淺談智慧能源管理係統在鋼鐵行業中的應用

hth下载地址 陳聰

摘要：鋼鐵行業(ye) 作為(wei) 能源消耗高密集型行業(ye) ，在能源利用和碳排放方麵麵臨(lin) 著巨大的挑戰。在“雙碳”目標的背 景下，加強鋼鐵企業(ye) 的能源管理，提高能源利用效率，對於(yu) 推動行業(ye) 綠色發展和實現碳中和目標具有*強的現 實意義(yi) 和深遠的曆史意義(yi) 。為(wei) 了有效應對這一挑戰，本文提出構建一套適用於(yu) 企業(ye) 發展的智慧能源管理平台。 該平台以綜合能源協同利用為(wei) 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(guan) 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(hui) 一般性辯論上向世界宣布了中國的 新達峰目標與(yu) 碳中和願景。“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(zheng) 於(yu) 2030 年前達到峰值，努力爭(zheng) 取 2060 年前實現碳中和。”2023 年 2 月 6 日，中國節能協 會(hui) 製定並發布了《零碳工廠評價(jia) 規範團體(ti) 標準管 理辦法》: 鼓勵利用自身的資源優(you) 勢，加大與(yu) 政府、 企業(ye) 的合作，幫助企業(ye) 在降碳同時，積極對接投融 資機構，為(wei) 減排企業(ye) 引入綠色融資機會(hui) ，實現減排 的正麵收益。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(ye) 生產(chan) 規模的 擴大和產(chan) 能的提升，用能成本也不斷上升，企業(ye) 越 來越關(guan) 注能源成本的控製和能源效率的提升。另 外，雙碳政策的推進，多元化的分布式能源供應是 企業(ye) 未來能源供給的趨勢，但傳(chuan) 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(yu) 降碳方麵已經取得了顯 著的進展。政府積極推動雙碳工作，采取了一係 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(wei) 企業(ye) 減排溫室氣體(ti) 、推動 行業(ye) 綠色低碳轉型提供了重要平台。此外，社會(hui) 各界對雙碳工作的關(guan) 注度也在不斷提高，積極參 與(yu) 降碳、減汙、擴綠、增長，推動生產(chan) 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(yu) 降碳方麵仍麵臨(lin) 一些挑戰和不足。 首先，產(chan) 業(ye) 低碳轉型麵臨(lin) 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(chan) 業(ye) 升級，都是需要解 決(jue) 的問題。然後，能源結構調整也是一個(ge) 重要挑 戰。我國在能源消費結構上仍然以化石能源為(wei) 主，如何加快清潔能源的發展，解決(jue) 能源安全保 障、機製理順和技術創新等問題，是實現碳中和目 標的關(guan) 鍵［4］ 。最後，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(chan) 業(ye) 結構存在差異，因此，需要建 設一套適合企業(ye) 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 管理平台。

1.1現代企業(ye) 智能化能源管理係統的控製與(yu) 服務方向

　　工業(ye) 製造業(ye) 、能源產(chan) 業(ye) 作為(wei) 我國社會(hui) 經濟的支柱產(chan) 業(ye) ，近年來也麵臨(lin) 著產(chan) 業(ye) 結構不科學合理、能源消耗量高等的問題。因此，依托於(yu) 分層式的能源數據信息管理係統，對於(yu) 現代企業(ye) 的智能化能源控製與(yu) 服務，主要包括數據采集、篩選處理與(yu) 分析，以及生產(chan) 設備在線監視與(yu) 控製、能源消耗與(yu) 利用等的管理方向。

　　(1)數據采集、篩選處理與(yu) 分析。能源管理控製係統的信息采集層，負責利用現場采集儀(yi) 表、異構通訊采集設備等，實時采集生產(chan) 工藝、能源消耗與(yu) 應用的數據信息，並通過現場控製中心作出采集層信息的簡單篩選與(yu) 處理，以此作

