浅谈能耗监测系统在煤矿行业的应用
安科瑞 陈聪
[摘要]煤矿企业在为国民经济发展提供核心动力的同时也消耗着大量能源。“双碳”目标这一国家战略给煤矿企业生产提出了挑战，也为其技术升级、节能增效提供了机遇和驱动力。能耗“双控”是实现“双碳”目标的必由之路，而对煤矿企业能耗及碳排放情况进行精准监测、精细管理、科学决策是实现能耗“双控”、节能增效的基础。
[关键词]高能耗；能耗双控；大数据采集；能耗核算；数字化转型
引言
根据《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》规划部署的碳达峰、碳中和路线，各行业相继提出碳达峰和碳中和的目标和实施方案，“30、60”也成为了煤炭等能源生产企业的指导目标。《自然资源部煤炭行业绿色矿山建设规范》要求各矿企应建立矿山生产全过程能耗核算体系，通过采取节能减排措施，控制并减少单位产品能耗、物耗、水耗，减少“三废”排放。陕西省发改委和生态环境厅也要求各矿企按照《陕西省绿色矿山管理办法》《关于推进重点用能单位能耗在线监测系统建设的通知》提升能源统计监测能力，健全能耗统计监测和计量体系，加强重点用能单位能耗在线监测系统建设。
一、概况
陕西煤业《“双碳”工作行动方案（暂行）》等文件中要求：各单位要提高节能管理信息化水平，要全面开展能耗在线监测系统的建设，应用信息化手段推动环保和能源管理与节能降耗工作，深挖生产环节的节能减排空间，确保阶段性节能目标实现。结合陕西煤业要求，以行业发展现状为背景，以各矿需求为切入点，以切实解决问题为目标，同时响应国家相关政策，开发节能环保能耗在线监测管理平台，帮助企业对能耗情况进行精准监测、精细管理，对污染排放情况，及时进行污染预防，避免超标排放，满足各类环保要求，提高运维工作效率，逐步实现清洁生产[1]。煤矿企业生产本身是一个复杂系统，生产链条长，耗能设备多，耗能种类多，产生的工业“三废”多。当前煤矿企业侧重于对生产环节进行智能化改造，对能耗监管投入略显不足。本文就是基于矿区实际情况，构建一套全面的能耗监管系统，通过本系统的实施，对全矿区的所有能源数据进行监测、计量、管理、分析、预测，构建全矿各部门、各能耗设备的水、电、热量、柴油等能源记录数据的历史数据库，并把相关数据上传至股份公司以及省市平台。
二、研究方向及内容
2.1能耗单元的实时计量统计管理本研究将实时采集各级用能单位或高耗设备能耗信息，自动完成计量、记录、统计及定制报表等功能。对全矿区用能情况按照高耗能设备、重要工序、办公楼宇、各级用能单位进行分层管理[2]。
2.2构建数据模型，实时预警
重点设备、重要工序、各级用能单位，结合有效产出数据，构建数字化能耗以及能效模型，进行同比、环比及对标分析，实现能耗预警。
2.3建立节能技改数据支撑
基于长期的能源能耗监测数据，最终形成能源大数据诊断报告，结合全矿区重点生产工艺，为中长期节能技改方案提供强大的数据和决策支撑。
2.4建立能耗管理指标依据
在精细管理、降耗提效的方针下，为煤矿企业管理建立健全能耗量化管理数据的依据[3]。
2.5能耗管理决策分析
通过一定时间的数据累积，从不同角度对能源消耗情况进行分析预测，提供防止能源浪费、降低能耗、合理规划使用能源的决策支持。
2.6系统管理与信息发布
全面、快速、准确地提供各种能耗数据信息，可通过智能化综合管控平台统一发布。
2.7各类平台对接
可提供相对应接口，实现与省能管平台无缝对接。
3系统功能体系结构设计
三、系统设计原则
系统采用分散采集、综合监控、集中管理的模式。系统设计遵循可靠性、先进性、兼容性、规范性、经济性、可扩展性等原则。
能耗数据采集原则为：各类能源总关口，即一级用能单位必须配置。-在能耗统计分析中具有重要意义的用能单位或设备。在数据接口开放的情况下，计量数据尽量从现有系统中采集，降低投资成本[4]。
3.2系统网络架构
能耗在线监测管理系统监测点分布在矿区范围内不同地点，分布范围广且分散。基于以上特点系统网络结构采用分布式结构，以光纤环网为骨干网（部分使用现有4G网络）、星型电气连接各个子系统，系统通过现场总线或I/O方式连接检测设备。系统采用B/S（浏览器/服务器）模式。管理层应用服务器通过以太网交换机与数据库服务器连接，通过与信
息管理系统网络的联网，支持和股份公司能耗平台、省市监管平台，矿区综合管控平台无缝对接，支持远程客户浏览访问。系统管理层根据矿测能耗监测和管理需要，分别实现能源数据采集、存储、分析、计算，提供能耗统计、能耗预警、同比/环比分析、能流图、能源看板、能源报表等业务功能模块，另外，还有系统管理、信息设置、能源系统建模等系统功能模块的开发，同时实现同股份公司平台以及省平台的无缝对接。
3.3系统软件架构及功能
图2系统软件体系架构图
能耗在线监测管理子系统从全矿组织架构、各生产环节、重点能耗设备角度、分别进行能源数据采集、存储、分析、计算，为管理人员提供能耗统计、能耗预警、同比/环比分析、能耗分析、对标分析、能流图、能源看板、能源报表等业务功能模块，另外，还有系统管理、信息设置、能源系统建模等系统功能模块。边缘数据采集层：主要完成各类能耗数据和有效产出数据采集。边缘采集器向下需要支持常见的工业通信接口和协议，向上需要支持云平台数据通信协议[5]。数据平台层：主要负责数据存储、分类、计算等。业务应用层：主要完成各种能源信息的统计、分析，包括能耗统计、能耗分析、能耗预警、对标分析、综合报表管理、数据查询等。
四、系统主要功能
4.1信息管理层主要功能如下
计划调度。实现生产计划、设备及备件计划管理。提供与陕煤股份层系统的接口，实现系统对接。能效管理。满足企业需求，实现能效管理。设备管理。满足企业需求，实现设备管理。主要包括生产设备及计量设备基础信息、运行信息、操作记录、预警、故障等管理。
