袁九正

（西门子（中国）有限公司 北京）

一、能源管理概念

随着全球能源需求增加以及环境气候变化，各个国家都对企业提出了节能减排的要求，并制定相应法律法规予以监督，从企业自身来看，能源短缺及价格上涨也迫使企业进行节能增效。在这个过程中，许多问题困扰着企业管理者，怎样清楚了解本企业目前能效状况，节能减排采取哪些步骤，如何实施具体相关项目，除了常规采用变频器、节能电机和节能元器件等单点节能方式，还要考虑如何系统化进行能源管理，建立一个现代化绿色企业。要解决这些问题，首先要了解节能减排、能源管理体系和企业能源管理系统等概念。

1.节能减排

节能减排的目的一方面是为企业节省费用，提高利润，另一方面是帮助企业满足国家能源法律法规，实际中，一般通过采用下列方法：①采用节能电机，提高电机效率；②采用变频器，控制水泵、风机等大转矩设备和位能设备；③提高功率因数，燃料燃烧率；④进行节能工艺改造等。

随着企业信息化程度的提高，许多企业通过加强能源管理，优化能源利用，提高节能减排水平，例如：①通过能源预测，合理安排能源采购及生产计划；②基于对能效利用分析，找出企业节能减排的关键点；③基于能效考核，提高员工能源利用水平等。

2.能源管理体系

类似于ISO 9000的质量认证体系，能源管理认证体系是对工厂、经营设施或组织的能源管理建立一框架，以协助企业进行能源管理、提高能源使用效率、减少成本支出及改善环境效益。目前很多国家和国际组织已经建立了相应能源管理体系（表1），2009年，中国提出基于GB/T 23331的能源管理体系指导标准，作为ISO国际标准化组织重要一员，参与制定的ISO50001能源标准在2012年正式发布，目前已逐步要求企业按照相关规定进行能源采购、管理、节能项目实施等。在能源管理体系定义中，定义了一个企业如何去基于行业标准、企业标准管理能源，如何实施及验证能源项目，并基于循环的原则逐步完善能源利用（图1）。

3.能源管理系统

能源管理系统帮助企业实现分析能效利用状况，通过能源预测、能源统计等手段查找潜在节能点，优化能源利用，最终实现节能减排，该系统还要帮助企业符合国际能源管理体系。目前有很多厂家能够提供比较成熟的解决方案及产品，内容一般包括：①基于能源体系的行业法规、企业目标等管理；②能源透明化，包括能源流监控、能源消耗花费统计；③能源应用过程中一些业务流程管理，如质量管理、用能管理等；④基于特定算法进行能效分析，包括能源预测、能源平衡等高级分析；⑤方便的基于图表、趋势等结果展现显示。

表1 各国和国际组织能源管理体系标准

节能减排、能源管理系统和能源管理体系三者之间关系见图2。

图1 能源管理体系标准内容

二、西门子公司TIP方案

西门子公司基于 PLC、WinCC、Powerrate、B.Data 等产品的全集成能管解决方案帮助企业实现能源高效利用。在数据采集层，基于控制器、控制仪表和WinCC，完成工厂水、电和气等能源数据的采集；在控制层，基于Powerrate进行需量控制，通过在PLC中集成能源消耗预测算法、定义设备能源消耗的优先级，避免出现消耗峰值，降低需量值从而降低电能花费；在管理层，基于B.Data进行能源消耗成本的透明化、能源消耗的中长期预测、重点耗能设备能源消耗关键性能指标分析等，帮助企业找出潜在的节能点。以下重点阐述Powerrate和B.Data两个产品在控制层和管理层的功能和实现。

图2 三者之间关系

1.数据采集及监控

西门子公司基于WinCC，对水、电和煤气等的不同层级监视画面，以及全厂能源流监控：全厂能源消耗信息的流程监控，即能源流的在线监控，根据工艺情况考虑不同层级：①全厂水、电和气能源消耗流程图；②重要工艺段能源流程图（图3）；③高耗能设备能源消耗图。

图3 工艺段能源监控

2.需量控制

（1）需量管理概念。目前企业采用变压器容量和需量两种电费计价方式，在需量计价方式中，E=（P1+P2）×P3，其中P1——电能消耗、P2——需量契约电费、P3——功率因数决定系数。P1与企业生产能力相关，无法调整；P3根据行业特定功率因数，如行业为 0.9，若企业为 0.95，则 P3＜1，若企业为 0.85，则 P3＞1，相当于惩罚性措施；对于P1和P3，企业在后期基本固定，因此降低电费的关键是降低P2，如图4通过削峰填谷，根本就是要避免出现15 min平均功率的峰值，最终降低需量值。

