淺析冶金企業(yè)能源管理系統(tǒng)

冶金工業(yè)能耗居高不下和環(huán)境質(zhì)量不如人意是長期困擾冶金企業(yè)的難題。采用信息技術(shù)作為平臺，綜合新技術(shù)、新工藝、配套技術(shù)和管理措施，減少消耗，形成安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和高效的能源供給系統(tǒng)，對于降低鋼鐵生產(chǎn)成本，改善環(huán)境質(zhì)量，提高產(chǎn)品的市場競爭力具有極為重要的意義。

鋼鐵廠的能源消耗約占鋼鐵成本的20%～40%。不同的裝備水平，工藝流程，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和能源管理水平對能源消耗都會產(chǎn)生不同的影響。實(shí)用經(jīng)濟(jì)的節(jié)能技術(shù)、數(shù)字化的平衡輸配系統(tǒng)和基礎(chǔ)能源管理是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的基礎(chǔ)技術(shù)措施。建設(shè)公司一體化的集中統(tǒng)一的能源管理系統(tǒng)是數(shù)字化能源管理的技術(shù)支持措施，也是大型鋼鐵企業(yè)提高節(jié)能效益的重大技術(shù)裝備措施，應(yīng)從企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的高度認(rèn)識建設(shè)企業(yè)能源管理系統(tǒng)的必要性和迫切性。本文介紹了冶金企業(yè)能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，探討了其技術(shù)路線及發(fā)展。

作為冶金企業(yè)自動化和信息化的重要組成部分，EMS不僅對能源的統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化煤氣平衡、減少煤氣放散、提高環(huán)保質(zhì)量、降低噸鋼能耗和提高勞動生產(chǎn)率有重要作用，而且對于事故預(yù)案的制定和執(zhí)行、事故原因的快速分析和及時(shí)判斷處理、能源供需的合理調(diào)整和平衡以及在客觀信息基礎(chǔ)上的能源實(shí)績分析、能源計(jì)劃編制、能源質(zhì)量管理、能源系統(tǒng)的預(yù)測等都是十分有效的。

1）完善能源信息的采集、存儲、管理和能源的有效利用

EMS對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和加工，能源調(diào)度人員和專業(yè)能源管理人員就能實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)狀態(tài)，經(jīng)過系統(tǒng)的合理調(diào)整，確保系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

2）在公司層面對能源系統(tǒng)采用分散控制和集中管理

EMS將在公司全局角度審視能源的基本管理需求，滿足能源工藝系統(tǒng)分散特性和能源管理需要集中的客觀要求，以適應(yīng)鋼廠的戰(zhàn)略發(fā)展需要。

3）減少管理環(huán)節(jié)，優(yōu)化管理流程，建立客觀能源消耗評價(jià)體系

實(shí)現(xiàn)在信息分析基礎(chǔ)上的能源監(jiān)控和能源管理的流程優(yōu)化再造，滿足能源設(shè)備管理、運(yùn)行管理等的自動化，建立客觀的以數(shù)據(jù)為依據(jù)的能源消耗評價(jià)體系，向管理要效益。

4）減少能源系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高勞動生產(chǎn)率

EMS的建設(shè)，對能源管理體制的改革將發(fā)揮重要作用。其基本目標(biāo)之一是可以實(shí)現(xiàn)簡化能源運(yùn)行管理，減少日常管理的人力投入， 節(jié)約人力資源成本，提高勞動生產(chǎn)率。

5）加快系統(tǒng)的故障處理，提高對全廠性能源事故的反應(yīng)能力

EMS能迅速從全局的角度了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，故障的影響程度等，及時(shí)采取系統(tǒng)的措施，限制故障范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，并有效恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6）通過優(yōu)化能源調(diào)度和平衡指揮系統(tǒng)，節(jié)約能源和改善環(huán)境

EMS將通過優(yōu)化能源管理的方式和方法，改進(jìn)能源平衡的技術(shù)手段，實(shí)時(shí)了解鋼廠的能源需求和消耗的狀況，能有效地減少高爐煤氣的放散，提高轉(zhuǎn)爐煤氣的回收率，采用綜合平衡和燃料轉(zhuǎn)換使用的系統(tǒng)方法，使能源的合理利用達(dá)到一個(gè)新的水平。

7）為進(jìn)一步對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析、加工和處理提供條件

能源管理系統(tǒng)的建設(shè)，不僅可有效解決能源實(shí)時(shí)平衡管理和監(jiān)控管理，還可以通過對大量歷史數(shù)據(jù)的歸檔和管理，為進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析、加工和處理創(chuàng)造條件。