动力指标管理。主要包括动力控制指标的管理。综合报表管理。可以根据企业需求，自动生成所需的报表，也可根据自身需求定制页面和编辑报表。报表主要包括能源动力相关的各类制式报表，包括各类生产及消耗报表等。综合管理。主要包括平面管理、流程管理、制度管理、资料管理、用户管理、权限管理、交接班管理、生产管理、帮助管理等。
WEB发布。实现能源管理的信息共享。
4.2集中监控层主要功能如下：
动态图形监控：设置动态工艺流程画面及单台主机流程画面，图形动画显示，实时显示各工位号参数及设备运行状态，对于涉及面比较广的子系统，可以设置多个画面。实时数据监控：在工艺流程画面显示数据的基础上，实现栅格形式汇总实时显示各工艺参数，设备状态，栅格底色应根据所显示数据的归属分类不同而加以区别，做到一目了然，以便于操作人员集中监视系统状态。远程操作：对所有设备进行远程遥控操作，通过鼠标实现对现场设备（启/停）、电动阀（开/闭）进行操作，根据权限设密码保护。预警及报警功能：有关参数超限报警及设备故障报警，发出声光提示，可实时指令打印，有中文提示并自动记录。报警根据紧要程度、事故等级区别对待，通过不同的报警提示音和颜色加以区别。并设立维修模式，保障在维修、检测状态下，可以关闭自动报警功能。实时趋势图：实时显示各工艺参数的变化趋势，如流量、温度、压力、电流、频率等，有助运行操作人员和管理人员实时掌握生产工艺参数变化情况；报表：设班报、日报、月报、年报，分别按分类报表及汇总报表并实时打印，报表设置可根据需求进行调整功能，可根据实际需要和临时变动，随时对报表数据的筛选和计算公式、函数参量进行调整。数据采集、储存、记录和发布：系统具有各种工艺参数、设备状态、计量数据的采集、储存、记录功能。各种信息按照不同功能要求分别写入实时历史数据库或管理数据库，供能源管理系统软件使用。系统监控画面和相关
信息可以通过WEB方式发布，以便于管理人员通过网络访问和远程浏览。系统管理：统一管理操作人员、维护工程师、能源管理人员等相关人员的安全操作权限，以保证本系统的安全保密性，防止非法用户对生产控制和重要数据的侵害；能源管理系统通过开放的以太网OPC标准接口实现与其它管理系统的集成。
五、平台介绍
5.1安科瑞企业能源管控系统概述
安科瑞企业能源管控系统采用自动化、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、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等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、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。
5.2应用场所
钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。
5.3系统结构
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：
5.4工业企业能耗监测系统功能
平台采用自动化、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。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。
（1）平台登录
在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。
（2）大屏展示
用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。
（3）首页
首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。
（4）数据监控
对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。
能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。
能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；
配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。
实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；
数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；
检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；
（5）视频监控
接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。
（6）变压器监控
展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。
（7）仪表实时监控
展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。
（8）能源中控
将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。
（9）用能统计
从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、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。
