基于物联网的火电厂厂用电能效管理系统

赵正聪

摘要：火电厂的厂用电率是衡量发电厂运行质量的主要经济指标之一，降低厂用电率可以降低电能成本，提高相对供电量，具有重要的经济价值和社会意义。提出通过建立基于物联网的火电厂厂用电能效管理系统，实现厂用电信息采集的自动化、网络化、实时化以及厂用电能效管理的最优化、智能化与信息化。论述了厂用电能效管理系统的目标、体系结构、物理结构以及核心功能，分析了厂用电能效管理系统的直接与间接效益，包括社会效益、管理效益与经济效益。

关键词：物联网； 火电厂； 用电能效管理

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-2163（2013）05-0066-05

0引言

能源是人类生存和发展所依赖的重要资源，而电力则是现代化社会的最主要能源之一。目前，电力能源形式主要包括火电、水电、核电、风电、太阳能电力等，其中水电、风电、太阳能等清洁能源一直是人类追求的最佳能源形式。但是，目前全球还无法全部由这些清洁电力来保障电力供应，火电在电力能源中仍然占据重要的比例，尤其在我国，火电仍然是主要电力形式。我国是世界第二大能源消费国，但人均能源占有量不足世界平均水平的一半，能源稀缺成为制约中国经济持续高速发展的瓶颈。我国的火力发电厂主要是以煤炭为主，约占煤炭消费的60%。煤炭消耗一方面存在不可持续、不可再生的问题，另一方面对环境污染非常严重，因此提高火电厂效率、实现火电厂的节能降耗，对我国经济的长远发展具有重要的战略意义[1，2]。

火电厂的节能降耗与效率提升的重要途径之一就是优化火电厂自身厂用电的管理。发电厂在启动、运转、停役、检修过程中，有大量以电动机拖动的机械设备，用以保证机组的主要设备以及输煤、碎煤、除灰、除尘和水处理等辅助设备的正常运行。这些电动机以及全厂的运行、操作、试验、检修、照明等用电设备都属于厂用电负荷，总的耗电量，统称为厂用电；厂用电耗电量占发电厂全部发电量的百分比，称为厂用电率。厂用电率是发电厂运行的主要经济指标之一，一般火电厂的厂用电率为5%～10%。因此，降低厂用电率可以降低电能成本，提高相应对系统的供电量，具有重要的经济价值和社会意义[3，4]。

本文提出通过建立基于物联网的火电厂厂用电能效管理系统，实现厂用电信息采集的自动化、网络化、实时化，并且实现火电厂厂用电能效管理的最优化、智能化与信息化。该厂用电能效管理系统通过物联网实时监测辅机设备的运行状态，可以及时、准确掌握电能使用状况，支持能效优化与节能改造；综合分析能量利用与损失、设备效率、能源利用率，优化生产流程，降低生产中断风险，保障电厂高效运营；实现非生产用能（电、水、汽、煤、油等）的精细化管理，为科学用能、节能减排等决策提供支持服务；优化厂用电管理综合解决方案，提高电力能效利用率[5，6]。

本文首先概括了基于物联网的火电厂厂用电能效管理系统的目标，然后论述了系统体系结构、物理结构以及核心功能，最后对系统的效益进行了分析。

1系统目标

火电厂的制粉系统、烟风系统、给水系统和循环水系统等均为高耗电系统，其中，电动给水泵、循环水泵、吸风机、一次风机、送风机、磨煤机、凝结水泵等设备为高耗电设备[6]。通过优化调度制粉系统、烟风系统、给水系统、循环水系统、高耗电设备、非生产用电等厂用电系统和设备的运行，可以有效降低热电厂厂用电率，提高厂用电效能，具有重要的经济价值和社会效益。

发电企业非生产用能是指与发电生产过程无直接关系，非生产实际消耗的各类用能。主要包括检修、辅业公司的行政、生产用电、用汽、用水、用煤（油）；用于基建和新投机组的调试以及带负荷运行期间耗用的电量；生活区和关联协作单位用能等，优化分析并降低非生产用电也能降低发电成本[1，2，6]。

本文提出的基于物联网的火电厂厂用电能效管理系统就是通过建立火电厂厂用电及非生产用电能效管理系统，实现厂用电及非生产用电能效管理的自动化、信息化、网络化和智能化，全方位做好节电细化管理工作，实现能源利用效率的提高，有利于提高发电企业节能、经济、安全运行能力，满足节能降耗的能源政策及新的电力市场模式的需求，达到增强企业的可持续发展能力的目的。

