淺談能源管理系統在電子廠房中的應用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801
摘要：以能耗管理系統在工業廠房的應用為例，介紹了系統架構及功能。重點分析能耗管理系統在工業廠房實施過程中遇到的難點，并對系統采集的數據進行分析，提出了相應的節能措施，幫助該業廠房達到節約能耗和運行費用的目的。
0引言
隨著經濟和社會的持續發展，節能成為關系企業生存與發展的重要因素。當前住房和城鄉建設部正在建設國家機關辦公建筑和大型公共建筑能源管理系統，為建筑節能的建設和發展提供了良好的數據平臺。能源管理系統可以實現對能耗數據的采集、分析和遠傳。本文介紹該系統應用于某工業廠房的情況，將企業的生產管理、計量管理和節能管理提高到一個新的層次。
1項目簡介
該工業廠房位于江蘇省某市經濟開發區，總建筑面積約為5.7萬平方米，其中包括1號廠房，2號廠房和中央機房三個區域。1號廠房和2號廠房建筑面積均為26683平方米，廠房共三層，主要是LED芯片以及外延片的生產線和辦公室，其中生產線為凈化車間，有較高的恒溫恒是要求。中央機房建筑面積約為4千平方米，包含所有冷站機組和服務器。目前1號廠房的能耗管理系統已經施工完畢并投入使用中，之后還會對中央機房及2號廠房進行節能監測。
2項目難點分析
根據對工業廠房項目的調研，以及用戶對系統的要求，該項目主要有以下三個難點：
2.1在項目的實施過程中要盡可能利用工業廠房已有三相多功能電表，但根據計量需要，我們所加裝的電表和工廠已有電表是不同通訊協議的不同種類電表，為滿足工業廠房現有工作環境下傳輸的可靠性，底層數據采集無法通過以太網傳輸。如何設計一套既能實時采集數據，又具備高度可靠的傳輸性能的系統?
2.2由于管理人員要求對該廠進行分區域能耗監測管理，且用電量要以車間為單位進行核算，所以建筑區域的劃分要以車間為*小單位。照明用電和動力用電在線路設計時就采用的每個車間單獨設置計量電表的方式。但是暖通空調系統是根據凈化和恒溫恒濕要求設計一個空調機組的送風同時分配到多個車間進行空氣調節，如何核定各車間的用電量?
2.3為了加強對能耗的管理，分析能耗使用情況，用戶要求每月系統要生成節能報表，包括excel表格，柱狀圖，餅圖和曲線圖。
2.4由于工業廠房為商業用電，不同時段電價不同在僅知道用電量的情況下，管理者并不能很好的掌握具體費用，為了達到企業既節約能源又降低費用的目的，用戶要求系統能有計費功能。為了解決用戶的以上需求，我們在現有系統的基礎上，又針對他們的特殊需求進行了開發。
3系統總體介紹
3.1系統架構設計
ezEMS能源管理系統(以下簡根據稱EMS系統)通過安裝分類和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸等手段及時采集能耗數據，實現重點能耗的在線監測和動態分析功能。該系統由能源管理平臺、采集設備、終端計量設備三部分組成。EMS系統是三層體系架構，層在需要進行分項計量的設備處安裝多功能電表、氣表、水表、熱表；第二層用相應的能耗采集設備實現無人的、自動的能耗及相關數據的采集，為能源管理平臺提供能耗分析的數據基礎；第三層通過數據倉庫的多維分析功能將采集器獲取的能耗及相關數據以圖、表等方展現給管理層，同時為管理層定期提供能耗分析報表。系統架構圖見圖1所示。
圖1系統架構圖
該項目原有品牌A三箱數字式多功能測控電表125塊，電表支持Modbus協議。
通過調研，決定在現有電表的基礎上對空調控溫和空調加濕進行單獨計量，共16個空調機組，用32塊品牌B電表單獨計量。如下圖2所示，原有電表用5個Modbus網關進行數據采集，新裝品牌B電表支持DL-T645協議，用3個645網關進行數據采集。8個網關將數據傳輸到工控機中的PCCAN,采用RS-485通信方式。綜上所述，EMS系統支持不同協議的不同品牌電表，并提供了穩定、可靠的傳輸功能，這種高集成性有助于項目的順利實施。
圖2現場計量示意圖
3.2能耗管理系統功能簡介
EMS系統能對建筑設施整體能耗狀況進行實施監測和細致化管理；將電力、水、冷/熱量等多類能耗數據的透明化；為其他高級應用提供各類能耗的數據；為建筑設施的節能改造提供依據；對建筑能耗總量進行統計和趨勢分析；優化建筑能耗成本的結構。EMS系統通過采用實時能源監控、分戶分項能源統計分析、重點能耗設備監控、能耗費率分析等多種手段，使管理者能能在監測能耗的基礎上，對重點能耗部分進行節能改造或用電控制，從而起到節能作用。以下簡要介紹EMS系統在該工業廠房項目上的六點功能。
(1)可自定義建筑結構