能源管理系統(tǒng)在企業(yè)信息化系統(tǒng)中具有重要的地位，公司級ERP或MES完成對包括能源管理系統(tǒng)在內(nèi)的信息集成和一貫制管理，以實(shí)現(xiàn)公司生產(chǎn)、經(jīng)營的過程優(yōu)化和提高公司的總體效率，進(jìn)而提高公司的市場競爭力。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，能源管理系統(tǒng)建設(shè)的基本技術(shù)路線是：

1）規(guī)劃先進(jìn)的能源SCADA系統(tǒng)

能源工藝系統(tǒng)分散，面廣量大。數(shù)據(jù)采集對象的選擇應(yīng)按照工藝監(jiān)控的實(shí)際要求、能源系統(tǒng)輸配和平衡的要求、能源管理的精度和粒度要求謹(jǐn)慎選擇。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)宜采用分散方式，以減少系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)和提高系統(tǒng)的安全性和可維護(hù)性。根據(jù)能源系統(tǒng)的特點(diǎn)和具體情況，綜合采用與之適應(yīng)的基本技術(shù)：

①行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控和管理技術(shù)；②現(xiàn)代安全網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)；③數(shù)據(jù)庫及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)；④預(yù)測和平衡優(yōu)化技術(shù)；⑤集成式GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)；⑥數(shù)字化運(yùn)行和調(diào)度技術(shù)；⑦異構(gòu)系統(tǒng)無縫集成技術(shù)。

2）設(shè)計(jì)集中統(tǒng)一的“數(shù)字化”的能源輸配及平衡控制應(yīng)用系統(tǒng)

“數(shù)字化”的能源輸配及平衡控制應(yīng)用系統(tǒng)是指在上述基本技術(shù)基礎(chǔ)上，利用信息技術(shù)手段，實(shí)時(shí)地再現(xiàn)工藝系統(tǒng)的過程映象，使運(yùn)行管理和調(diào)整決策建立在可靠的過程信息之上。調(diào)度人員能夠在能源控制中心對系統(tǒng)的動態(tài)平衡進(jìn)行直接控制和調(diào)整，從而減少管理控制環(huán)節(jié)，提高工作效率，尤其在工藝系統(tǒng)故障時(shí)的處理指揮和即時(shí)系統(tǒng)調(diào)整方面，體現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性。

3）建立系統(tǒng)化的能源成本中心管理平臺

EMS從成本控制的角度，優(yōu)化能源管理體制，合理定義能源系統(tǒng)的成本中心。EMS在系統(tǒng)規(guī)劃、架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能配置和應(yīng)用集成等方面全面反映能源系統(tǒng)本質(zhì)的管理特征，根據(jù)效益最大化的原則配置能源管理要素，通過能源管理系統(tǒng)的計(jì)劃編制、實(shí)績分析、質(zhì)量管理、平衡預(yù)測、能耗評價(jià)等技術(shù)手段對能源生產(chǎn)過程和消耗過程進(jìn)行管理評價(jià)。

4）與ERP或MES系統(tǒng)的無縫集成能源管理

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與ERP系統(tǒng)的無縫集成，是確保能源管理功能完整實(shí)現(xiàn)和ERP系統(tǒng)信息完整的重要技術(shù)保證。能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)管理任務(wù)之一是實(shí)現(xiàn)按成本中心模式，向ERP系統(tǒng)提供完整的能源系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，ERP也將按能源管理和預(yù)測分析的需要，向能源管理系統(tǒng)提供公司的生產(chǎn)計(jì)劃、檢修計(jì)劃和相關(guān)的生產(chǎn)實(shí)績信息。信息的交互作用能較好地解決能源系統(tǒng)評價(jià)中的不科學(xué)因素，在公司層面及時(shí)掌握能源消耗情況，并對環(huán)境狀況作出估計(jì)。

安科瑞公司研發(fā)的企業(yè)能源管理系統(tǒng)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集基于安科瑞自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)電力儀表，在信息傳遞方面，基于Acrel-3000系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換、分檢服務(wù)系統(tǒng)，這樣企業(yè)各應(yīng)用程序得到的，都是各自訂閱的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可大幅度提高數(shù)據(jù)處理的效率。

