浅谈智慧能源管理系统在钢铁行业中的应用

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浅谈智慧能源管理系统在钢铁行业中的应用

2024-11-05 05:23 点击次数：183

安科瑞陈聪

摘要：钢铁行业作为能源消耗高密集型行业，在能源利用和碳排放方面面临着巨大的挑战。在“双碳"目标的背景下，加强钢铁企业的能源管理，提高能源利用效率，对于推动行业绿色发展和实现碳中和目标具有*强的现实意义和深远的历史意义。为了有效应对这一挑战，本文提出构建一套适用于企业发展的智慧能源管理平台。该平台以综合能源协同利用为核心，通过精细化计量、科学核算和智能调控，能有效降低碳排放和用能成本。

1、引言

2020 年 9 月 22 日，第七十五届联合国大会一般性辩论上向世界宣布了中国的新达峰目标与碳中和愿景。“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。"2023 年 2 月 6 日，中国节能协会制定并发布了《零碳工厂评价规范团体标准管理办法》: 鼓励利用自身的资源优势，加大与政府、企业的合作，帮助企业在降碳同时，积极对接投融资机构，为减排企业引入绿色融资机会，实现减排的正面收益。努力打造“零碳工厂"，助力碳达峰碳中和目标的早日实现［1］。随着企业生产规模的扩大和产能的提升，用能成本也不断上升，企业越来越关注能源成本的控制和能源效率的提升。另外，双碳政策的推进，多元化的分布式能源供应是企业未来能源供给的趋势，但传统的工厂能源管理水平已不能适应多样化的用能形式，亟需探索一种智慧能源管理的新模式［2］。

目前我国在碳中和与降碳方面已经取得了显著的进展。政府积极推动双碳工作，采取了一系列措施来推进节能减排和低碳发展。全国碳市场的建设也在稳步进行，为企业减排温室气体、推动行业绿色低碳转型提供了重要平台。此外，社会各界对双碳工作的关注度也在不断提高，积极参与降碳、减污、扩绿、增长，推动生产生活方式的低碳化、绿色化［3］。然而，尽管取得了一些成绩，我国在碳中和与降碳方面仍面临一些挑战和不足。首先，产业低碳转型面临稳增长、降成本、促创新等多重约束。在推进低碳转型的过程中，如何在保持经济增长的同时降低碳排放、提高能源利用效率，以及推动技术创新和产业升级，都是需要解决的问题。然后，能源结构调整也是一个重要挑战。我国在能源消费结构上仍然以化石能源为主，如何加快清洁能源的发展，解决能源安全保障、机制理顺和技术创新等问题，是实现碳中和目标的关键［4］。最后，区域发展不均衡也加大了双碳工作的统筹协调难度。不同地区的经济发展水平、资源禀赋和产业结构存在差异，因此，需要建设一套适合企业发展的、满足综合能源协同利用的、能够有效降低碳排放和用能成本的智慧能源管理平台。

1.1现代企业智能化能源管理系统的控制与服务方向

工业制造业、能源产业作为我国社会经济的支柱产业，近年来也面临着产业结构不科学合理、能源消耗量高等的问题。因此，依托于分层式的能源数据信息管理系统，对于现代企业的智能化能源控制与服务，主要包括数据采集、筛选处理与分析，以及生产设备在线监视与控制、能源消耗与利用等的管理方向。

(1)数据采集、筛选处理与分析。能源管理控制系统的信息采集层，负责利用现场采集仪表、异构通讯采集设备等，实时采集生产工艺、能源消耗与应用的数据信息，并通过现场控制中心作出采集层信息的简单筛选与处理，以此作

为生产工艺与流程监视、报警的参考依据。

(2)生产设备在线监视与控制。工业或热电企业生产的能源消耗监测，主要通过能源管理控制系统，搜集内部不同生产设备的数据信息，包括产品生产的运行信息、能源使用信息，对多种生产设备实时监控的信息作出整合，并与过限报警、故障报警装置形成连接，可实现生产设备安全运用中的能源信息监控目标。