為(wei) 生產(chan) 工藝與(yu) 流程監視、報警的參考依據。

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

　　(3)能源消耗與(yu) 利用。工業(ye) 能源消耗數據的處理與(yu) 管理，是依據能源管控係統的數據處理層、決(jue) 策層，對涉及電力、燃氣、蒸汽與(yu) 壓縮空氣等能源，作出全麵的監控、處理與(yu) 分析。而後利用能源消耗、能源調度的監控數據，作為(wei) 生產(chan) 設備監測、能源消耗預測、能源負荷平衡、成本控製與(yu) 優(you) 化的依據，完成一係列能源數據的決(jue) 策應用。

2、軟件模塊設置

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

智能化能源管控平台的軟件係統結構

隨後借助於(yu) 網絡計算機、PLC可編程邏輯控製器、RTU遠程終端單元、Web服務器等的軟硬件，搭建起用於(yu) 能源管控係統後台、交互的人機界麵(HMI)。當多種企業(ye) 生產(chan) 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地址是否屬於(yu) 本域內(nei) 。

（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、並通過域名轉換，與(yu) 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後，在Historian數據庫服務器、0racle服務器、PI數據庫支持下，由能源管控中心係統將數據采集、處理的指令信號，發送至報表係統、Web發布係統等，再使用智能化電子令牌異構控製模塊，將企業(ye) 生產(chan) 現場設備運行數據、能源消耗數據，傳(chuan) 回至多個(ge) 管理服務器端口。

3、智能化能源管理係統在企業(ye) 中應用的能耗控製功能實現

　　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(guan) 係型數據庫係統支持下，搭建起用於(yu) 數據信息存儲(chu) 、數據傳(chuan) 輸與(yu) 操作指令控製、用戶服務的智能化能源管控係統。

　(1)總配電子係統。電力配電係統(TN-C)為(wei) 三相三線、三相四線製配電係統，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(ye) 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，而配電子係統管理模塊可通過儀(yi) 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，包括係統產(chan) 能、分表用能、環比負載等的數據信息，以及整個(ge) 配電係統拓撲結構的穩定性。

　(2)生產(chan) 設備數據配置。選用生產(chan) 現場儀(yi) 表、無線智能電表、XL10智能信號采集器，從(cong) 電力生產(chan) 企業(ye) 的機器中，采集生產(chan) 機器運行、待機、故障、停機的運行狀態信號，得到生產(chan) 設備的實時電流、電壓、功率、故障等數據，並將生產(chan) 運行數據上傳(chuan) 至電力服務器，或經由不同區的網絡交換機端口，傳(chuan) 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(yi) 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(chan) 用能數據，並通過Modbus協議、DL/T645協議、HTTPS協議、I/0接口等，將實時監測到的係統不同周期能耗、噸煤能耗情況，傳(chuan) 回至智能化能源運維管理平台，對錄入的數據指標整合為(wei) 能耗統計報表，提供數據報表下載和導出，分析並反映各單位月度或企業(ye) 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(ye) 的上位監測站中，布置高壓開關(guan) 觸頭、溫度傳(chuan) 感器、感煙傳(chuan) 感器、XL10智能信號采集器，並設置設備過限預警標準、能耗需量報警值，監測不同時間點、不同係統支路的生產(chan) 運營情況，掌握在電力生產(chan) 最大負載下，電力企業(ye) 係統可能發生的設備故障、能源消耗與(yu) 利用過限等問題，提出針對性的問題改進與(yu) 解決(jue) 方案。

4、智能化能源管理控製係統的網絡組織架構、功能、軟硬件組成

4.1能源管理控製係統的網絡框架結構

　　現場通過廠區局域網和平台通訊，平台搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之後，客戶可以在任意能與(yu) 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。

係統可分為(wei) 三層：即現場設備層、網絡通訊層和平台管理層。

現場設備層：主要是連接於(yu) 網絡中用於(yu) 水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀(yi) 表等，也是構建該配電、耗水、耗氣係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(wei) 本公司各係列帶通訊網絡電力儀(yi) 表、溫濕度控製器、開關(guan) 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(guan) 、網絡交換機等設備。智能網關(guan) 主動采集現場設備層設備的數據，並可進行規約轉換，數據存儲(chu) ，並通過網絡把數據上傳(chuan) 至搭建好的數據庫服務器，智能網關(guan) 可在網絡故障時將數據存儲(chu) 在本地，待網絡恢複時從(cong) 中斷的位置繼續上傳(chuan) 數據，保證服務器端數據不丟(diu) 失。

