工业企业能耗在线监测通用技术研究及应用

摘要:围绕重点用能单位能耗在线监测系统建设工作，文中介绍了系统的建设背景和主要内容，分析了工业企业实现能耗数据在线采集、实时监测的总体技术路线和方法建议，提出了通用技术要求。
关键词:工业企业;能耗在线监;系统建设;通用技术

0引言
       随着节能工作向系统化、精细化、信息化方向发展，节能领域运用物联网、大数据等信息技术手段深挖、细挖节能潜力成为必然趋势。为此，国家从“十二五”开始建设覆盖全国一万多家重点用能单位的能耗在线监测系统。通过该系统，可以全面、准确、及时地掌握全国和分地区、分行业能源消费总量及其构成，提高节能宏观调控的针对性和有效性。建设能耗在线监测系统，是推进能源生产和消费革命、深化创新节能工作的必然选择，是企业进一步挖掘节能潜力、提高能源管理精细化水平的客观需要，也有利于培育和发展节能环保战略性新兴产业，促进经济结构转型升级。
 
1能耗在线监测系统建设的有关背景
       “十一五”期间，国家建立了重点用能单位能源利用状况报告制度，对重点用能单位能源利用状况实行年度管理。2011年，国家发展改革委、教育部、工业和信息化部、财政部等十二部门联合发布《万家企业节能低碳行动实施方案》，提出要建立万家企业能源利用状况在线监测系统。2012年，《国务院关于印发节能减排“十二五”规划的通知》则进一步提出开展重点用能单位能耗在线监测体系建设试点工作。从2014年下半年开始，国家组织开展能耗在线监测试点，选取北京、河南、陕西3个省市的电力、钢铁、石油石化3个行业的部分重点用能单位开展试点。2015年以后，国家对能耗在线监测系统建设提出了新的要求，在《关于加快推进生态文明建设的意见》、“十三五”规划《纲要》、《“十三五”节能减排综合工作方案》等文件中再次提出了建设能耗在线监测系统的明确要求。2017年，国家发展改革委、原质检总局联合印发《重点用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方案》，明确要求在试点基础上推进能耗在线监测系统建设，到“十三五”末期，基本建成连接各省(区、市)重点用能单位、相关部门和行业数据共享的能耗监测系统，为政府部门统筹能源发展与生态文明建设、强化能源消费总量与强度“双控”提供支撑，为重点用能单位提质降本增效提供服务。
 
2能耗在线监测系统的建设内容
       能耗在线监测系统主要包括三部分建设内容:一是建设省级平台。省级平台是监测系统的区域性公共服务平台，部署在各省(区、市)电子政务外网和互联网，支持接入市级平台数据，至少应达到国家信息安全等级保护二级的要求。省级平台由省级节能主管部门、质监部门负责建设，要优先使用政务云等计算资源，符合国家对政务信息系统整合共享的工作要求。二是对接国家平台。各省级平台要按照统一的技术标准，将监测数据上传到国家平台。国家平台部署在国家电子政务外网和互联网，由国家发展改革委负责建设，主要功能是接入、汇总、分析各省级平台或重点用能单位直接上传的数据，为能源消费总量与强度“双控”及重点用能单位节能管理等工作提供支持。三是建设重点用能单位接入端系统。重点用能单位接入端系统部署在重点用能单位内部，由重点用能单位负责建设。主要功能是，通过计量仪表、工控系统等采集、汇总本单位能耗数据，将数据上传至省级平台，或直接上传至国家平台。
 
3能耗在线监测系统的总体技术路线
3.1总体技术路线
       能耗在线监测系统采用“国家平台+省级平台+重点用能单位端系统”的架构和技术路线(见图1)，为各部委、各级节能主管部门和质监部门、重点用能单位等用户提供不同层次的服务。重点用能单位需按照《用能单位能源计量器具配置和管理通则》(GB17167)配备计量仪表。
 