(3)能源消耗与利用。工业能源消耗数据的处理与管理，是依据能源管控系统的数据处理层、决策层，对涉及电力、燃气、蒸汽与压缩空气等能源，作出全面的监控、处理与分析。而后利用能源消耗、能源调度的监控数据，作为生产设备监测、能源消耗预测、能源负荷平衡、成本控制与优化的依据，完成一系列能源数据的决策应用。

2、软件模块设置

（1）现代企业智能化能源管控平台，主要基于Windows操作系统、SCADA数据采集与监视控制软件，进行现场设备的硬件数据测量、运行数据采集、自动化监控控制、信号报警等。这一能源消耗与应用管理的任务执行过程中，由域服务器、其他管理与备份服务器支持，在SCADA网络数据采集、处理与管理系统中，设置信号滤波、量程转换、用户脚本执行、事件记录、报警检查、历史存储等的组件。

智能化能源管控平台的软件系统结构

随后借助于网络计算机、PLC可编程逻辑控制器、RTU远程终端单元、Web服务器等的软硬件，搭建起用于能源管控系统后台、交互的人机界面(HMI)。当多种企业生产设备、电力或热能能源子站接入网络时，4由域服务器确定以下信息：(1)此网络计算机的IP地址是否属于本域内。

（2）用户账号是否存在、登录信息的输入是否正确，若有一项不正确则拒绝登录。

（3）在域服务器中部署DNS服务，使用DNS解析子站域名、并通过域名转换，与子站主机的IP地址进行一一对应。

在以上能源子站的用户身份及权限验证完成后，在Historian数据库服务器、0racle服务器、PI数据库支持下，由能源管控中心系统将数据采集、处理的指令信号，发送至报表系统、Web发布系统等，再使用智能化电子令牌异构控制模块，将企业生产现场设备运行数据、能源消耗数据，传回至多个管理服务器端口。

3、智能化能源管理系统在企业中应用的能耗控制功能实现

在Historian数据库服务器、Oracle服务器、PI数据库等硬件，以及B/S架构、MyEcplice开发工具、MySQL关系型数据库系统支持下，搭建起用于数据信息存储、数据传输与操作指令控制、用户服务的智能化能源管控系统。

(1)总配电子系统。电力配电系统(TN-C)为三相三线、三相四线制配电系统，包括高压配电线路、变电站、配电站、配电房等的组成结构。在电力企业发电、电力输送过程中，由供电电源向不同用电区域、用电设备，合理有效分配电力资源，而配电子系统管理模块可通过仪表能耗监测装置，实时查看各支路的用电情况、能源消耗状况，包括系统产能、分表用能、环比负载等的数据信息，以及整个配电系统拓扑结构的稳定性。

(2)生产设备数据配置。选用生产现场仪表、无线智能电表、XL10智能信号采集器，从电力生产企业的机器中，采集生产机器运行、待机、故障、停机的运行状态信号，得到生产设备的实时电流、电压、功率、故障等数据，并将生产运行数据上传至电力服务器，或经由不同区的网络交换机端口，传回至智能化能源管控中心。

(3)能耗报表指标分析。利用现场仪表、数据采集器、异构通讯采集器等设备，搜集在日、周、月、季度等周期的生产用能数据，并通过Modbus协议、DL/T645协议、HTTPS协议、I/0接口等，将实时监测到的系统不同周期能耗、吨煤能耗情况，传回至智能化能源运维管理平台，对录入的数据指标整合为能耗统计报表，提供数据报表下载和导出，分析并反映各单位月度或企业的用能情况、能耗利用效率。

(4)故障信号报警/预警。在电力企业的上位监测站中，布置高压开关触头、温度传感器、感烟传感器、XL10智能信号采集器，并设置设备过限预警标准、能耗需量报警值，监测不同时间点、不同系统支路的生产运营情况，掌握在电力生产最大负载下，电力企业系统可能发生的设备故障、能源消耗与利用过限等问题，提出针对性的问题改进与解决方案。

