性能缓存Redis主要是对实时数据进行存储，并将实时数据完全保存在内存中，读取速度快，并且可使用磁盘进行持久化。
前台展示层包括：Web客户端、移动终端、大屏终端。服务层包括：服务通信（如REST、RPC、MQ等），业务应用服务（如用能安全服务、能源管理服务、能耗分析服务、大数据服务、集团监管服务、能效考核服务、报表服务、设备管理服务、认证服务等），数据采集服务（如通信服务、解析服务、存储服务、日志服务、调度服务、监控服务、实时数据服务等），服务管理（如服务配置、注册发现、日志监控等。存储层包括：历史数据库（如MySQL），缓存（如Redis、Ehcache、文件存储等）。
3 系统设计
数据采集架构设计分为三层，包括数据采集层、通信层和业务应用层，具体内容有：
1）采集层。采集层主要通过安装计量器具、通信模块完成数据的采集工作，计量装置通过敷设RS485总线的方式与通信模块下行端口连接，完成数据采集。系统支持多种通信模块，如采集终端模块主要应用在能耗监测终端较集中的场合，透传模块主要应用在能耗监测终端较分散的场合。此外系统还支持与现场已有能源管理系统、DCS控制系统对接，获取相关系统的采集数据。
2）通信层。通信层主要通过光纤通道完成网络搭建工作，采集终端通过敷设基于TCP/IP协议网络的网线或光纤方式与数据中心前置机连接，传输采用TCP协议，实现与通信服务器的数据通信。系统支持多种通信协议，可接入不同的通信模块。
3）应用层。应用层包括数据接口服务器、数据库服务器和应用服务器，其中数据接口服务器主要用来给集团平台上报采集数据以及根据端设备协议向市平台上报能耗数据。
4 系统功能
系统主要包括集中综合展示模块、集团层统计分析模块、集团层能耗监管模块、重点单元平台数据钻取模块[8]。综合展示模块以图形化方式显示集团公司各种类能源累计消费量、实时消费量、碳排放量等数据，各重点单位能效指标完成情况。集团层统计分析模块，可统计查看各重点单位的各类能耗数据，并可进行对比、排名分析，用来掌握各重点单位的当前用能情况。集团层能耗监管模块从能源成本、单品能耗、节能效果、能效指标等多个维度对各重点单位进行考核监管，指导重点单位进行节能优化改造，并提供能效考核评价工具，对各重点单位的能源管理水平、节能改造效果进行综合评价。重点单元平台数据钻取模块完成能耗数据异常或能效指标考核不达标时，向下钻取详细能耗数据[9]，主要功能如图2所示。
4.1 数据采集与监控
系统可对企业的用电（电量、电流、电压、功率因数、谐波等）、用水（水量、压力）、用热（用量、压力、温度）、用气（用量、压力）、环境等能源消耗关键点加装智能计量表计，将能源消耗明细数据进行智能采集、传输。使用配套APP，人工巡检同时运用智能手持终端采集能耗数据[10]；可与厂区内PLC、DCS、ERP等系统进行对接；系统对采集的能耗数据以单体设备、系统设备、车间、班组、产成品等维度耗能分析；用能参数、电能质量、系统间能耗转换效率的纵向分析；以保障企业对能源消耗的全面掌控及精细化管理，主要功能包括配电系统图、水循环图、焦炉煤气、TRT发电、环境数据采集与监控。
系统首页以图形化方式展示能耗驾驶舱、能源结构、数据统计和能耗平衡尺。能耗驾驶舱主要展示业主水、电、冷、热实际能耗与计划能耗对比状况。如果没有设定计划能耗，系统会自动根据实际能耗对计划能耗进行反推。能耗平衡尺是以雷达图形式展示电、水、冷、热等能耗不同级别能耗对比数据。如一级回路能耗与二级回路能耗对比，对比深度可设定。数据统计展示业主前一日、当日、当月、本年度的用电、用水、用冷、用热状况，可按建筑、部门、时间等进行查询和导出。其中，电又细分为：照明插座用电、空调用电、动力用电、特殊用电；环境监测主要包括温度、湿度、CO2、PM2.5、光照度等，如图3所示。
