浅谈煤矿企业能耗在线监测系统的设计

摘要：煤矿企业在为国民经济发展提供核心动力的同时也消耗着大量能源。“双碳”目标这一国家战略给煤矿企业生产提出了挑战，也为其技术升级、节能增效提供了机遇和驱动力。能耗“双控”是实现“双碳”目标的必由之路，而对煤矿企业能耗及碳排放情况进行在线监测、精细管理、科学决策是实现能耗“双控”、节能增效的基础。

关键词：高能耗；能耗双控；大数据采集；能耗核算；数字化转型

0、引言

根据《国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》规划部署的碳达峰、碳中和路线，各行业相继提出碳达峰和碳中和的目标和实施方案，“30、 60”也成为了煤炭等能源生产企业的指导目标。

《自然资源部煤炭行业绿色矿山建设规范》要求各矿企应建立矿山生产全过程能耗核算体系，通过采取节能减排措施，控制并减少单位产品能耗、物耗、水耗，减少“三 废”排放。陕西省发改委和生态环境厅也要求各矿企按照《陕西省绿色矿山管理办法》《关于推进用能单位能耗在线监测系统建设的通知》提升能源统计监测能力，健全能耗统计监测和计量体系，加强用能单位能耗在线监测系统建设。

1、概况

陕西煤业《“双碳”工作行动方案(暂行)》等文件中要求：各单位要提高节能管理信息化水平，要开展能耗在线监测系统的建设，应用信息化手段推动环保和能源 管理与节能降耗工作，深挖生产环节的节能减排空间，确保阶段性节能目标实现。

结合陕西煤业要求，以行业发展现状为背景，以各矿需求为切入点，以切实解决问题为目标，同时响应国家相关政策，开发节能环保能耗在线监测管理平台，帮助企业对能耗情况进行在线监测、精细管理，对污染排放情况，及时进行污染预防，避免超标排放，满足各类环保要求，提高运维工作效率，逐步实现清洁生产。

煤矿企业生产本身是一个复杂系统，生产链条长，耗能设备多，耗能种类多，产生的工业“三废”多。当前煤矿企业侧重于对生产环节进行智能化改造，对能耗监管投入略显不足。

本文就是基于矿区实际情况，构建一套能耗监管系统，通过本系统的实施，对全矿区的所有能源数据进 行监测、计量、管理、分析、预测，构建全矿各部门、各能耗设备的水、电、热量、柴油等能源记录数据的历史数据库，并把相关数据上传至股份公司以及省市平台。

2、研究方向及内容

2.1 能耗单元的实时计量统计管理

本研究将实时采集各级用能单位或高耗设备能耗信息，自动完成计量、记录、统计及定制报表等功能。对全矿区用能情况按照高耗能设备、重要工序、办公楼宇、各级用能单位进行分层管理。

2.2 构建数据模型，实时预警

重要设备、重要工序、各级用能单位，结合有效产出数据，构建数字化能耗以及能效模型，进行同比、环比及对标分析，实现能耗预警。

2.3 建立节能技改数据支撑

基于长期的能源能耗监测数据，终形成能源大数据诊断报告，结合全矿区生产工艺，为中长期节能技改方案提供强大的数据和决策支撑。

2.4 建立能耗管理指标依据

在精细管理、降耗提效的方针下，为煤矿企业管理建立健全能耗量化管理数据的依据。

2.5 能耗管理决策分析

通过一定时间的数据累积，从不同角度对能源消耗情况进行分析预测，提供防止能源浪费、降低能耗、合理规划使用能源的决策支持。

2.6 系统管理与信息发布

快速、准确地提供各种能耗数据信息，可通过智能化综合管控平台统一发布。

2.7 各类平台对接

可提供相对应接口，实现与省能管平台无缝对接。

3 、系统功能体系结构设计

3.1 系统设计原则

系统采用分散采集、综合监控、集中管理的模式。系统设计遵循可靠性、兼容性、规范性、经济性、可扩展性等原则。

能耗数据采集原则为：

各类能源总关口，即重要用能单位配置。

在能耗统计分析中具有重要意义的用能单位或设备。在数据接口开放的情况下，计量数据尽量从现有系统中采集，降低投资成本。

3.2 系统网络架构

图 1 系统网络整体架构图

能耗在线监测管理系统监测点分布在矿区范围内不同地点，分布范围广且分散。基于以上特点系统网络结构采用分布式结构，以光纤环网为骨干网(部分使用现有4G网络) 星型电气连接各个子系统，系统通过现场总线或I/0方式连接检测设备。

