浅谈工业能源管理信息系统的架构和功能

摘要: 针对工业企业能源管理信息系统( EEMIS) 建设过程中缺乏能效诊断技术的问题，在传统信息系统和自动化系统的基础上，通过机理建模和机器学习相结合的方法，研究了用能设备、耗能工序和能量系统的能效分析模型，提出了一种新型的EEMIS的结构和功能，并开发了软件，弥补了EEMIS在能效分析诊断方面的不足，增强了系统的实用性。

关键词: 能源管理; 能效; 信息系统

引 言

在工业企业能源管理信息系统(Enterprise En-ergy Management Information System，EEMIS)的开发过程中，能效分析技术的缺乏是导致系统失效的主要问题之一。传统的信息系统(如ERP)可以从统计规律的角度去分析数据，而在EEMIS中，用能对象的运行状况与能效规律密切相关。如果没有能效分析技术的支持，能效问题往往只能“模糊”处理，无法解释现象背后的本质规律，导致节能潜力的识别和改进措施的提出均受到限制。 

针对工业企业能源管理信息系统建设过程中缺乏能效诊断技术的问题，在传统信息系统和自动化系统的基础上，通过机理建模和机器学习相结合的方法，研究了用能设备、耗能工序和公用工程系统的能效分析模型，提出了一种新型的企业能源管理信息系统的结构和功能，并开发了软件。 

1 系统软件结构

系统针对工业企业用能特点，按照企业设备级、车间级、厂级的三级能源管理网络进行设计和开发。EEMIS 充分利用了企业现有的系统资源，可在企业ERP/CRM等IT系统以及DCS/SCADA等自动化系统的基础上，通过应用程序接 口实现不同系统间的数据同步。其他系统无法提供的数据可以通过安装电子仪表来进行补充采集，节约了项目初始的投资费用。EEMIS的软件结构如图1所示。

2 系统的基本功能

系统采用PHP的MVC架构模型实现，采用了LAMP开发技术、可视化程序设计、面向对象编程、 数据库等多项软件技术，实现了系统的各项功能。 

2.1 能源数据采集 

能效数据分为实时和非实时两种。实时数据一般来自于企业在线监测系统，也可以通过安装数字仪表来补充缺少的数据，在预设的时间间隔内实现自动收集，并存储到实时数据库中，从而实现能效指标的在线计算与动态分析，如图2所示。非实时获取的数据可以从企业IT系统中获取，或者由工作人员直接录入到EEMIS系统中。

为了保证数据的准确，需要对数据进行验证。常用的方法是将非同源的数据放在一起进行比较，也可以和历史数据对比来发现异常。对于异常的数据应该进一步分析并解释原因，错误的数据剔除，以免对能效分析产生干扰。

2.2 基础信息管理

基础信息一般包括企业基本信息管理、计量仪表档案信息管理、设备档案信息管理、培训及资料信息管理、能源管理委员会( 或称之为节能*小组) 信息管理、新闻公告信息管理、行业政策信息管理、技术文档信息管理、系统的初始化及设置管理等内容。 

开发基础信息管理功能的主要目的是为了增强EMIS运行的易用性，避免每个功能模块在使用时还需要重新配置内容和结构。

2.3 节能绩效管理 

考核管理是企业提升节能绩效的重要手段。企业能源利用的好坏，可以通过能源消费量、投入产出比、能源利用率、节能减排量、能源成本等能耗指标反映出来。将这些指标纳入企业考核体系，能够提高企业能源管理的效果。若进一步对这些指标进行对标分析，如企业内部的能耗基准(限额、目标值、历史数值等)以及外部行业基准(国内外行业平均、法规标准值、行业准入值等)进行比较，还可以进一步挖掘节能潜力的机会，如表1、图3所示。

2.4 节能项目管理 

对于工业企业而言，节能效益的绝大部分均来自于节能技改项目的实施结果。为了保证节能项目的顺利实施，提高管理效率和效果，借助信息技术手段对节能项目进行管理则成为一个方法。EEMIS提供节能技改方案设计、改造过程信息管理、项目节能效果评估功能，辅助工作人员对项目实施后的长期运行状况进行监控，确保节能效果的持久。 