基于物联网的火电厂厂用电能效管理系统可以实现以下主要目标：

（1）通过物联网实时监测辅机设备的运行状态，全面掌握电能使用状况、电能消耗数量与构成、分布与流向，并通过优化分析与节能改造，降低辅机电机的耗电量；

（2）实现能量利用与损失情况、设备效率、能源利用率、综合能耗等信息的综合管理，支持生产流程的优化设计与能效管理，降低生产中断风险，保障电厂高效运营；

（3）实现非生产用能（电、水、汽、煤、油等）的精细化管理，提高非生产用能管理水平，为科学用能、节能减排构造服务，并为企业运营提供决策依据；

（4）[JP3]实现生产用电与非生产用电信息的全面与综合管理，为厂用电能效管理的优化决策提供支持，逐步减低厂用电率。

2系统总体框架

火电厂厂用电能效管理系统以物联网为基础，通过遍布全厂的物联网智能监测设备/传感器实现在线、连续、实时的数据采集，监测所有电、水、气、热等信息，实时监控企业的能源动力应用状况，及时准确判断能源运行状态和需求趋势，确保能源生产可靠运行。

2.1系统体系结构[HT5”SS]

基于物联网的火电厂厂用电能效管理系统体系结构如图1所示。系统采用层次架构，包括物联网、物联网中间件、应用基础平台以及厂用电能效管理应用系统四个层次。同时，系统还要遵循并满足电厂相关标准规范体系与安全规范体系。

由图1可知，物联网由智能电度表、智能水表、智能热能表、智能燃气表、智能阀门以及其它各类智能传感器（如温度传感器等）通过有线或无线组网的方式构成，实现厂用电能效管理所需各种信息的实时采集以及相关设备控制；物联网中间件提供对物联网的访问，实现数据获取、存储、处理、融合以及挖掘等；应用基础平台提供应用系统一般性功能支持，包括基础数据管理、模型管理、工况监测、消息管理以及报警等功能；厂用电能效管理系统提供面向热电厂厂用电能效管理的各种应用功能，包括能耗监测、能耗分析、能耗预测以及能耗优化等功能。

2.2系统物理结构[HT5”SS]

火电厂厂用电能效管理系统采用分布式、多层次结构，系统共分为三部分：现场采集子系统、网络通信、控制管理中心，如图2所示。

在图2基础上，对厂用电能效管理系统各组成部分的功能分析如下：

（1）现场采集子系统

现场采集子系统一般部署在非生产过程各环节的现场，完成能耗监测。现场采集子系统由计量装置、能源数据网关和数据传输系统组成。其中：

① 计量装置是用来度量电、水、燃气、热（冷）量等能耗的仪表及辅助设备的总称；

② 能源数据网关/能源数据采集器实现对不同种类用能计量装置的数据采集，包括电能表、水表、燃气表、热/冷量表等；

③ 数据传输系统实现计量装置到能源数据网关之间的数据通信，主要包括RS485有线方式、载波方式、Zigbee无线方式等。

（2）网络通信

网络通信是整个系统的联系纽带，使非生产计量监控系统可以覆盖发电企业厂区各处。在非生产计量监控系统中，随着监测点数量的增多以及系统功能的增强，往往需要多种通信方式的组合使用，如光纤网、以太网、GPRS等。

（3）数据管理中心

数据中心接收并存储计量装置上传的数据，数据中心将经过数据处理后的分类分项能耗数据进行分析、汇总和整合，一方面通过静态或者动态的图表方式将能耗数据展示出

2.3系统核心功能

厂用电能效管理系统的核心功能主要分为非生产用电管理功能和生产用电管理功能。另外，基于OpenOffice实现了强大的报表功能，系统还包括能源部门内部报表、企业内部报表、企业对外报表以及报表冻结等功能。

2.3.1非生产用能管理

非生产用能管理的主要目的是对非生产环节能耗状况以及用能过程进行管理，挖掘能耗问题，指导节能改造，优化非生产用能管理，实现节能目标。主要包含能耗监管基础应用、能耗监管增值应用两大部分。能耗监管基础应用主要包括电能计量系统、给水管网监测系统、热能计量系统等。

（1）计量管理

针对非生产环节涉及的用电、用水、用气等用能环节，分别安装计量装置，系统支持采用一体化的计量装置以及能源网络，进行分类数据的采集。包括：计量设备台账管理、抄表管理、计量监测、运行监视和异常监测等。图3为实时电量数据监测界面。

