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1引言
目前柴里煤矿能耗管理仍然依靠较为传统的人工操作方式,这种方式不仅速度慢,而且极易产生误差,同时无法对数据进行动态分析、动态预警、对标管理,只能事后控制,已经无法满足该矿自身对能耗管理的需要。
柴里煤矿年综合能源消费量16000t标准煤,属于国家重点用能单位,耗电4725万kW•h,耗蒸汽293478万t,耗水21.89万t,年折合价值分别达到2646万元、1681万元、32.84万元。按照国家能源战略和《节约能源法》及国家发展改革委发布的《重点用能单位节能管理办法》的要求,作为重点用能单位,必须加强节能管理,提高能源利用效率,控制能源消费总量,促进生态文明建设。为达到上述目标,必须积极推进能源在线系统平台建设。
2构建能耗在线监测平台的总体思路及技术
2.1总体思路
该平台利用目前比较先进的lora技术进行组网。lora是一种基于扩频技术的远距离低功耗广域网无线传输方式,属于物联网通信技术之一,它的特点就是低功耗、远距离,可以有效地抗击干扰并实现加密。软件开发采用Java语言进行设计,后台数据库采用Mysql存储,整个系统采用B/S架构。该平台利用物联网技术,结合自动采集、信息化管理、数据分析等现代化手段,构建适应柴里煤矿实际需要的能耗在线监测系统,并组织实施,从而逐步提升柴里煤矿能耗管理水平。
2.2流程实现及主要架构
整个系统平台划分为三个层级:第一层级为能效数据采集层,第二层级为网络通信层,第三层级为中心管理层。能效数据采集层是对各种用能设备进行能耗数据在线监测,包括对耗水、耗电、耗汽等信息参数进行采集。网络传输层是通过网络通信方式,将现场采集到的各类参数数据传送到数据采集服务器。中心管理层由路由器、数据库服务器、数据采集服务器、WEB服务器等设备组成。系统通过对柴里煤矿的整体用能信息处理、分析和展现,可以动态了解当前的能耗和生产情况,并客观地做出更好的能源管理决策、管理和调度,建立一种高效落实的生产能源管理体系。
2.3系统软件设计思想及技术
根据能源管理系统实时性、分布式计算,以及与其他子系统互联的要求,采用了开放分布式的设计思想,采用国际标准IEC61970CIM/CIS,面向柴里煤矿电、水、蒸汽等能源介质,对计量数据统一采集、处理、管理,并预留扩展功能,实现了基于Internet的远程维护和网上浏览功能,为矿井能源管理实现全面信息化提供一套先进的、开放的、可扩展的、可靠的管理平台,并在此平台上支持对矿井各种能源数据的高级分析应用。
3构建能耗在线监测平台数据采集系统
3.1硬件设施
按照用能单位能源计量器具配备和管理要求,该平台的电气计量设施设备全部采用国网规范的国网表,精度为0.5s级。该类型计量设备具有计量准确性高、数据格式符合国网规范等优点。用水设施采用外夹式超声波水表,该类型水表具有不需要切割原来的管道、不会对生产生活造成停水、安装方便快捷、计量准确等特点。蒸汽数据采用隔离器将三路输入信号一分为二,新增二次表计的方式,该方式不会对原来表的使用造成影响。
3.2通讯与组网技术
该通信系统基于Lora技术进行组网,实现各类参数与命令的下达、数据的采集及上传,主要由通信基站、计算机终端、集成通信模块的用户设备、具备通信功能的用户设备等组成,如图1。
系统采用了分时间片的组网方式,解决了无线串口收发模块可以一发多收,不能同时多发一收的障碍。
如图2,这种组网方式是先由主机发起广播时间,从机收到后,首先校对并同步本地时间,然后根据配置的编号进行陆续上传,从而实现多发一收的功能。这种组网方式收发数据节约大量时间,并且能够防止同时收发造成的系统冲突。
图1基于Lora的组网通信系统组成示意图
图2分时间片组网图
4构建能耗在线监测平台数据监测终端
4.1监测系统
所有电、水、蒸汽等计量设备的数据传输采用全新的基于Lora技术的无线模块来完成。该技术是一种低功耗局域网无限标准,改变了计量设备的有线数据传输方式,每一处采集点采集到的数据汇总到lora无线模块,而后,此模块以lora协议将数据传输至服务器端的无线接收模块,接收模块再将数据送至数据集中器。该设备替代了本该在每个采集点放置的数据集中器,并且省去很多的485通讯线等辅材及潜在的施工工时,在保证数据稳定的情况下,数据质量完全达到了项目要求。该方案的实施,一是很大程度地降低了成本,由于本项目表计众多,位置复杂,旧表走线复杂,安装分散,无线模块在不改变旧表通讯线走线的情况下直接将数据送至服务器,可以节约大量成本;二是缩短了施工时间,确保了该项目如期完成并通过上级主管部门验收;三是很大程度地避免了重复施工问题和很多潜在的施工安全隐患。
4.2通信设计
本系统组网通信主要是有线485方式和无线Lora方式,通信方式为RTU,通讯协议为MODBUS,确保可以实现点对点通信和点(基站)对多(模块)通信。
5构建能耗在线监测平台信息管理系统
5.1软件功能设计