图1能耗在线监测系统技术路线
       国家平台部署在国家电子政务外网和互联网，由国家发展改革委负责建设，主要功能是接入、汇总、分析各省级平台或重点用能单位直接上传的数据，为能源消费总量与强度“双控”及重点用能单位节能管理等工作提供支持。国家平台达到国家信息安全等级保护三级要求，可以为相关部门提供数据接口，实现信息共享。
    省级平台是监测系统的区域性公共服务平台，部署在各省(区、市)电子政务外网和互联网，支持接入市级平台数据，至少应达到国家信息安全等级保护二级的要求。省级平台由省级节能主管部门、质监部门负责建设，优先使用政务云等计算资源。主要是接收本区域内重点用能单位上传的数据，整合能源供应单位、其他行业节能主管部门系统，按统一的技术标准与国家平台进行数据对接，为本省节能主管部门、质监、住建、交通等相关部门以及重点用能单位等提供支持服务。
       重点用能单位端系统一般由能耗在线监测端设备、计量器具、工业控制系统、生产监控管理系统、管理信息系统、通信网络及相应的管理软件等组成，部署在重点用能单位内部，由重点用能单位负责建设，主要为用能单位提供能源管理服务。
       重点用能单位端系统通过互联网或传输专线等方式将采集到的数据上传至省级平台，再由省级平台经电子政务外网上传国家平台。
3.2技术方法建议
3.2.1完善能源计量器具配备
       企业依法配备能源计量器具，并定期检定或校准，能源计量器具应满足数据采集接口要求。进出用能单位(一级)和进出主要次级用能单位(二级)计量器具配备率和在线率达到100%;企业根据重点耗能设备或工序的能耗情况和仪表安装的可行性，完善主要用能设备(三级)计量器具配备。计量器具配备率和准确度等级达到《用能单位能源计量器具配备和管理通则》(GB17176)的要求。
3.2.2部署完善能源数据采集网络
       开展能源计量仪表(含新增、改造及已有仪表)现场数据采集系统的适应性接入改造，基于已有自动化系统(DCS、PLC及电力综保系统等)，完善现场数据采集网络和工业主干网络，在满足安全性和隔离性技术要求下，实现能源计量数据、能源系统操作和质量数据、关键生产数据集中统一采集到能耗在线监测端设备。
3.2.3开发能耗在线监测系统软硬件系统
       企业能源管理中心信息系统分为三层:数据采集层、数据应用层和人机交互层。数据采集层由企业交互终端和数据采集机(如有必要)组成，企业交互终端内置控制器及智能仪表标准协议，可与全球品牌的控制器和智能仪表实现组态配置通讯接口，内置实时数据库，用于暂存关键数据;内置OPC接口，便于与第三方控制系统或信息系统通讯。企业如果有特殊需要，也可以添置数据采集机，采集机需要预置与生产现场智能仪表、PLC和DCS等现场测量和控制装置的通讯协议，以便于相关数据的采集;数据应用层由多台服务器组成，服务器用于存储数据、存储和运行模型库(数据和数据的固有关系)、存储定制的人机交互界面等;人机交互层，该层由多种形式的人机交互设备组成，可以是大屏幕显示器、PC机或移动终端等，这些设备应方便生产管理人员使用能源管理中心信息系统的各项功能。
3.2.4部署能源集中监控平台
       基于实时数据库和监控图组态系统，建设监控系统。实现对各级(集团、分厂、车间、重要耗能设备)多种能源介质(煤、电、蒸汽、水、燃料气、氮气等)产、存、耗全过程的实时监控，掌握其历史和实时趋势。实时记录能源系统事件，实时掌握能源使用消耗情况，实现对各类产能、供能和用能过程及设备的实时监控、异常报警和分析管理。对重点耗能设备(变压器、锅炉、加热炉、汽机、风机、空压机、泵等)进行能效实时计算与监控，实时监控与优化设备的能源利用率、设备运行与生产负荷之间的匹配度。通过综合监控系统，建设集团、分厂、车间、重要耗能设备四级能源监控系统。
3.2.5健全管理制度
       企业根据生产过程和能量系统特点，制定切合实际的能耗在线监测制度，充分发挥能耗在线监测系统的作用。企业需将能源管理工作提升到与产品质量管理和产量管理同等高度，针对不同产品和不同重点耗能设备或工序，制定能耗预警指标体系;制定节能优化生产操作指南。基于能源管理信息系统分析工具，制定持续改进的节能工作方案，实施在线能效绩效考核管理，落实节能奖惩制度。
4安科瑞重点用能单位能耗在线监测系统
4.1建设意义
       《重点用能单位节能管理办法》规定，重点用能单位包括年综合能源消费量1万吨标准煤以上(含1万吨)的用能单位以及各省、自治区、直辖市有关部门指定的年综合能源消费量5000吨标准煤以上(含5000吨)、不足1万吨标准煤的用能单位。目前在该范围内的重点用能单位全国约17000家，能源消费量占全国能源消费总量的60％，是节能工作的重点对象。
       为贯彻落实《重点用能单位节能管理办法》（国家发改委2018年第15号令）、《国家发改委关于开展重点用能单位“百千万”行动有关事项的通知》（发改环资〔2017〕1909号）和国家发改委办公厅《关于发布“百家”重点用能单位名单的通知》（发改办环资〔2019〕351号），深入推进重点用能单位能源消耗总量和强度“双控”工作，各省市相关主管部门陆续发出通知，要求纳入“百千万”行动的重点用能单位落实节能主体责任，加强节能管理，并按照《重点用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方案》（发改环资〔2017〕1711号）等要求，建设接入端系统并按时接入省级重点用能单位能耗在线监测平台，对未按要求开展重点用能单位能耗在线监测系统建设、未配备和使用能源计量器具的，依法依规责令限期整改，逾期不整改或整改未达到要求的，严格按照有关法律法规进行处罚。
4.2端系统结构
       根据《重点用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方案》的要求，重点用能单位接入端系统部署在重点用能单位内部，由重点用能单位负责建设。
       主要功能:通过计量仪表、工控系统等采集、汇总本单位能耗数据，将数据上传至省级平台，或直接上传至国家平台；重点用能单位接入端系统要通过网闸、防火墙、隔离等安全措施，确保内部系统安全和数据安全；要具备远程升级维保、一端多传、接收国家和省级平台推送信息和用能单位自身能源管理所需的功能。
       安科瑞可为企业接入端系统提供完整解决方案：
 