EMS系統將電表的數據劃分到廠房的辦公室、車間及其它公共區域，能夠通過電量區域架構圖清楚的看到每個區域的用電情況。根據調研發現凈化空調的高效送風口均勻分布于廠區，所以根據空調送風口個數(即送風量)采用按比例折算的方式計算得到虛擬電表的電量。用這個辦法將整個廠區按照生產車間進行了建筑區域細分，便于該廠對各個生產段進行用電計量。由于照明用電和動力用電均按車間單獨計量，所以工業廠房的能耗分區實現了以車間為*小單位進行統計，以便管理者對各車間能耗成本比重和發展趨勢有準確的掌握，制定有的放矢的節能策略，并將節能指標分解到各個部門，使節能工作責任明確。
(2)分析報表
為了方便用戶掌握系統能耗特點，分析系統能耗規律，EMS系統可對能耗進行分項、分建筑區域以及分支路的統計，生成多種能耗統計報表，如：
分項能耗報表：系統根據建筑消耗各類能源的主要用途劃分進行采集和整理的能耗數據，分為空調用電、動力用電、照明用電、特殊用電四大項。該報表又可逐層分解為十六小類以便將建筑能耗術語規范化，將用能系統各異的建筑能耗歸一化，從而為管理者提供建筑能耗橫向比較與分析的依據。
建筑區域能耗報表：基于對建筑區域的劃分標準，該報表向高層管理人員提供各個區域逐時、逐日、逐月、逐年的統計，使管理者清晰地掌握各單位每月/季、年的用能量。
支路能耗報表：能夠查看所有支路在各時段上的用電情況，為一下步的節能改造提供了重要的依據。
(3)能耗費用管理
能耗費用管理分為兩個部分：部分定義能耗費用的計劃名稱、計劃項目、地區名稱以及開始/結束日期(如下圖二所示);第二部分按照當地商業電價定義峰、平、谷三個不同時間段的電價(如下圖三所示)。
能耗費用管理分為兩個部分：部分定義能耗費用的計劃名稱、計劃項目、地區名稱以及開始/結束日期(如下圖二所示);第二部分按照當地商業電價定義峰、平、谷三個不同時間段的電價(如下圖四所示)。
圖3能耗費用管理圖 4能耗費用詳細信息管理
(4)底層設備配置管理
EMS系統豐富的表具類型支持和靈活的采集器管理可以滿足各種用戶需求，底層支持M-bus、MODBUS、DL-T645等常用協議的電表、水表、冷熱量表，能夠兼容目前市面上絕大部分計量表具。表具管理直觀簡單，回路名稱、表具編號、所屬采集器等信息能夠在配置界面上詳細的展現出來；每種表具所采集的數據種類可以靈活改、配置。只要是表具支持并能夠采集的數據，都可以直接在界面上增減、改，配置換算比例。各種表具可以靈活的通過采集器管理和電表、水表、冷熱量表管理進行分類、整理，并通過分項和建筑區域劃分簡單直觀的將能耗在用戶界面上表現出來。單個表具的能耗量還可以單獨從支路能耗中去查詢。
(5)用戶權限管理
EMS系統將用戶權限管理分為了用戶管理和角色管理兩個部分，使用時應先對角色進行定義，并為不同的角色分配對應的權限。如：
管理員角色：除基本功能外，可對其分配電度儀表管理，電建筑區域管理，用戶權限管理等功能板塊。
用戶角色：只對其開放查看電能分析，水量分析，分析報表等基礎功能，并且只有查看權利不能對其進行配置。之后還要進入用戶管理界面為不同用戶建立新的用戶名、密碼以及角色，這樣不同的用戶在使用時看到的界面就是其所需要的那部分功能，提高了EMS系統的安全性，也有利于管理人員對該系統進行統一的控制與維護。
(6)專家系統
系統定期將工廠能耗使用情況做出統計，并通過專家系統對該運行期間累計的大量數據進行仿真運算，以便獲得節能量及節能收益數據，對能耗使用狀況給予評價。讓用戶能及時發現潛在的能耗超標現象，及時制定調整措施。
4實際項目數據分析
通過一段時間的穩定運行，我們將采集到的數據進行了分析，得出該工業廠房目前的能耗情況：日平均總能耗為50000kWh(費用約為30000元),單位面積平均能耗1.9kWh/m2,。
本項目工業廠房實行的是三班制工作時間，工人輪流倒休，每天二十四小時生產線都會有生產活動，所以用電量每天變化都不大。如下圖5所示為該工廠一周的用電情況，每日用電總量均在50000kWh上下波動，因此后續僅對單日能耗數據進行分析。
圖5工廠日用電量累計圖
分別從EMS系統中選取建筑區域電能分析餅圖(下圖6)和建筑區域電能分析曲線圖(下圖7)對其進行說明。1號廠房按建筑區域共分為十個大區域，分別為：外延一、外延二、芯片前、芯片后、QC、技術中心、廠區照明、廠務、辦公室、消防。其中外延一、外延二及廠務用電量較大，達到總用電量的75%,這三個區域建筑面積之和占總建筑面積的40%。因此外延和廠務工藝用能是工業廠房的能耗大戶和節能重點，管理人員在以后的節能工作中可以從這三個區域入手，進行用能控制或能耗改造，從而達到節能降耗的目的。
從建筑區域電能分析曲線圖可以看出12:00-16:00和18:00-20:00為能耗高峰期，根據上述該市商業電價可以看出12:00-16:00電價為0.667元/kWh,18:00-20:00電價為1.112元/kWh。根據圖8給出的數據進行計算可得高峰期用電總費用為14779.46元，建議將能耗大的工序調至夜班零點到早上七點，若做次調整總電費降為5661.37元，節約電費9118.09元，可以節約電費約30%。針對以上用能情況該系統定期將分析報表發送給工廠管理層，他們采納了我們的節能建議，在未做任何節能改造的前提下，僅對工業流程進行了調整，便節省了大量運行費用，取得了顯著成效。