（2）Powerrate。如上文所述，必须遵守合同上规定的功率限值（对于功率，通常为 15 min的平均功率），否则可能产生较高的购买价格，甚至向公共事业支付罚款。SIMATIC WinCC Powerrate的负载管理周期性地执行趋势计算，在发现超出限值时，发布警告/报警消息，如有要求，可根据组态关闭负载耗电设备（图5）。但是，当超出限值时，将对当前负载管理数据进行归档，以备后续分析。

图4 用能过程降低峰值

图5 Powerrate需量控制示例

3.能源管理

B.Data是WinCC选件，向用户提供1个用于工业各部门的模块化、独立于行业的能源管理和企业信息系统；提供了1种可盈利的能源管理基础，其降低能源成本，提高能源效率。最大优点：①对能源生产和消耗设备的一致性能源和材料核算，整个公司营运透明；②允许将能源成本分配，实现与记账系统的过渡（如SAP R/3 CO）；③生成有效建议参数，提高发电设备和耗电设备效率；④通过与生产相关的负载和需求预测，提供规划可靠性；⑤通过成本优化的功率采购，给采购部门提供支持；⑥符合监视和报告温室气体排放（CO2排放）的法律要求；⑦通过自动跟踪公司内部和外部能源报告系统，降低工作量。

（1）简单灵活的数据录入接口。B.Data提供服务程序，系统能够自动加载WinCC提供的采集点，实现能源管理基础数据的配置；提供OPC、FTP、ODBC和Matrix等数据采集方式；通过和WinCC的无缝集成，实现变量组态一致性。

（2）优化可靠的数据存储方式。B.Data采用Oracle数据库，定义 Datapoint、Generic Datapoint、Constant和 Derived Datapoint等多种数据类型，采用灵活数据存储方式，通过替代值、数据限制等保证数据采集的连续可靠，通过Summarization概念实现多数据的衍生，提高数据库利用率。更重要的是，在Datapoint的定义中，其不仅仅是1个变量，以现场安装仪表为模型，定义安装地点、计量单位、最大值和最小值等描述。

（3）分层次数据计算。B.Data能源计算的基础是分层次的三层处理，即Loop、MEVAS和Excel。Loop对现场采集数据作在线计算，包括数学处理、逻辑操作、比较操作、门限处理、定量分析和时间段内数据处理等多种标准函数，同时为用户编写个性化处理函数提供接口，计算后数据可作为MEVAS的基础数据存储数据库中。MEVAS基于数据库中存储数据，通过B.Data中提供的大量丰富的数据分析（丰富的报表系统）和能源处理公式（能源计算、能源预测）等，为用户提供分析结果，作为能源报表各种性能值的基础（图6）。该数据可根据需要生成而不必进行数据存储，减少数据库系统负担。分析报表以Excel格式显示，以Mevas及Datapoint等数据，B.Data提供的各种查询模板为基础，兼容Excel图表、宏等计算模式，生成用户需要的报表。

图6 B.Data中用于预测的MEVAS函数

（4）基础模型定义。①能源介质基础信息。对能源介质信息进行管理，包括工厂产品与能源介质、能源单价、折标系数等相关信息，在产品中定义组态生产该产品需要的能源介质，在能源介质中定义了生产不同产品时的特性参数，为能源花费计算、基于生产计划的能源预测提供基础信息。②测量点管理。能源管理中最基础的信息管理是基于计量点的管理，所有数据分析也是基于该信息。在计量点中包含计量仪表基本信息管理和实际计量点的录入等两部分内容，表示实际测量点，包含测量值、上下限、描述和单位等一些信息，这些值要参与能源分析计算。③消耗设备和花费中心模型。基于花费统计原则，将企业信息进行编码并建立模型，以便于进行能源花费的统计，包括工厂编码、重要能源消耗中心编码和花费中心编码等。④基于ISA95/88模型定义。定义设备、不同的花费中心，基于ISA95/88模型，实现企业能源消耗与花费的透明化。设计时考虑报表消耗的层级关系，在企业级、厂级、车间级、生产线和设备级等有其相应的报表分析。

（5）文档管理。B.Data中能够在能源管理系统平台上对能源方针、能源法规、各能源职能部门的责任、会议纪要、工作总结、企业考核办法和绩效考核等，基于不同权限访问。

