能源管理系统中的主站层

本文结合中泰化学的能源管理系统实践应用案例，介绍了化学工业企业在能源管理上的需求，并通过能源管理系统的开发、实施和效果研究，证明了能源管理系统对化工工业企业在运营上的现实作用。

化学工业是国民经济中重要的原材料工业。我国生产的化工产品中，有70%以上直接为农业、轻纺工业提供化肥、农药、配套原材料和生活必需品。我国的化学工业已具有相当的工业基础，成为我国经济发展的重要支柱产业，主要经济指标居全国工业各行业之首，其发展水平影响到下游通信、建材、汽车、轻工、纺织等许多行业的发展，在国民经济发展中占有举足轻重的地位。

化学工业作为原材料产业，是以能源为基本原材料的企业，对能源的消耗量非常大，能源费用成本普遍较高，目前我国化学工业每年消耗各种能源折标准煤1.5~1.6亿t，占全国耗能总量的17%，年耗电量占全国工业用电量15%左右。在能源浪费快速增长的同时，我国的能源利用率却相当低，一般产品能源费用为20%~30%，高耗能产品能源费用高达60%~70%。由此可见，我国化工产品的单位生产成本非常高，从另一个角度说，也就是生产过程中能源浪费非常高。由于主要化工产品单位能耗高，因此能源费用在化工产品生产成本中占有很大比重。节约能源，建立科学合理的能源管理系统是化工企业降低产品成本的重要措施，是实现化工企业可持续发展的重要条件。

能源管理和能源管理系统的相关概念

能源管理

化工企业在如何有效利用和保护能源，尽可能以低成本完成更大规模和高科技含量的生产方面有着较高的要求，这涉及到“能源管理”这一概念。

能源管理是指对能源生产过程和消费过程的管理，能源管理的范围包括了能源过程中的计划、组织、控制和监督等一系列工作，能源管理涵盖了工业企业日常的能源相关工作，尤其是能源部门的管理工作。对于化工企业，能源管理工作主要包括以下6个方面的内容：

能耗统计与分析。包括能源部门内部报表、企业内部报表、企业对外报表等。这些能耗报表的数据来源是勘测现场的计量仪表，其要求是数据的准确性和合理性。

设备管理。包括设备台帐、设备维修、设备保养等。设备管理对设备的经济运行情况及有效作业率有显著作用，并且会影响到企业的节能减排工作。

运行管理。运行管理主要是运行班组的交接管理和运行数据的采集工作，由于交接管理过程中可能会存在意外情况的产生，运行数据的采集在交接过程可能会有失真和错漏的情况发生，而数据的不完整性对企业的能源管理工作会带来极大的困难和错误导向；此外，目前大多企业的数据采集工作主要通过手工抄写，耗费人力，且可能存在录入错误的情况，无法达到管理的目的。

计量器具管理。计量器具的准确性和精确性以及持续使用能力对企业的能源管理的稳定性和低成本目标有重大作用。

能源供应质量管理。首先确定所要检测的能源的质量项，根据其重要程度和检测的技术能力确定检测质量项的指标，然后提出不合格数据，通过测量的数据制作质量报表，同时分析结果数据，考核运行班组的工作质量。

能源部门绩效管理。定时对能源部门进行考核，包括能源管理决策、能源管理运作状况以及能源统计数据分析等，确保能源管理的正常运行。

能源管理工作要求准确、精细、及时和稳定的同时，也要求能对巨大的能源消耗量进行分析，因此，人工作业很难满足能源管理的要求，通过能源管理系统则可以有效地完成能源管理任务。

能源管理系统

能源管理系统又称能源管理信息系统。20世纪80年代，加拿大能源保护工业项目（CIPEC）开发了基础和高级两个版本的能源会计手册来帮助加拿大的企业管理能源，这个手册1989年的修订版提供了各种企业的标准能源管理模式，并被认为是企业和其他机构的第一代能源管理工具。20世纪90年代，英国能源效率管理局开发了第二代系统——M&T，这是第一个被世界范围认可的能源管理系统，它完全采用了先进的计算机技术，是第一个全自动的能源管理系统。这是能源管理信息系统的进一步发展，也是目前能源管理系统的雏形和基础。