4.2.1端设备
       企业接入端系统需要从生产过程控制系统中采集能耗相关数据，考虑到企业生产网络与办公网络(互联网)之间并不互通的实际情况，企业接入端系统将通过具备2+1架构的物理隔离装置--能耗在线监测端设备，实现生产网络和办公网络之间的物理连接，在数据传递过程中确保从生产网络（内网）获取的能耗数据以单向传递、隔离加密、文件摆渡的形式安全传递到办公网络(外网)，再通过外网主机侧的CA数字认证证书进行身份认证识别后上传至省(市）级平台。结构如图所示：

4.2.2端设备硬件参数

    (1)单主板采用低功耗处理器；
    (2)单主板内存大小4G；
    (3)硬盘：64G固态硬盘；
    (4)独立双主机“2+1”架构非IP物理隔离；
    (5)带VGA接口，可外接显示器，便于现场维护操作；
    (6)双冗余开关电源，互为备用、支持热插拔，保障端设备的可靠性，具有电源故障声光报警功能；
    (7)8路RS485串口；
    (8)4路千兆以太网；
    (9)4个USB接口，可用于CA证书接口；
4.2.3端设备软件功能
       (1)支持从现场的仪表通过Modbus（GB/T19582）、DL/T645、CJ/T188等协议采集需要的能耗实时数据，并进行汇总生成上报的能耗数据；
       (2)支持从能源网关、DTU、SCADA通过ModbusTCP（GB/T19582）、能耗协议等上传的能耗实时数据，并进行汇总生成上报的能耗数据；
       (3)支持从自动化信息系统通过OPC协议采集需要的能耗实时数据，并进行汇总生成上报的能耗数据；
       (4)支持手工填报数据：对于不具备在线采集条件的数据，提供手工填报数据上传；
       (5)具有基础数据处理、本地存储功能，本地历史数据可存储6个月以上；
       (6)可根据项目情况录入企业基本信息、企业生产层级结构、计量器具档案信息、端设备信息、数据采集项信息等各类基本信息；
       (7)按照《NHJC-04-2018重点用能单位能耗在线监测系统技术规范-端设备接口协议规范》的要求往国家或省级平台上传数据；
       (8)支持断线缓存，保证数据的连续性；
       (9)端设备平台方便用户使用、配置；
       (10)支持人工补录、远程升级；
       (11)用能数据集抄；
       (12)数据上传日志。
4.3ANet系列能源网关
       ANet系列能源网关，可将企业内分散的能源计量器具集中采集后上传至端设备，满足国家办公机关、大型公共建筑、工业企业等能源管理系统中对于水、电、气、油、冷量、热量等各种形式的能耗计量及分项数据采集需求，搭配简单易用的数据配置软件工具，可以快速配置所需采集数据及上传数据中心等各项参数信息。
4.3.1能源网关硬件参数