能源數(shù)據(jù)包括三種：能源供給狀態(tài)數(shù)據(jù)、能源供給整點(diǎn)數(shù)據(jù)、能源供給累加數(shù)據(jù)，每種數(shù)據(jù)都有不同的應(yīng)用范圍。而能源供給狀態(tài)數(shù)據(jù)是所有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，其它兩種數(shù)據(jù)是通過儀器、儀表、手工錄入或計(jì)算程序得到，是其它應(yīng)用系統(tǒng)需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。因此，安科瑞的能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，就是在擷取能源供給狀態(tài)數(shù)據(jù)的同時(shí)，能將其它應(yīng)用程序需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)分檢出來，主動發(fā)送到各應(yīng)用程序，滿足各部門的辦公、處理需要，在監(jiān)測的同時(shí)，滿足結(jié)算、決策的需求。

安科瑞Acrel-3000電能管理組態(tài)軟件是上海安科瑞電氣股份有限公司總結(jié)多年的開發(fā)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量的用戶需求而設(shè)計(jì)開發(fā)的高端產(chǎn)品。Acrel-3000電能管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見下圖。

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

Acrel-3000型電能管理系統(tǒng)可對低壓設(shè)備消耗的電能進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量。其軟件運(yùn)行于windows操作系統(tǒng)，包括windows2000、windows NT、windowsXP等windows系列操作系統(tǒng)。系統(tǒng)除了與本公司自主研發(fā)的儀表良好兼容外，還支持?jǐn)?shù)百種硬件設(shè)備，包括目前流行的各種板卡、儀表、PLC等。支持各種常用電力通信規(guī)約，如部頒CDT規(guī)約、POLLING、1801、101、DNP等電力規(guī)約。

按照國家對電能計(jì)量的相關(guān)要求，本系統(tǒng)對耗電量進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，包括：
　　1）照明插座用電：為建筑物主要功能區(qū)域的照明、插座等室內(nèi)設(shè)備用電。主要包括建筑物內(nèi)的照明和插座用電、應(yīng)急照明用電、室外景觀照明用電等。

　　2）空調(diào)用電：主要包括冷熱站用電、空調(diào)末端用電。

　　3）動力用電：主要包括電梯用電、水泵用電、通風(fēng)機(jī)用電等。

　　4）特殊用電：主要包括信息中心、洗衣房、廚房餐廳、游泳池、健身房或者其他特殊用電。

能源管理系統(tǒng)，作為大中型鋼鐵企業(yè)ERP和MES的重要組成部分，在企業(yè)信息化系統(tǒng)中具有重要的地位，其基本功能劃分為三大部分：

①信息處理子系統(tǒng)

信息處理子系統(tǒng)的基本功能是數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控，它是能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)子系統(tǒng)，包括了最基本的SCADA系統(tǒng)功能：a）不同需求的數(shù)據(jù)采集（周期采集、中斷采集、SOE）；b）分類數(shù)據(jù)歸檔（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、短時(shí)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、記錄）；c）實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)節(jié)；d）邏輯分析處理（條件聯(lián)鎖、越限報(bào)警等）；e）人機(jī)界面（過程圖、過程曲線、設(shè)定和查詢等）；f）管理報(bào)表（瞬時(shí)報(bào)、正點(diǎn)報(bào)、日報(bào)、月報(bào)等）；g）基本數(shù)據(jù)處理等。

②故障處理子系統(tǒng)

故障處理子系統(tǒng)主要包括：監(jiān)測；分級報(bào)警（按輕、重故障分類）；信息記錄和歸檔（按類別）；故障基本分析（時(shí)序記錄分析、在線查詢等）；故障分析專家系統(tǒng)等。

③能源管理子系統(tǒng)

能源管理子系統(tǒng)的基本功能包括：a）能源計(jì)劃管理（計(jì)劃編制、跟蹤等）；b）能源實(shí)績管理（實(shí)績分析、歸檔、查詢、平衡分析、成本分析、對標(biāo)分析等）；c）能源質(zhì)量管理（質(zhì)量分析、質(zhì)量跟蹤、趨勢評估、越限警告等）；d）運(yùn)行技術(shù)支持（運(yùn)行方式管理、停復(fù)役管理、操作評估等）；e）預(yù)測分析（在線預(yù)測決策、能耗預(yù)測分析、電力負(fù)荷預(yù)測等）。能源管理系統(tǒng)基本功能。