能源管理系统（EMS），是企业信息化系统的一个重要组成部分。它的主要功能是实现能源系统分散数据的采集和控制、集中管理调度和能源供需平衡，以及实现所需能源的预测，为在生产全过程中实现较好的节能、降耗和环保的目标创造条件。建设EMS就是要对生产能源数据进行采集、加工和分析，处理及实现对能源设备、实绩、计划、平衡和预测等全方位的监控和管理功能，以达到企业节能增效的目的。EMS将综合降低产品能源消耗，降低能源生产和供应消耗，提高能源动力系统运行的安全性和可靠性，同时减少人力成本，提高能源管理效率和质量，提高企业信息化水平。

中泰化学的能耗现状

中泰化学阜康工业园计划总投资150亿元，建设项目包括年产160万t聚氯乙烯树脂、年产120万t离子膜烧碱、3×33万kW热电联产装置和年产320万t电石渣制水泥循环经济项目等。

工业园共有4个降压变电所，8个配电房。其中高压变配电所包括聚合总压降变电所、烧碱总降压变电所、VCM总降压变电所和乙炔总降压变电所；低压变配电所包括烧碱变电所、给水变电所、整流开关所、VCM变电所、蒸发变电所、乙炔变电所、一次盐水变电所、乙炔变电所、干燥变电所、渣浆变电所和冷冻变电所。涉及的设备包括高低压开关柜、变压器、直流屏、柴油发电机、各种工艺设备电动机等电力设施设备以及空调、风机、水泵和空压机等电子设备。

中泰化学阜康工业园用能可分为生产和生活两部分，但最主要的能耗在于生产用能，具有能耗大，用能稳定的特点；大型机电设备需要连续运转，存在大量冲击负荷，连续性生产负荷在生产中不可中断，对电能质量和供电可靠性要求高，单个设备检修周期较为固定，系统检修时间长，面积大，对用电负荷影响大，存在大量高温作业环境，夏季空调负荷大。

评价指标

单位产值能耗费用率

单位产值能耗费用率，是指化工企业在一定时期内单位产值消耗的能源所花费的费用，它反映了化工企业的能源使用效率。

单位产值能耗费用率=

该指标是一个负指标，即该指标的值越小，对提高企业的经济效绩越有利。对化工企业安装能源消耗统计仪表，对企业生产经营过程中发生的能源消耗成本进行跟踪和实时记录，以掌握企业的能源消耗细节，并获取每期能源消耗数据。

单位工业增加值能耗量

单位工业增加值能耗量是衡量企业能源使用效率的另一个指标，化工企业生产过程中单位新增加的价值与所消耗的能源量比。

单位工业增加能耗量=

该指标是一个负指标， 化工企业使用能源量越少得到的工业增加值越高，表明能效越高。

单位产品能耗量

单位产品能耗量=

该指标是一个负指标，化工企业生产各个流程工艺中所用能综合占产出产品总量之比，此数值越小代表节能率越高。

单位生产总值能耗及其降低率

单位生产总值能耗及其降低率=

该指标是一个正指标，化工企业经过科学合理的能源管理后所降低的能耗值与企业生产总值之比，比例越大则企业节能效果越好。

能源管理系统的建设目标和系统架构

根据以上分析并结合中泰化学阜康工业园用能的特点，中泰化学将通过能源管理系统的建立，实施对重点用能分项计量设备的安装，完成对工业园内能耗监测、能耗统计、能源审计、能效公示的数字化管理，实现数据采集与存贮、数据统计与分析、数据发布与远传和节能潜力分析与控制，为提高能效、管理水平和进行节能管理提供科学依据，确保各项能源述评价目标顺利完成。因此中泰化学阜康工业园能源管理系统建设的总目标为：