4.3.2软件功能
       (1)支持多种仪表协议：支持DL/T645、GB/T19582-200（Modbus）、CJ/T188-2004等；
       (2)ModbusTCP实时数据转发；
       (3)分项计量Xml数据报文定时上传；
       (4)数据AES加密；
       (5)断点续传；
       (6)数据存储；
       (7)远程配置及维护；
4.3.3相关报告及证书
       (1)GB/T17626.2-2018《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》4级。
       (2)GB/T17626.6-2017《电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度实验》3级。
       (3)GB/T17626.4-2018《电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》4级。
       (4)GB/T17626.5-2019《电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验》4级。
       (5)GB9254-2016《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》合格。
 
4.4设备选型

 5工业企业能耗在线监测系统建设通用技术要求
       能耗在线监测端系统部署在重点用能单位内部，主要功能是通过计量仪表、工业控制系统等采集、汇总本单位能耗数据，将数据上传至省级平台，或直接上传至国家平台。能耗在线监测端系统要通过网闸、防火墙、隔离等安全措施，确保内部系统安全和数据安全;要具备远程升级维保、一端多传、接收国家和省级平台推送信息和用能单位自身能源管理所需的功能。
       端系统的核心是能耗在线监测端设备，是重点用能单位的信息节点。重点用能单位管理信息系统、生产执行系统、仪表中的能耗相关数据通过有线或无线网络的方式，传输到能耗在线监测端设备。能耗在线监测端设备对采集到的数据进行统计汇总，经验证、筛选、整理打包后，采用HT-TPS进行通道保护传送至上级系统应用平台。能耗在线监测端设备在接入互联网之前应采用防火墙隔离可能来自互联网的网络攻击，可选硬件或软件防火墙。用能单位当前未配置硬件防火墙时，需配置硬件防火墙。
       能耗监测端设备作为连接用能单位生产控制网络与办公网络、互联网的关键节点设备，保障数据传递的安全隔离，即能耗监测端设备数据接入端和数据发送端之间的物理隔离和逻辑隔离，数据接入端网络和数据发送端网络之间的数据交换，只能通过配置的数据，其他数据都被完全过滤无法通过。
       能耗监测端设备需采用“2+1”架构设计，以双主机加专用隔离部件的方式组成，即由内网主机、外网主机、安全隔离数据交互单元三部分组成。用于连接生产控制网络数据输出系统主机(如生产过程控制系统、配电自动化系统、企业生产自动化系统等)网络与企业办公网络，实现两个网络之间的数据传递、安全隔离、信息流访问控制、内容过滤和信息交换等。能耗监测端设备中的内、外部主机通过安全隔离数据交互单元连接(由专用隔离部件构成)，安全隔离数据交互单元是两个网络之间可信物理信道。该内部信道裁剪了TCP/IP等功能网络协议栈，采用私有协议实现协议隔离。对于用能单位能耗数据的采集与远传，属于安全性要求较高而实时性要求相对较低的应用场合，安全隔离数据交互单元还将采用一组互斥的分时切换电子开关实现内部物理信道的通断控制，以分时切换连接方式完成信息摆渡，从而在两个网络之间形成一个不存在实时物理连接的隔离区。
【参考文献】
[1]北京节能环保中心．北京市重点用能单位能耗在线监测试点建设工作经验[J]．中国能源，2018(4):7－9．
[2]杨绍鹏,王璐,时希杰.工业企业能耗在线监测通用技术研究[J].应用能源技术,2021(08):38-41.
[3]安科瑞重点用能单位能耗在线监测系统.2020.10版 
 
作者简介：陈芳芳，女，本科，现就职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为重点用能单位能耗在线监测