4.2 运行状态告警
根据客户需求，在能源管理后台可以对各监测点的安全及报警设置阈值，当能源使用过程中出现超过限定的值域时，PC端通过不同颜色或弹窗或声音进行预警或报警，提示管理员进行处理，以便用能安全。同时系统支持配置报警信息发送方式，包括日志、短信、电话、APP等多种方式。运行状态告警可对不同的监测对象分别进行设置，如设置水、电、热、冷的能源等。设置的指标包括报警指标、报警指标阈值、累积量报警阈值、瞬时量报警阈值、时间段平均值报警阈值等，如图4所示。
4.3 设备管理
设备管理包括：配件（库存）管理、分类管理、设备升级管理、日常巡检、维护保养、设备线路管理、设备档案管理、设备记录的工单管理、设备运行数据管理等。设备管理模块与手机APP端进行数据集成，实时监控所有设备实时信息、能源设备巡检计划、巡检结果记录信息，实时查看巡检报告并自动接收评估报告等。如，当巡检员到达巡检设备位置，进行检查后，可以通过扫描设备二维码，自动完成巡检信息的录入工作，通过拍照上传设备故障信息，并根据历史维护记录，自动生成运维计划，信息上报与处理界面如图5所示。
4.4 流程化管理
能源管理采用流程化管理工具，可自定义流程图，根据流程图自动生成计划、能源供需计划、能源生产调度的流程化管理，如图6所示。可自定义审批流程，完成审批任务。生成计划的自定义，可根据需要定制个能源的生产计划，如：钢、生铁、全焦、烧结矿等。审批支持自定义审批级别，如一级审批、两级审批、三级审批等，APP设备管理流程定义，如定义APP巡检流程为现场巡检、填报数据、显示状态（正常状态和异常状态）、异常状态处理流程、数据分析流程、数据上传流程等。
4.5 统计分析
该模块主要完成每个能耗系统的分析工作，将每个能耗系统在某一时间段内（如日、月、年）的数据进行汇总查询，并以图形化和列表的方式进行展示，历史数据支持横向或纵向对比功能。能耗指标分析主要是对单品能耗指标、综合能耗指标、经营指标、绿色工厂指标、绿色产品能耗指标、绿色制造系统集成项目指标进行能源平衡的分析。
电力基本费用的监控及分析，协助企业处理基本费容需变化的方式及额度；峰谷平数据的分析及调整的建议换算；电能质量管理，力调电费的统计分析。
该模块可以实现对各工序中的各种能量介质的单耗量实绩跟踪，在不同时期内某一段时间内的能源供需实绩的比较和分析；用户设备及用能业务部门类似的情况下，进行设备对标和用能部门对标。对标可以根据单品能耗、单位时间能耗等角度进行，通过对标的结果，可以提升内部管理水平。
5 结 论
本文针对能耗系统各子系统缺少综合性管理的特点，设计开发了能耗监测系统。该系统通过提供统一的接口和数据采集方式，整合了既有能耗监控系统和管理系统，提供PC、PAD、监控大屏、BIM模型等方式，使其呈现多维度的可视化视角。该系统的使用，及时地定位能耗系统运行状态，实时展示能耗数据，动态分析，并能对能耗进行预测，大大增加了用能安全、及时发现能耗流转过程中的各种损耗，找到浪费的根源，减少了用能损失。该系统的运用，使用能更安全、稳定、持久，为节能减排提供了可靠的科学化的技术支撑，是实现能源管理精细化和全面化的有效手段，同时该系统的使用，也减轻了能源管理人员工作强度，提高了工作效率，提升工作效率及精度，为能源企业全面提高其管理水平提供了强有力的支撑。
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作者简介：景大年（1974—），男，汉族，江苏苏州人，工程师，本科，研究方向：计算机应用技术；景方姝（2003—），女，汉族，江苏苏州人，本科在读，研究方向：信息化管理技术。