（10）成本分析
统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。
（11）产品单耗统计
与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。
（12）绩效分析
对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、*时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。
（13）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。
（14）自定义能耗报表
用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。
（15）同比、环比
提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。
同比
环比
（16）分析报告
以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。
（17）能耗设备用能
监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。
（18）线损分析
根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。
（19）碳排放管理
按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。
（20）电能质量监测
实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。
（21）运维管理
系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。
（22）报警管理
针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。
（23）能耗抄表
可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。
（24）能耗分析自定义时间抄表
可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。
（25）容需量报表
提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。
（26）复费率报表
对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。
（27）文档管理
对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。
（28）3D可视化大屏
对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。
（29）3D子系统
对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。
（30）工业组态
可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。
（31）自定义驾驶舱
可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。
（32）基础数据管理
对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。
（33）手机APP
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、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。
（34）知识产权证书
5.5系统硬件配置
六、结论
本系统基于矿区现有相关能耗数据和增加新的能耗采集点，结合大数据分析平台，以低碳发展为目标，以智慧矿山建设为导向，构建了一套全面的能耗及碳排放监管系统。填补数据服务于现场现场能耗监测的空白，充分挖掘煤矿海量数据的价值，起到数字化转型*示范作用。符合国家煤矿数字化转型发展规划，是典型的数字化转型案例。同时通过一套完善的能管系统，运用目前*的数据采集技术，把各个区域的能耗数据串联起来，综合监测、综合分析、综合管控，综合管理。实现节能减排、实现国家2030“碳达峰”战略性政策目标[6]。主要体现在以下几点：在接入现有电力计量系统的基础上，对公司的用电情况按照高耗能设备、重要工序、办公楼宇、各级用能单位进行分层监管。将各类锅炉的用电、烧煤、燃气情况，以及胶轮车的耗油量纳入监管系统。尽管水、压空、蒸汽作为含能工质折成标准煤后占比相对较小，但为了分析供排水、压风、锅炉等系统的能效，也对其进行采集计量。对生产过程中附带产生的煤矸石、矿井水、瓦斯、二氧化碳等工业“三废”进行监测，并综合考虑地面绿化对二氧化碳的吸收情况，对矿业公司整体碳排放量进行核算。面向重点设备、重要工序、各级用能单位构建数字化能耗及碳排放模型，进行同比、环比及对标分析，实现适
时预警。结合有效产出数据，为重点设备、重要工序构建能效模型，分析设备运行状态，为矿业公司经济运行提供依据。利用监管系统积累的大数据，对矿业公司更多层级的能耗、能效及碳排放情况进行预测，为管理部门决策提供参考。
参考文献
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