4、智能化能源管理控制系统的网络组织架构、功能、软硬件组成

4.1能源管理控制系统的网络框架结构

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：

首先第一层为企业能源数据采集层，是利用生产现场计量仪表、AI异构通讯模块、数据板卡ME等，搜集产品生产的工艺信息、设备运行信息、能源使用信息，完成工业生产

控制系统内的正向数据采集。

而后在工业级交换机、单模光缆等网络设备支持下，采取环形、星形相结合的网络结构，建立起不同自动化监控系统之间的网络连接，进行主站点、子站点等生产单元的数据信息传输控制。由EMS能源管理控制系统，向企业内的产品生产、工业制造车间发送指令信号，实时传输某一周、某一月的生产能源消耗信息，包括能源设备运行状态、能源介质总用量等信息，各车间的现场控制中心，负责指令信号响应、

能源消耗数据采集处理、并逆向传送相关的响应数据。

第二层为数据运算、处理与调度层级。通过通讯管理机进行数据信息处理、运算后，存储至数据库服务器之中。

最外层为能源数据决策应用层。这一层级包含中央交换机、客户端、工程师站等组成结构，其中由中央交换机作为数据流转换、能源管理功能的控制核心，建立起数据集中处理与分析的数学模型，通过各主站点、子站点生产单元的传输数据计算，得出生产设备控制数据、成本优化数据、能源预测与平衡数据、能源负载与综合利用数据的结果。

这里智能化能源管控子站的数据采集系统，包含CPU控制终端处理器、异构通讯采集设备、生产现场仪表、TCP/IP通讯协议、AI异构通讯模块、EN2T以太网通讯模块等的硬件设施，用于主站管理控制系统、各子站系统的网络连通，以及PLC控制器、网络交换机之间的设备对接。

根据以上图2的EMS智能化管控系统的网络硬件结构可以得出：智能化能源管控子站的services服务系统，是在能源管控中心的主结构下，设置基础能源管理服务器、GIS地理服务器、Web发布服务器、ICV网络管理服务器、I/0服务器、备份服务器、目录服务器、PI实时数据库等的任务处理模块。

在此基础上，将不同能源子站接入网络防火墙、220V双路供电电网，通过以太网通讯模块、AI异构通讯传送，形成能源子站UPS运行信号、ICV服务器管理系统的连接，并完成二者之间企业生产运行数据、能源消耗数据的传输发送。当UPS运行信号发生故障的情况下，基础能源管理服务器、ICV网络管理服务器等模块，将向智能化能源管理控制总系统，发出过限报警、故障报警信号，以便于专业技术人员及时处理解决问题。

5平台设计与功能

5．1 系统平台设计

智慧能源管理平台采用去中心化的分布式网络构架设计如图 2 所示，采用 B / S 模式，实现云端建模、设计及部署，简化了客户端的维护工作，为以业务模式为基础的功能模块扩展提供软件支撑基础。满足集团海量实时数据地存储和处理的要求，存储在系统中的历史数据可*不删除，系统不会因为数据量的攀升影响到存储和访问速度。遵循系统应用插件规范进行二次开发，开发的功能模块插件可无缝配置到应用界面中使用。

5．2 系统实施

每家工厂实施能碳管理系统建设，首先是制定出符合管理要求的能碳管理架构，该架构可以随着管理需求的变化而灵活调整。能碳管理架构可按照厂区、车间、生产线进行配置，将能耗数据与管理架构进行对应关联，全面的展示出能源管理的范围和深度。

功能

AcrelEMS企业微电网能效管理系统提供基于行业特点细分的能效管理解决方案，支持有线/无线方案接入各类智能设备，并提供多种第三方系统接口协议，融合企业微电网电力监控、能耗统计、电能质量分析及治理、智能照明控制、主要用能设备监控、充电桩运营管理、分布式光伏监控、储能管理等功能，通过一个平台即可全局、整体的对企业电网进行进行集中监控、统一调度、统一运维，满足企业用电可靠、安全、节约、有序用电要求。平台支持中英文切换，现已应用于多个行业和地区用户侧能源管理和电力运维平台，单个平台已接入1600多个用户变电所数据，提供能源分析和运维管理功能。