平台管理層：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。

平台采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

首先第一層為(wei) 企業(ye) 能源數據采集層，是利用生產(chan) 現場計量儀(yi) 表、AI異構通訊模塊、數據板卡ME等，搜集產(chan) 品生產(chan) 的工藝信息、設備運行信息、能源使用信息，完成工業(ye) 生產(chan)

控製係統內(nei) 的正向數據采集。

而後在工業(ye) 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係統之間的網絡連接，進行主站點、子站點等生產(chan) 單元的數據信息傳(chuan) 輸控製。由EMS能源管理控製係統，向企業(ye) 內(nei) 的產(chan) 品生產(chan) 、工業(ye) 製造車間發送指令信號，實時傳(chuan) 輸某一周、某一月的生產(chan) 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，各車間的現場控製中心，負責指令信號響應、

能源消耗數據采集處理、並逆向傳(chuan) 送相關(guan) 的響應數據。

第二層為(wei) 數據運算、處理與(yu) 調度層級。通過通訊管理機進行數據信息處理、運算後，存儲(chu) 至數據庫服務器之中。

最外層為(wei) 能源數據決(jue) 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(wei) 數據流轉換、能源管理功能的控製核心，建立起數據集中處理與(yu) 分析的數學模型，通過各主站點、子站點生產(chan) 單元的傳(chuan) 輸數據計算，得出生產(chan) 設備控製數據、成本優(you) 化數據、能源預測與(yu) 平衡數據、能源負載與(yu) 綜合利用數據的結果。

這裏智能化能源管控子站的數據采集係統，包含CPU控製終端處理器、異構通訊采集設備、生產(chan) 現場儀(yi) 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，用於(yu) 主站管理控製係統、各子站係統的網絡連通，以及PLC控製器、網絡交換機之間的設備對接。

　根據以上圖2的EMS智能化管控係統的網絡硬件結構可以得出：智能化能源管控子站的services服務係統，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牆、220V雙路供電電網，通過以太網通訊模塊、AI異構通訊傳(chuan) 送，形成能源子站UPS運行信號、ICV服務器管理係統的連接，並完成二者之間企業(ye) 生產(chan) 運行數據、能源消耗數據的傳(chuan) 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製總係統，發出過限報警、故障報警信號，以便於(yu) 專(zhuan) 業(ye) 技術人員及時處理解決(jue) 問題。

5平台設計與(yu) 功能

5．1 係統平台設計

智慧能源管理平台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，實現雲(yun) 端建模、設計及部署，簡化了客戶端的維護工作，為(wei) 以業(ye) 務模式為(wei) 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(chu) 和處理的要 求，存儲(chu) 在係統中的曆史數據可*不刪除，係統不 會(hui) 因為(wei) 數據量的攀升影響到存儲(chu) 和訪問速度。遵 循係統應用插件規範進行二次開發，開發的功能 模塊插件可無縫配置到應用界麵中使用。

5．2 係統實施

每家工廠實施能碳管理係統建設，首先是製 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(chan) 線進行配置，將能耗數據 與(yu) 管理架構進行對應關(guan) 聯，全麵的展示出能源管 理的範圍和深度。

功能

AcrelEMS企業(ye) 微電網能效管理係統提供基於(yu) 行業(ye) 特點細分的能效管理解決(jue) 方案，支持有線/無線方案接入各類智能設備，並提供多種第三方係統接口協議，融合企業(ye) 微電網電力監控、能耗統計、電能質量分析及治理、智能照明控製、主要用能設備監控、充電樁運營管理、分布式光伏監控、儲(chu) 能管理等功能，通過一個(ge) 平台即可全局、整體(ti) 的對企業(ye) 電網進行進行集中監控、統一調度、統一運維，滿足企業(ye) 用電可靠、安全、節約、有序用電要求。平台支持中英文切換，現已應用於(yu) 多個(ge) 行業(ye) 和地區用戶側(ce) 能源管理和電力運維平台，單個(ge) 平台已接入1600多個(ge) 用戶變電所數據，提供能源分析和運維管理功能。