（2）计费管理

计费计算系统按照算法与计算过程相分离的原则，实现算法描述、算法执行顺序规则、业务逻辑规则的可配置，降低算法描述、算法执行顺序规则、业务逻辑规则和核算之间的耦合度。主要功能包括：电量电费算法配置、电量电费业务规则配置、自动测试配置、电量电费计算、自动测试、运算监控和核算引擎几个部分。

（3）路灯管理

智能路灯控制系统采用基于Zigbee技术的物联网实现对路灯的智能化控制，有效降低路灯用电量。系统由监控中心、照明主控器、单灯智能控制器三部分组成，可以实现整体监控、单灯监控、定时监控、故障回报、参数采集、历史查询等功能。

（4）指标管理

每个计量监测点对象都可以采用指标数据及图形展示。对象的指标数据包括实时数据、计算数据、汇总数据；根据统计数据的不同特性，可以选择直观的图形化展现方式，如负荷数据的曲线表示，曲线与数据关联，建立对象的图形化信息；将指标数据与对象图形化信息综合调控到统一的指标面板，提供给业务管理人员使用。不同人员关注不同的对象及指标信息，对同一对象的关注指标也可能有所不同，因此，系统提供对关键指标的配置服务，用户可以对自己关心的指标进行个性化定制。

另外，系统为领导层、决策层特别设立了各类关键数据的仪表盘功能，可以帮助决策者对整个电网的电量计量情况、负荷变化情况、数据异常情况、资产运行情况等进行及时、全面、准确地了解，为进行宏观战略规划的实施和阶段目标的调控提供快捷的数字化辅助功能。

2.3.2生产用电管理

发电厂中高压辅机所耗的总电量占全部厂用电量的70%～75%，深挖高压电机节电潜力，降低耗电量，将是降低厂用电率的关键。通过发电厂用电系统的实时监测，在线分析辅机系统运行状况，在保证机组运行安全稳定的前提下，优化辅机运行方式并进行设备技术改造，从而在降低辅机单耗的基础上，进一步降低了全厂用电率[3，4]。

（1）能量消耗监测

系统可精确统计全厂的用电负荷情况，提供相应的负荷分析曲线。除电能参数外，还包括电流、电压、频率、功率因数、谐波等电量参数的实时存储与显示，从而减少传统的人工抄表与分析工作。图4为能耗监测系统界面。

（2）电能分析和谐波分析

系统可以在线监测配电系统的电压、谐波及功率因数等电能质量参数，通过谐波分量图和趋势图等，使用户及时了解真实用电环境，避免谐波危害和电能质量问题的发生，并对电能质量问题进行实时预警。同时，依据系统提供的各次谐波数据，有针对性地制定谐波治理，优化电能质量。

（3）性能指标管理系统

根据火电厂SIS系统积累的机组数据，采用数据挖掘算法，根据某种性能指标，找出机组相似运行工况下的最佳运行状态，指导运行操作，并最终通过数据累积，达到机组全工况下的优化。

（4）能效管理及优化

能耗管理及优化是能效管理平台的高级功能，通过利用曲线图、趋势图、柱状图等对设备用电的功率、三相功率因素、谐波等电能质量及电能使用情况进行统计分析，分析用电结构是否合理，为用户提供有效的节能信息，找出设备用电的缺口，对用电不合理的设备及时调整，同时优化用电模式，并结合企业的用电管理考核机制，最大限度地满足企业节能需要，由此为企业的节能考核提供最终决策依据。主要包括：相似工况下的参数对比和历史工况的数据查询功能。

3系统效益

在火电厂部署与应用基于物联网的火电厂厂用电能效管理系统可以实现厂用电状态的实时监测、分析以及厂用电的科学管理，为降低厂用电率提供支持，同时也可为电厂企业带来显著的效益。

（1）社会效益

基于物联网的火电厂厂用电能效管理系统在电厂的应用，能够有效促进火电厂降低厂用电率和供电煤耗，实现节能减排，减少火电厂产生的环境污染。

（2）管理效益

① 可以克服用电管理中存在的抄表工作强度大，工作效率低、及时性差、数据不准等问题；

② 通过物联网的实时在线监视，及时准确了解各主要生产设备耗电量，比较发电厂主要辅机设备的耗电情况及设备运行工况，指导运行值班人员调节机组运行参数，提高发电厂的经济运行水平。经过指标计算和指标分析，实现机组厂用电率的可控；