图3AcrelEMS能效管理平台应用

电力监控

对企业高低压变配电系统的变压器、断路器、直流屏、母排、无功补偿柜及电缆等配电相关设备的电气参数、运行状态、接点温度进行实时监测和控制，监测企业微电网主要回路的电能质量并进行治理，对故障及时处理并发出告警信息，提高企业供电可靠性。

图4电力监控功能

能耗分析

采集企业电、水、燃气等能源消耗，进行分类分项能耗统计，计算单位面积或单位产品的能耗数据以及趋势，对标主要用能设备能效进行能效诊断，计算企业碳排放，为企业制定碳达峰、碳中和路线提供数据支持。

图5能耗分析功能

照明控制

智能照明控制功能可以根据企业情况实现定时控制、光照感应控制、场景控制、调光控制等，并结合红外传感器、超声波传感器，实现人来灯亮、人走灯灭，并可以根据系统的控制策略实现集中控制，为企业节约照明用电。

图6照明控制功能

分布式光伏监控

监测企业分布式光伏电站运行情况，包括逆变器运行数据、光伏发电效率分析、发电量及收益统计以及光伏发电功率控制。

图7分布式光伏发电监测

储能管理

监测储能系统、电池管理系统(BMS)和储能变流器(PCS)运行，包括运行模式、功率控制模式，功率、电压、电流、频率等预定值信息、储能电池充放电电压、电流、SOC、温度，根据企业峰谷特点和电价波动以及上级平台指令设置储能系统的充放电策略，控制储能系统充放电，实现削峰填谷，降低企业用电成本。

图8储能管理

充电桩运营管理

监测企业充电桩的运行状态，提供充电桩收费管理和状态监测功能，并根据企业负荷率变化和虚拟电厂的调度指令调节充电桩的充电功率，使企业微电网稳定安全运行。

图9充电桩管理

自定义驾驶舱

可根据用户的关注点自行绘制所需的驾驶舱页面，包括能源预收费、充电桩运营、电梯、空调、照明等各种设备的能耗统计、收益统计、运维情况等。

图10能源物联网驾驶舱定义

数据采集和数据监测

实时监测各配电柜的电压、电流等电力参数，实现遥测、遥信、遥控。实时监测各配电室温湿度、烟感、水浸等环境参数。监视变压器的运行状态及用能参数，测算损耗，找出经济运行区间，降低能源损耗。

图11数据采集和监测

能耗统计分析

主要是对能耗的数据、能耗分项以及区域能耗和能耗指标等进行统计。其中还包含总能耗定比,也就是指实际消耗的能量所占据总能量的百分比,并利用各种图形的方式进行表示，用于综合能耗分析。

图12能耗统计分析

电气和消防安全管理

接入电气火灾探测器、无线测温传感器、智能断路器等设备，对配电回路的剩余电流、线缆温度等火灾危险参数进行实时监控和管理。在消防水池、消防水箱等地方安装消防水位表，检测消防水位的变化；消防水管、喷淋等地方安装消防水压表，检测消防管道的压力。在家庭、宾馆、公寓等存在烟雾、可燃气体的室内场所，安装独立式烟感或可燃气体探测器，检测这些场所是否存在烟雾和可燃气体。

图13电气消防安全管理

能源收费管理

适用于物业租赁方对出租物业的能源收费管理，支持水电一体化收费管理，具备租户开户、销户、退差操作，支持分时电价和阶梯电价设置和功率过载阈值设置，可对接支付应用程序实现自助支付。

图14能耗收费管理

充电桩运营管理

当用户要管理多个充电站的充电桩时可把充电桩自助接入平台，实现对充电桩状态的监测和扫码、刷卡充电收费管理。在用电高峰期如充电负荷过高超出供电变压器承受范围还可以自动设置充电功率限制或新增充电限制，或投入新能源，确保能源供应安全。