对企业内各个工艺流程能源利用情况进行实时监测、实时监控和节能控制实现对能源的实时分类、分项和准确计量；实现数据采集与存贮、数据统计与分析、数据发布与远传和节能潜力分析与控制，使能源管理监控室对能源系统进行有效的监控与管理。为加强工业园节能运行管理、开展节能研究、实施班次和班组节能评比提供数据依据。

工业园内化学工艺主要有六大工艺流程，而各项工艺流程中大量应用电动机。电动机的正常运转保证了工艺流程的稳定，通过系统的设备管理提供更加全面的保护功能和诊断信息，包括启动超时、过流堵转、过载、断相、短路和漏电保护等十几种综合保护功能，并且保护方式可以设置为报警，在断路器跳闸之前，通过及时排查问题，避免停机引发的损失，在保护电动机的同时，保证生产工艺的连续性。

此次能源管理系统由3层架构组成，包括：设备层，设备层设备即远程终端设备（RTU）用于实现现场监控信号的数据采集和发送（主要为多功能电力仪表）。网络层，通信层主要包括通信管理机、网络交换机和WEB服务器等设备，用于现场与系统后台，企业能效监管系统与市节能监察中心之间的信号转换/传递，以实现远程监测。通过现场总线将由现场监控层设备采集到的信号上传至通信层，信号在通信层汇总后再通过以太网上传至子系统的主站层，同时利用WEB服务器将信号传至主系统。主站层，该层是能效监管平台的组成核心，所有采集的数据和测控信号都通过主站层进行处理或发出，实现监管部门与监控对象的互动。该层设备包括服务器、监控主机、UPS不间断电源、打印机等（如图所示）。

能源管理系统的实施后的效果

设备监控

能源监控管理系统的实施，不仅能对变配电系统各种运行开关量状态、各种电参数进行实时采集、显示和计量以及各断路器的运行状态、变压器运行状态、故障报警和故障跳闸的回路和时间等进行及时准确地记录，而且能够对电动机保护装置进行实时的数据采集、检测和控制，还可以对第三方的设备和系统进行数据采集，例如湿度测控装置，以及DCS系统、BMS系统等进行数据的同步上传和下载显示。运用强大的数据管理分析功能，实现能源系统的经济运行、负荷分析、躲峰填谷、经济核算和合理调度等。

实时监控保障各项工艺的正常工作

能源管理系统实现了对能源计量设备的“四遥”功能，即遥测、遥控、遥信和遥调。从而对各项设备实时监测，保证各项工艺流程的正常运行。

遥测是指通过系统通信采集器、监测模块以及组态软件实现变配电站所有回路的电量采集，包括电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、有功电度、无功电度、视在电度、功率因数和频率等。

遥信是指通过系统通信采集器、监控模块以及组态软件实现对开关量的采集，如断路器的分合闸、手车工作位置、电机储能状态、变压器风机运行状态、高温报警信号、超高温跳闸信号、断路器故障信号、事故跳闸信号、电动机保护器的故障类型和变压器开关信号等开关量。

遥控是指通过系统通信采集器、监控模块以及电力组态软件实现带有电动操作机构的框架式断路器和分励脱扣的塑壳断路器以及接触器等远程控制功能。

遥调是指通过系统通信采集器、监控模块以及电力组态软件实现对能源监控设备通信地址，CT/PT变比，波特率等设置远程调整的功能。

生产设备耗能信息的采集与计量

完善工业园的内部能效考核，完成能效管理，实现能耗成本统计功能，真正体现“管理出效益”的意义。对于企业来说，从企业的用能总量，到各厂房的用能量，以及车间、班组甚至个别能耗设备的用能量，哪个时段用能量最多、哪个时段电压最高用电量最大等全都有相应的曲线图。每隔5s，数据就自动更新一次。如果情况正常，屏幕上就会显示绿灯，如果车间用能量明显高于平均值，系统就会进行提示，工作人员可以马上到现场排查，能够及时发现不必要的能源浪费，真正实现管理节能。