圖6建筑區域電能分析餅圖
圖7建筑區域電能分析曲線圖
圖8高峰期用電量統計
5AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺
5.1平臺概述
AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺集變電站綜合自動化、電力監控、電能質量分析及治理、電氣安全、能耗分析、照明控制、設備運維于一體，為建立可靠、安全、高效的工廠能源管理體系提供數據支持。同時引入技術，配合廠務系統優化，簡化全廠管理，并利用實時數據，優化能效并預防風險，保障關鍵制造設備的穩定運行和良品率，降低綜合成本，*終達到高效運營和卓越制造的目的。
5.2平臺組成
安科瑞AcrelEMS-SEMI電子廠房管理系統是一個深度集成的自動化平臺，它集成了電力監控系統、變電所綜合自動化、電能質量監測與治理、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、消防應急照明和疏散指示系統、智能照明控制系統、能耗監測系統、新能源充電樁、預付費系統。用戶可通過瀏覽器、APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對電子廠房的用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足廠房用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。
5.3平臺拓撲圖
6平臺子系統
6.1電力監控
電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
6.2電能質量監測與治理
監測各進線回路電能質量，包括電壓暫降、諧波畸變、閃變等數據波形記錄，進而判斷配電系統擾動方向。
配置有源濾波裝置和無功補償裝置對0.4kV側電能質量進行補償和治理，并監測有源濾波裝置和無功補償裝置運行情況，確保電能質量符合生產要求。
6.3變電站綜合自動化
變電站綜合自動化系統主要針對110kV變電站、10kV變電所和10kV柴油發電機部分，在變電站設置Acrel-1000變電站綜合自動化系統子站，實現本地遙測、遙信、遙控、報警、報表等功能，并把數據上傳至AcrelEMS-SEMI能效管理平臺，實現集中監測和報警。
6.4電氣安全
AcrelEMS電子廠房能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。
6.5智能照明控制
單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式。
6.6能耗分析
AcrelEMS電子廠房能效管理系統為工廠搭建計量體系，顯示能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助企業分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對工廠用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。
6.7充電樁管理
電動汽車和電瓶車充電樁管理，包括收費管理、資產管理。
6.8職工公寓管理
對廠區內職工宿舍進行負載管理，包括惡性負載識別管理、負載閾值管理，避免因為惡性負載引起火災。對員工宿舍進行水電收費管理，支持微信、支付寶等繳費方式，采集職工宿舍能耗數據。
7相關平臺部署硬件選型清單
7.1電力監控系統硬件配置
7.2能耗管理系統硬件配置方案
7.3智能照明控制系統硬件配置方案
7.5消防設備電源監控系統硬件配置方案
7.6防火門監控系統硬件配置方案
7.7消防應急照明和疏散指示系統硬件配置方案
7.8電能質量治理解決方案硬件配置方案
7.9充電樁系統硬件配置方案
7.10預付費系統硬件配置方案
8結束語
如上所述，EMS能耗管理系統是節能工作中的一個重要手段。本工業廠房通過能源管理系統獲得了數據，對這些數據進行分析，并可做出相應的節能措施，達到節約能耗和運行費用的目的。
實踐證明，節能是一個不斷循環、不斷反饋、不斷優化的過程，能耗管理系統的運用為節能工作搭建了一個很好的平臺，能有效支撐合同能源管理項的發展。
參考文獻
[1]孫雅佩.能源管理系統在工業廠房中的應用.
[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
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