图15充电桩运营管理

照明控制管理

可远程控制照明设备的开关，并可以根据光照度、经纬度日出日落时间和时间设置策略来自动控制灯光，节约照明能源。

图16照明控制管理

碳排放分析

统计用户的碳排放量并追踪碳排放足迹，提供碳排放清单，进行配额核算和配额考核。

图17碳排放分析

4.3硬件设备组成

不同工业及能源企业的智能化能源管理系统，通常为环形网络连接、星形网络连接的结构，形成层级式连接的工业环网，其中管控中心主站点负责下属多个子站的控制，具体能源管理系统的子站环网结构如下图2所示。

类型

型号

外观

产品功能

中高压微机保护装置

AM6、AM5SE

实现110kV至10kV回路的保护、测量和自动控制功能

电能质量在线监测装置

APView500

实时监测电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、谐波等电能质量，记录各类电能质量事件，记录事件发生前后的波形，辅助用户分析电能质量发生的原因,定位扰动源。

动态谐波无功补偿系统

AnCos*/*-G Ⅰ型

同时具备谐波治理、无功功率线性补偿与三相电流平衡治理和稳定电压的功能,响应时间快，精度高、运行稳定，能根据系统的无功特性自动调整输出，动态补偿功率因数；

计量电能表

DTSD1352

具有全电量测量，电能统计，80A内可直接接入，导轨安装。

费控电能表

DDSY1352-Z

计量单相用户电流、电压、分时电能，复费率设置，适用8种季节模式、8个时段费率、14个时间段设置，内置分断开关，可分断60A以内单相电流，支持射频卡刷卡或远程充值。

费控电能表

DDSY1352-XDM

单相预付费电能表，支持1路单相进线，3~5路单相出线，分别用于照明、插座、空调、卫生间等独立控制，具备恶性负载识别功能。

费控电能表

DTSY1352-Z

计量单个三相用户电流、电压、分时电能，复费率设置，适用8种季节模式、8个时段费率、14个时间段设置，内置分断开关，可分断80A以内三相电流，支持射频卡刷卡或远程充值。

费控

多用户表

ADF400L-Y

最多计量36个单相回路或者12个三相回路的电能计费，具备分时电价复费率设置，内置分断开关，可分断80A以内三相电流。可根据用户数量组装模块数量。

物联网仪表

ADW300W

主要用于计量中低压配电的三相电气参数，采集状态量并控制断路器，可灵活安装于配电箱内，自带开口式互感器，可实现不停电安装，具备RS485、4G、LoRaWan无线通信功能，适用于配电系统数字化改造。

单相电子式计量表

ADL200

单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。总电能计量（反向计入正向），3个月历史电能数据冻结存储；8位段式LCD显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能2级。

三相电子式计量表

ADL400

三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。（正、反向）有功、无功电能计量；A、B、C 分相正向有功电能计量；2-31次谐波电压电流；12位段式LCD显示、背光显示，电能精度0.5s级。

单相预付费电表

DDSY-4G

单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量（正、反向），A、B、C分相正向有功电能，支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率最大需量及发生时间，实时需量，历史冻结数据购电记录；8位段式LCD显示、背光显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能0.5s级。

三相预付费电表

DTSY-4G

三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量（正、反向），A、B、C分相正向有功电能，支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率最大需量及发生时间，实时需量，历史冻结数据购电记录；8位段式LCD显示、背光显示；有功电能脉冲输出；有功电能精度1级，无功电能0.5s级。

多功能电力仪表

AEM96

三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、最大需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史极值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、开关量、报警输出通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU 协议

AEM72

三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、最大需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史极值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、开关量、报警输出

通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU 协议

ACR系列

三相所有电力参数、最大需量记录（ACR320EFL）、分时电能统计及12月电能统计、日期时间显示、LCD显示、RS485通讯，事件记录。

通讯方式：RS485，Prifibus-DP、以太网

APM系列

全电量测量，四象限电能，复费率电能，仪表内部温度测量，总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量及最大需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月极值和上月极值(包含时间戳)。中文显示，有功电能0.2s级。通讯方式：RS485，Prifibus-DP、以太网

直流电能表

DJSF1352