（6）能源预测及能源成本分析。依靠B.Data提供的Profiles及Production Planning等工具，可很好实现能源预测（图7）、能源成本分析、绿色能源控制和能源采购预算等。引入标准日、节假日、比率、消耗种类和产品类型等概念，分析不同车间、产品、时段和工段的能源需求。提供特定Mevas公式，测算不同种类能源消耗比例，保证绿色能源比例，满足废气、废水减排要求。

图7 能源预测结果

（7）报表系统。B.Data提供强大的报表功能，采用模板（Template）、模块 （Modules）和查询范围（Query Periods）的概念。在模板中，用户定义报表界面（包括图形分析、宏功能处理等），模块为通过Mevas计算提供的各种数据组合（消耗分析、KPI分析和能源比较等），查询范围根据需要定义的数据分析时间段，其中B.Data中为模块及查询范围定义了大量丰富模板，用户可以方便实用。通过基于模板（Template），可自由灵活生成客户所要求特定格式报告（导入Excel报表模板）；通过模块（Modules），可利用系统提供的大量算法函数，实现能源分析。同时分析报告可基于预定义自动生成、自动打印和自动发送到特定邮箱。图8和图9是基于峰值分析和CO2排放的模块组态结果。

图8 电能峰值统计分析

图9 CO2排放分析

（8）趋势功能。B.Data提供数据分析趋势应用程序，用户可方便对数据进行自定义的趋势显示（图10），可灵活包含最大值、平均值和方差等多种计算值。

图10 趋势分析

（9）能源分析视图（图11）。实现B.Data系统中的数据在画面上实时显示，用户可了解不同区域、不同设备和不同能源的消耗情况等。通过IE可远程了解设备当前单耗、能效等分析结果的实时跟踪。

（10）基于动态桑基图（Sankey diagram）的能源流。桑基图也叫桑基能量平衡图，是一种特定类型的流程图，图中延伸分支的宽度对应数据流量大小，通常应用于能源、材料成分和金融等数据的可视化分析（图12）。桑基图最明显特征是始末端的分支宽度总各相等，即所有主支宽度的总和应与所有分出去的分支宽度的总和相等，保持能量平衡。

（11）能源报警。对于一些重要的KPI分析，可基于设定标准值，进行基于邮件方式的报警提示（图13）。

图11 重点设备能耗分析

图12 基于桑基图能源流

图13 能源报警

（12）能源项目节能评估。基于企业进行的节能减排项目实施，对于节能项目效果进行节能评估。通过预先定义和后期的评测，基于图标等形式显示（图14）。

（13）能源分析库。B.Data中包含了众多分析库（图15），帮助进行能源分析。

（14）Web发布。B.Data既支持C/S模式，也支持B/S浏览模式，授权用户通过IE方式进行报表、趋势和视图等查询，并可进行手工数据录入等操作，极大方便能源消耗信息化管理。

图14 节能项目评测

三、西门子全集成能源管理特点

1.产品特点

基于B.Data的西门子能源管理解决方案，目前在国内外许多工厂有使用案例，其主要优点如下。

（1）集成性。与西门子相关产品形成完善的全集成能源管理方案，智能的软硬件通过识别、评估和实现等3个步骤，形成智能、高效的能源管理。

（2）可扩展性。基于C/S和B/S的分布式架构，灵活实现从1个工厂到1个集团的系统配置，并可基于企业实际情况，分批实现能源项目改造。

（3）专业性。B.Data是西门子专注于能源管理的系统平台，内置大量能源预测和优化分析的函数及模型，可为企业节能减排提供参考。

（4）简单性。不同于以往通过高级语言编程实现管理平台的思路，基于组态方式降低了能源项目的实施难度。

图15 蒸汽分析

（5）完善性。对于能源优化不是一次就能完善的，需要多次循环，组态的方式保证KPI修改及新算法快捷实现。

2.应用特点

建立能源管理系统，能够为企业实现以下愿景。

（1）符合节能减排相关法律法规，随着环保法推出，透明化和节能减排成为一种必然。

（2）基于能源报警，设备能效KPI指标分析，从能效角度进行设备维护和管理，发现潜在的设备故障问题，提高其利用率。

（3）随着能源价格市场化改革，基于消耗进行能源价格谈判成为必然，能源预测有助于降低能源采购成本，提高企业市场竞争力。