2.5 能源运行管理 

传统的能源管理过程是基于人工管理的离线过程。在工业信息化高速发展的今天，只能完成离线能源管理的EMIS已经不能满足部分企业高速发展的需要。对于很多企业而言，设备、生产工艺等用能对象一般都已经实现基于产品生产和安全运行为目标的高度自动化。在此基础上，该系统以能源较优运行为目标，开发了企业能源运行的在线管理功能。 

该系统的能源运行管理包括动力能源管理、能源供应管理、能源消费管理。同时涉及采购、运输、仓储、动力、生产消费等多个环节。数据来源于同一数据库，各个部门围绕统一的信息进行分析和决策。 

2.6 企业能效管理 

企业能效管理主要解决企业用能对象的能效评价、节能诊断与优化改进三方面的问题，管理的对象包括企业耗能设备、工艺和能量系统三个层次。 

能效评价指对上述用能对象的能效状况进行分析评估，包括能源结构分析、能源消费流向分析(见图4) 、负荷分析、趋势分析、能效指标计算及对比、企业能量平衡、能量品质分析、对象(如动力生产、照明、大型耗能设备等)性能评估等。节能诊断指确定存在节能潜力的位置并量化节能潜力数值，包括能效影响因素分析、节能潜力分析(见图5)、减排潜力分析等; 优化改进包括能量系统优化、能效决策分析、企业清洁生产等内容。

能效管理由能效分析模块来实现运算与分析功能。每个能效分析模块采用了机理建模和机器学习相结合的方法，根据不同用能对象的用能特征逐个分析建立。下面以用能设备能效的在线监测模型为例，建模过程如下: 

1) 首先采用机理建模的方法，建立以能效目标为因变量、可控影响因子为自变量的能效特性方程以及约束条件。不同影响因子之间可能存在一定的耦合性，这种耦合性通常会使能效特性方程失去实际应用的价值。在该系统能效模型的建立过程中，采用以能量利用的规律为主、统计分析为辅的方法来确定不同自变量之间的关系，将可控影响因素之间的耦合度降低。 

2)然后采用机器学习的方法，使模型具备在线运行环境的自适应学习能力。当被监测对象的能源消费模式发生显著变化时，依据原有模式建立的能效模型会超出使用范围。机器学习技术可以很好地解决此类问题，按此建立的模型可以根据新的样本数据进行自我修正，从而获得新模式下的运算能力。

能效模型采用组件的开发方式形成软件模块，根据企业的实际需要选取不同种类的模块进行功能拼接和拓展，从而形成一个满足不同行业企业能效管理需要的模块仓库。图6所示为一个能效分析模型的内部功能及核心技术。

3 安科瑞工业能耗系统介绍

安科瑞工业能耗系统采用自动化、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、重大能耗设备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、用能预测、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。

3.1 系统结构

3.2 系统功能

3.2.1 大屏展示

大屏展示企业水电气当前用量、能源消耗趋势、产能走势、各类能源占比、各类能源消耗日/月/年同比,以及当前天气情况、污染情况，并三维展示企业重要工艺或工段的能源消耗动态。

3.2.2 能源看板

展示企业电能峰平谷能耗统计占比，区域或重要工艺综合能耗占比和统计分析，碳排放量核算；并从企业管理需求出发，展示监测区域的能耗比例、公司单位产品能耗和单位产值能耗同比分析，让企业一目了然地掌握能源消耗水平，以便及时做好节能减排策划。

3.2.3 能耗分析

从能源使用种类、监测区域、生产工艺/工段时间、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。

3.2.4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。

3.2.5 移动端支持

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、效率分析、同环比分析、能耗折标、用能预测、运行监视、异常报警等。

3.3 现场设备选型

4 结语

随着我国工业企业原材料和人力成本上涨、产品竞争加剧以及节能环保的压力日益增加，越来越多的企业开始重视并着手建设企业能源管理信息系统。能效分析模块是企业能源管理信息系统重要的基础支持，也是系统开发的难点。 

本文提出了基于能效分析模块的企业能源管理信息系统的总体架构和基本功能，并开发了应用软件，增强了企业能源管理信息系统在能效分析方面的实用性，为未来研究更高要求的企业能源管理信息系统开拓了思路。

参考文献

[1]吕进，楼振飞．面向服务架构的能效管理平台开发研究[J]．上海理工大学学报，2009，31(5): 506－510．

[2]宋小磊，陈贵军，赵书平.工业企业能源管理信息系统研究[J].

[3]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2019.11版.