避免事故的发生

实现各种电能数据（包括电流、电压、功率等等）的越限报警，便于及时处理以避免事故（如火灾等），减少损失。当出现异常时，可以及时了解有关故障信息（故障原因、性质、地点及发生时间），指导维修，减少故障的处理时间及停电时间。报警类型主要有状态报警、越限报警和三相不平衡系数报警，系统通过媒体音箱发出声音报警并自动记录时间、站号和回路名称，以方便工作管理人员更快、更有效地安排任务，及时解决发生的报警故障，在最短的时间内排除故障，以保证系统的安全运行，保障各项工艺设备能够持续稳定的工作。

运行历史参数帮助企业管理

采用能源管理系统可以改善用能的管理。通过历史记录参数，及时掌握每天或季节负载特性，优化能耗分配，均衡负载，减少潜在的能源浪费和停电事件。

系统能将所监测并统计的各种电量参数、各断路器或开关的状态变化时间、报警故障类别、操作人员代码和时间、开关机时间等永久保存，以便对整个能耗监控系统的运行情况进行分析。当变压器发生超载或是超负荷时，系统会自动或手动切除不重要的带有电动操作机构或是带有分励脱扣的负荷，并记录时间、操作人员、回路名称等。系统可以根据一天用能负荷情况自动生成负荷列表、用能量曲线以及用能棒图等，能源管理可以根据列表、曲线或是棒图来均衡每一个小时用能量，以达到负载利用最高。 为能源的科学管理提供数据依据。

提高电能质量改善用电效率

采用能源管理系统可以诊断供电质量（谐波失真度THD/最大、最小、平均值/ 电压合格率）实时分析功能，根据系统电压、电流在运行波动情况，谐波失真度以及配电回路的用电情况进行综合的分析和判断，从而得知系统的稳定性，便于分清供电单位和用电单位的责任。

能耗的分析与评估

根据系统设备运行的记录数据和运行情况，制定临时或定期的设备维修计划，按计划维修、减少运营和维修成本。可以快速、准确的掌握设备的运行情况（含历史数据），并可以用报表方式或图形方式进行显示、记录或打印出来，进行日报、月报和年报，提高工作效率。

对采集的数据进行分类保存、归档、统计和调用等操作。系统配置历史数据库管理系统，各种记录根据用户要求按照对象、性质、时间等进行检索，以便进行查询和故障分析。系统具有对测量数据及开关跳闸次数等信息可以按日、月、季、年等进行统计并生成报表。

根据每个班次、班组在不同时间的用能情况进行统计，对于不同班次、班组的用能状况进行同比和环比，以企业的用能指标来衡量各个班次、班组的能耗状况。操作人员可以实时监测和打印所有能耗参数24h内的变化曲线。统计和打印各工艺流程运行状态变化时间及故障报警时间和类别，设备断路器的操作时间及操作人员代码，有功电度、无功电度的每天24h内单位用电量及电量棒图，同时具有峰谷计费功能。

结束语

能源管理系统（EMS）是未来化工企业发展过程中必须重视的环节，也是化工企业在激烈的市场化竞争中致胜的关键因素之一。能源管理这需要对企业的高层领导、中层领导和下级操作人员进行全方位的培训和指导。只有这样，能源管理系统（EMS）的功能才能完全发挥，企业才能真正从能源管理系统（EMS）的运作中获得实质上的收益。由于作者研究的深度不够，本文的论述中尚有一些不成熟的观点，请专家和同行多指正。能源管理未来会有很光明的前景，这需要进一步的研究和探讨，也需要在实践中不断总结经验，从而对能源管理系统（EMS）形成更深刻的理解。