系统采用B/S(浏览器/服务器)模式。管理层应用服务器通过以太网交换机与数据库服务器连接，通过与信息管理系统网络的联网，支持和股份公司能耗平台、省市监管平台，矿区综合管控平台无缝对接，支持远程客户浏览访问。

系统管理层根据矿测能耗监测和管理需要，分别实现能源数据采集、存诸、分析、计算，提供能耗统计、能耗预警、同比/环比分析、能流图、能源看板、能源报表等业务功能模块，另外，还有系统管理、信息设置、能源系统建模等系统功能模块的开发，同时实现同股份公司平台以及省平台的无缝对接。

3.3系体软件加构及功能

图 2 系统软件体系架构图

能耗在线监测管理子系统从全矿组织架构、各生产环节、能耗设备角度、分别进行能源数据采集、存储、分析、计算，为管理人员提供能耗统计、能耗预警、同比/环比分析、能耗分析、对标分析、能流图、能源看板、能源报表等业务功能模块，另外，还有系统管理、信息设置、能源系统建模等系统功能模块。

边缘数据采集层:主要完成各类能耗数据和有效产出数据采集。边缘采集器向下需要支持常见的工业通信接口和协议，向上需要支持云平台数据通信协议。

数据平台层:主要负责数据存储、分类、计算等。业务应用层:主要完成各种能源信息的统计、分析，包括能耗统计、能耗分析、能耗预警、对标分析、综合报表管理、数据查询等。

4、系统主要功能

4.1 信息管理层主要功能如下

计划调度。实现生产计划、设备及备件计划管理。提供与陕煤股份层系统的接口，实现系统对接。

能效管理。满足企业需求，实现能效管理。

设备管理。满足企业需求，实现设备管理。主要包括生产设备及计量设备基础信息、运行信息、操作记录、预警、故障等管理。

动力指标管理。主要包括动力控制指标的管理。

综合报表管理。可以根据企业需求，自动生成所需的报表，也可根据自身需求定制页面和编辑报表。报表主要包括能源动力相关的各类制式报表，包括各类生产及消耗报表等。

综合管理。主要包括平面管理、流程管理、制度管理、资料管理、用户管理、权限管理、交接班管理、生产管理、帮助管理等。

WEB 发布。实现能源管理的信息共享。

4.2 集中监控层主要功能如下：

动态图形监控:设置动态工艺流程画面及单台主机流程画面， 图形动画显示，实时显示各工位号参数及设备运行状态，对于涉及面比较广的子系统，可以设置多个画面。

实时数据监控:在工艺流程画面显示数据的基础上，实现栅格形式汇总实时显示各工艺参数，设备状态，栅格底色应根据所显示数据的归属分类不同而加以区别，做到一目了然，以便于操作人员集中监视系统状态。

远程操作:对所有设备进行远程遥控操作，通过鼠标实现对现场设备(启/停)、电动阀(开/闭)进行操作，根据权限设密码保护。

预警及报警功能:有关参数超限报警及设备故障报警，发出声光提示，可实时指令打印，有中文提示并自动记录。报警根据紧要程度、事故等级区别对待，通过不同的报警提示音和颜色加以区别。并设立维修模式，保障在维修、检测状态下，可以关闭自动报警功能。

实时趋势图:实时显示各工艺参数的变化趋势，如流量、温度、压力、电流、频率等，有助运行操作人员和管理人员实时掌握生产工艺参数变化情况;

报表: 设班报、日报、月报、年报，分别按分类报表及汇总报表并实时打印，报表设置可根据需求进行调整功能，可根据实际需要和临时变动，随时对报表数据的筛选和计算公式、函数参量进行调整。