能源在线监测系统平台总体架构遵循SOA设计理念,采用多层分布式体系架构,在具体实现技术的选择上,针对本项目的功能需求,系统采用C++和JAVA混合的技术路线。其中系统的采集计算平台主要面向采集设备,对于系统的性能、实时性、稳定性和可靠性要求较高,采用C++技术实现;系统中的数据应用主要面向操作人员实现管理分析功能,对于系统的易用性、易维护性和功能的可扩展性要求较高,采用JavaEE技术实现。
5.2软件系统功能特点
5.2.1能耗在线监测系统功能
通过采集安装在现场的各种智能表计、DCS/ERP等系统提供的能耗数据、生产过程数据、设备状态数据、质量数据等,上送至系统主站中,包含电、水、汽、热等能源数据的采集和手工补录、集中器电表等设备的运行状态、越限告警、异常告警等。
5.2.2实时监测功能
可根据实际配电系统组态模拟高压系统图、低压线路图,对高压、低压回路进行实时监控,监测电度、电流、电压、有功功率、无功功率、功率因素等参数。
5.2.3能源数据的分析功能
通过对不同对象的数据及趋势曲线分析,有助于管理者了解各个能源系统的工作状态,并迅速做出决策。
5.2.4能耗报警管理功能
通过能耗分析系统智能感知,将能耗异常(用能定额超标、待机能耗、夜间常流水等)通知相关责任人。
5.2.5报表打印功能
该系统不单能够实现标准模板的打印,同时可以实现自定义数据功能。客户可以对各类报表进行自定义管理、显示,并能够实现全图形、全汉化的显示和打印功能,人机界面较好。系统采用交互式、多窗口技术,可以方便快捷进行窗口调用。
5.2.6后台管理功能
包含档案维护、权限管理、设备管理等功能。
6实施效果
能耗在线监测平台在柴里煤矿实现自动化操作以来,不仅减少人工投入,还大大提高数据的时效性和准确性,据测算,每年可节省电、汽、水抄录、汇总等人工费用90余万元。2020年综合能耗6.02kgce/t,较去年同期(8.50kgce/t)下降2.48kgce/t,能源消费量5404tce,较去年同期(6380tce)下降976tce,初步测算节能效率达15%,节约能源消耗成本70余万元。日常对水、电、蒸汽费用的消耗情况进行实时预警,有效地降低了各项成本费用的支出,合计降低557.75万元。
7安科瑞重点用能单位能耗在线监测系统
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:
7.1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:
7.1.1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;
7.1.2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Modbus TCP(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。
7.2 ANet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。
7.2.1能源网关硬件参数
7.2.2软件功能
(1)支持多种仪表协议:支持 DL/T645 、GB/T 19582-200(Modbus)、 CJ/T 188-2004 等;
(2)Modbus TCP 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;
7.2.3相关报告及证书
(1)GB/T 17626.2-2018《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》4级。
(2)GB/T 17626.6-2017《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/T 17626.4-2018《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/T 17626.5-2019《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》4级。
(5)GB 9254-2016《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》合格。
7.3设备选型
8结语
该平台的构建是利用信息技术推动节能降耗,是提升企业精细化管理水平的重要举措,为企业准确把握和分析节能降耗发展趋势,科学利用能源提供技术支撑,也为政府节能管理部门掌握、分析信息、研究节能改造和制定相关政策措施提供科学的依据。
【参考文献】
[1]陈汉章,高宏涛,吴浩.大型煤炭企业能耗监测系统设计与应用[J].煤炭技术,2019,38(11):159-163.
[2]马勇,刘晓燕,姜沣恩.基于物联网的能耗在线监测平台的构建与实施[J].山东煤炭科技,2021,39(02):173-175.
[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:李婧婧,女,安科瑞电气股份有限公司,主要从事电气防火限流式保护器的研发与应用,手机:13651946738(微信同号),QQ:3007987123,邮箱: 3007987123@qq.com