圖3AcrelEMS能效管理平台應用

電力監控

對企業(ye) 高低壓變配電係統的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償(chang) 櫃及電纜等配電相關(guan) 設備的電氣參數、運行狀態、接點溫度進行實時監測和控製，監測企業(ye) 微電網主要回路的電能質量並進行治理，對故障及時處理並發出告警信息，提高企業(ye) 供電可靠性。

圖4電力監控功能

能耗分析

采集企業(ye) 電、水、燃氣等能源消耗，進行分類分項能耗統計，計算單位麵積或單位產(chan) 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(ye) 碳排放，為(wei) 企業(ye) 製定碳達峰、碳中和路線提供數據支持。

圖5能耗分析功能

照明控製

智能照明控製功能可以根據企業(ye) 情況實現定時控製、光照感應控製、場景控製、調光控製等，並結合紅外傳(chuan) 感器、超聲波傳(chuan) 感器，實現人來燈亮、人走燈滅，並可以根據係統的控製策略實現集中控製，為(wei) 企業(ye) 節約照明用電。

圖6照明控製功能

分布式光伏監控

監測企業(ye) 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製。

圖7分布式光伏發電監測

儲(chu) 能管理

監測儲(chu) 能係統、電池管理係統(BMS)和儲(chu) 能變流器(PCS)運行，包括運行模式、功率控製模式，功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲(chu) 能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度，根據企業(ye) 峰穀特點和電價(jia) 波動以及上級平台指令設置儲(chu) 能係統的充放電策略，控製儲(chu) 能係統充放電，實現削峰填穀，降低企業(ye) 用電成本。  

圖8儲(chu) 能管理

充電樁運營管理 

監測企業(ye) 充電樁的運行狀態，提供充電樁收費管理和狀態監測功能，並根據企業(ye) 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(ye) 微電網穩定安全運行。

圖9充電樁管理

自定義(yi) 駕駛艙

可根據用戶的關(guan) 注點自行繪製所需的駕駛艙頁麵，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(yi)

數據采集和數據監測

 實時監測各配電櫃的電壓、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,並利用各種圖形的方式進行表示，用於(yu) 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(chuan) 感器、智能斷路器等設備，對配電回路的剩餘(yu) 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(ti) 的室內(nei) 場所，安裝獨立式煙感或可燃氣體(ti) 探測器，檢測這些場所是否存在煙霧和可燃氣體(ti) 。

圖13電氣消防安全管理

能源收費管理

適用於(yu) 物業(ye) 租賃方對出租物業(ye) 的能源收費管理，支持水電一體(ti) 化收費管理，具備租戶開戶、銷戶、退差操作，支持分時電價(jia) 和階梯電價(jia) 設置和功率過載閾值設置，可對接支付應用程序實現自助支付。

圖14能耗收費管理

充電樁運營管理

當用戶要管理多個(ge) 充電站的充電樁時可把充電樁自助接入平台，實現對充電樁狀態的監測和掃碼、刷卡充電收費管理。在用電高峰期如充電負荷過高超出供電變壓器承受範圍還可以自動設置充電功率限製或新增充電限製，或投入新能源，確保能源供應安全。

圖15充電樁運營管理

照明控製管理

可遠程控製照明設備的開關(guan) ，並可以根據光照度、經緯度日出日落時間和時間設置策略來自動控製燈光，節約照明能源。

圖16照明控製管理

碳排放分析

統計用戶的碳排放量並追蹤碳排放足跡，提供碳排放清單，進行配額核算和配額考核。

圖17碳排放分析

4.3硬件設備組成

　不同工業(ye) 及能源企業(ye) 的智能化能源管理係統，通常為(wei) 環形網絡連接、星形網絡連接的結構，形成層級式連接的工業(ye) 環網，其中管控中心主站點負責下屬多個(ge) 子站的控製，具體(ti) 能源管理係統的子站環網結構如下圖2所示。

5、結論

　　展望未來，智慧能源管理平台將成為(wei) 企業(ye) 能 碳管理的重要工具。隨著技術的不斷進步與(yu) 應用的深入，這一平台將不斷優(you) 化和完善，為(wei) 企業(ye) 提供 更加全麵、高效的能源管理服務。 同時，企業(ye) 也將 通過智慧能源管理，實現可持續發展，為(wei) 構建綠色 低碳的社會(hui) 環境貢獻力量。

參考文獻

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