数据采集 诸存 记录和发布：系统具有各种工艺参数、设备状态、计量数据的采集、诸存、记录功能。各种信息按照不同功能要求分别写入实时历史数据库或管理数据库，供能源管理系统软件使用。系统监控画面和相关信息可以通过WEB方式发布，以便于管理人员通过网络访问和远程浏览。

系统管理:统一管理操作人员、维护工程师、能源管理人员等相关人员的安全操作权限，以保证本系统的安全保密性，防止非法用户对生产控制和重要数据的侵害；

能源管理系统通过开放的以太网OPC标准接口实现与其它管理系统的集成。

5、安科瑞企业能源管控系统概述

安科瑞企业能源管控系统采用自动化、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、应用场所

钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。

7、系统结构

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。

平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

8、系统功能

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。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。

8.1平台登录

在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

8.2大屏展示

用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

8.3首页

首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

8.4数据监控

对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

• 能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。
  • 能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；
  • 配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。
  • 实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；
  • 数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；
• 检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；

8.5视频监控

接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

8.6变压器监控

展示各电压器的负载情况，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，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。

8.8仪表实时监控

展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。

8.8能源中控

将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

8.9用能统计

从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

8.10成本分析

统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

8.11产品单耗统计

与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

8.12绩效分析

对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、指定时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。

8.13运行监测

系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

8.14自定义能耗报表

用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。

8.15同比、环比

提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。

同比

环比

8.16分析报告

以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

8.18能耗设备用能

监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。

8.18线损分析

根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。

8.19碳排放管理

按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。

8.20电能质量监测

实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。

8.21运维管理

系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。

8.22报警管理

针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。

8.23能耗抄表

可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。

8.24能耗分析自定义时间抄表

可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。

8.25容需量报表

提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。

8.26复费率报表

对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。

8.28文档管理

对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。

8.28 3D可视化大屏

对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。

8.29 3D子系统

对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。

8.30工业组态

可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。

8.31自定义驾驶舱

可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

8.32基础数据管理

对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。

8.33手机APP

APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。

8.34知识产权证书

9、系统硬件配置

10、结论

本系统基于矿区现有相关能耗数据和增加新的能耗采集点，结合大数据分析平台，以低碳发展为目标，以智慧矿山建设为导向，构建了一套能耗及碳排放监管系统。填补数据服务于现场现场能耗监测的空白，充分挖掘煤矿海量数据的价值，起到数字化转型示范作用。符合国家煤矿数字化转型发展规划，是典型的数字化转型案例。

同时通过一套完善的能管系统，运用目前的数据采集技术，把各个区域的能耗数据串联起来，综合监测、综合分析、综合管控，综合管理。实现节能减排、实现国家2030“碳达峰”战略性政策目标。主要体现在以下几点:

在接入现有电力计量系统的基础上，对公司的用电情况按照高耗能设备、重要工序、办公楼宇、各级用能单位进行分层监管。

将各类锅炉的用电、烧煤燃气情况，以及胶轮车的耗油量纳入监管系统。尽管水、压空、蒸汽作为含能工质折成标准煤后占比相对较小，但为了分析供排水、压风、锅炉等系统的能效，也对其进行采集计量。

对生产过程中附带产生的煤矸石、矿井水、瓦斯、二氧化碳等工业“三废”进行监测，并综合考虑地面绿化对二氧化碳的吸收情况，对矿业公司整体碳排放量进行核算。

面向重要设备、重要工序、各级用能单位构建数字化能耗及碳排放模型，进行同比、环比及对标分析，实现适时预警。

结合有效产出数据，为重要设备、重要工序构建能效模型，分析设备运行状态，为矿业公司经济运行提供依据。

利用监管系统积累的大数据，对矿业公司更多层级的能耗、能效及碳排放情况进行预测，为管理部门决策提供参考。

参考文献

1. 陈永光.邢涵.王鹏.基于矿区的能耗在线监测研究[J].工程建设.2023.6(9):126-128
2. 廖大强.数据采集技术[M].北京：清华大学出版社,2022.
3. 安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.
4. 安科瑞企业能源管控平台.2020.08版.

作者简介:陈芳芳，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为工业能源管理系统。