該表為電能質(zhì)量分析儀表，主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數(shù)、電話波形因子、電流K系數(shù)、電壓與電流不平衡度計(jì)算；電網(wǎng)電壓電流正、負(fù)、零序分量（含負(fù)序電流）測量；4DI+3DO（DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報(bào)警）；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約。外形尺寸：120×120mm，開孔尺寸：108×108mm。適用于高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜，見圖1。

圖1 ACR330ELH電力儀表

（2）低壓聯(lián)絡(luò)或出線回路選ACR220EL電力儀表

該表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì)；4DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議。外形尺寸：96×96mm，開孔尺寸：88×88mm。適用于低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜，見圖2。

ACR120EL電力儀表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì)；2DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議。外形尺寸：開孔尺寸80×80mm，開孔尺寸72×72mm。適用于動力柜，見圖3。

圖3 ACR120EL電力儀表

DTSD1352導(dǎo)軌式電表主要功能：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì)；電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數(shù)。適用于動力柜，見圖4。

圖4 DTSD1352導(dǎo)軌式電表

DTSF1352導(dǎo)軌式電表主要功能：電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數(shù)。適用于照明箱的三相電能計(jì)量，見圖5。

圖5 DTSF1352導(dǎo)軌式電表

照明箱DDSF1352電表主要功能：電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選。外形尺寸：76×89×74mm，4模數(shù)。適用于照明箱的電流、電壓測量；單相電能計(jì)量，見圖6。

圖6 DDSF1352導(dǎo)軌式電表

近年來在能源管理、運(yùn)行決策支持、預(yù)測分析等方面進(jìn)行了探索，取得了較好的效果，為能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和持續(xù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了很好的支持。

一批集成有現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析技術(shù)、預(yù)測評價(jià)技術(shù)、地理信息技術(shù)、調(diào)度決策最優(yōu)化技術(shù)等的能源管理系統(tǒng)將應(yīng)運(yùn)而生。①數(shù)據(jù)分析技術(shù)數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)在不同條件下的應(yīng)用，向業(yè)務(wù)人員提供高端的綜合應(yīng)用和整合信息，協(xié)助能源管理人員提高他們的數(shù)據(jù)應(yīng)用能力，為能源系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化服務(wù)。②預(yù)測評價(jià)技術(shù)SCADA系統(tǒng)能夠完成的數(shù)據(jù)采集是基本的測量數(shù)據(jù)，其完整性受許多條件的限制。利用預(yù)測評價(jià)技術(shù)可以在有限的測量集下，了解系統(tǒng)（如消耗）的變化趨勢。如在電力系統(tǒng)中廣泛使用的中短期負(fù)荷預(yù)測，對大型鋼鐵企業(yè)也是十分必要的。③地理信息技術(shù)能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳輸網(wǎng)絡(luò)遍布全廠的每一個(gè)角落，利用地理信息技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)（線路）地理信息與能源管理系統(tǒng)的無縫結(jié)合，對運(yùn)行管理人員及時(shí)準(zhǔn)確地掌握系統(tǒng)信息，指揮操作人員加快系統(tǒng)故障的分析和處理，提高能源工藝系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性有良好的指導(dǎo)作用。④調(diào)度決策最優(yōu)化技術(shù)大中型冶金企業(yè)的能源工藝系統(tǒng)的復(fù)雜性，使在線能源平衡調(diào)度工作無法達(dá)到理想的狀態(tài)。優(yōu)化能源介質(zhì)的傳輸、合理安排能源介質(zhì)的轉(zhuǎn)換、綜合生產(chǎn)需要和經(jīng)濟(jì)要求的能源分配、動態(tài)評估能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，是解決能源系統(tǒng)的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必然要求。建立企業(yè)能源系統(tǒng)調(diào)度決策最優(yōu)化模型是達(dá)到上述要求的有效手段。

建設(shè)公司級能源管理系統(tǒng)，是現(xiàn)代大中型冶金企業(yè)實(shí)施信息化工程的需要。它可以改進(jìn)能源系統(tǒng)的運(yùn)行管理和安全管理水平，完善能源生產(chǎn)和使用的評價(jià)體制，提高勞動生產(chǎn)率，減少能源消耗，增加能源回收，改善環(huán)境質(zhì)量，對提高公司的市場競爭力具有重要意義。Acrel-3000能源管理系統(tǒng)技術(shù)不僅提高運(yùn)行管理效率，而且實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)無人值守和投產(chǎn)以來的連續(xù)不間斷穩(wěn)定安全運(yùn)行方面取得了很大的成績，在節(jié)能降耗方面也取得了可喜成果。

[1]上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2010.08版.