摘要

在能源資源日益緊缺和環境保護壓力不斷增大的背景下，如何高效利用能源、實現節能減排成為工業企業面臨的重要課題。本文提出了一種基于物聯網（IoT）與大數據分析的智慧化工業企業能耗監測與優化系統。該系統通過物聯網技術實現對工業企業能源消耗的實時監測和數據采集，并利用大數據分析技術對海量能耗數據進行深度挖掘和分析，從而實現對企業能源消耗的精細化管理、能耗異常預警以及節能方案的智能優化。實驗結果表明，該系統能夠有效降低企業能耗成本，提高能源利用效率，并為工業企業可持續發展提供有力支持。

1. 引言

隨著全球工業化進程的加速，能源消耗量持續增長，能源短缺和環境污染問題日益嚴峻。工業企業作為能源消耗的主要領域，其節能減排工作對實現可持續發展目標至關重要。然而，傳統的能源管理方式存在數據采集不及時、分析手段落后、節能措施缺乏針對性等問題，難以滿足現代工業企業精細化能源管理的需求。

物聯網和大數據技術的快速發展為解決上述問題提供了新的思路。通過物聯網技術，可以實現對工業企業能源消耗的實時監測和數據采集；而大數據分析技術則能夠對海量能耗數據進行深度挖掘和分析，揭示能源消耗規律，識別節能潛力，并制定科學的節能方案。

2. 系統架構與關鍵技術

2.1 系統架構

本系統采用分層架構設計，主要包括以下四個層次：

2.1.1.感知層：

傳感器網絡：在工業企業各個生產環節和能源消耗節點部署傳感器，實時采集水、電、氣、熱等能源消耗數據，以及生產設備運行狀態、環境參數等數據。

數據采集終端：負責將傳感器采集到的數據通過有線或無線網絡傳輸至數據處理層。

2.1.2.網絡傳輸層：

采用工業以太網、4G/5G、LoRa、NB-IoT 等多種通信技術，實現感知層與數據處理層之間高效、穩定的數據傳輸。

保障數據傳輸的安全性，采用加密技術防止數據泄露和篡改。

2.1.3.數據處理層：

數據存儲與管理：

采用分布式數據庫（如 Hadoop HDFS）和大數據處理平臺（如 Apache Spark）存儲和管理海量能耗數據。

對數據進行清洗、預處理和分類存儲，確保數據質量。

數據分析與挖掘：

實時分析：利用流處理技術對實時數據進行在線分析，識別能耗異常，及時發出預警。

離線分析：對歷史數據進行深度挖掘，分析能源消耗趨勢，識別能耗模式，評估節能措施效果。

機器學習：構建能耗預測模型，預測未來能源消耗趨勢，為制定節能方案提供依據。

數據可視化：利用可視化工具（如 Tableau、Power BI）將分析結果以圖表、儀表盤等形式直觀展示。

2.1.4.應用層：

能耗監測與展示：

提供實時能耗數據展示、歷史數據查詢、能耗報表生成等功能。

支持多維度、多層次的數據分析，如按時間、設備、車間、部門等維度進行能耗分析。

能耗異常預警：

基于預設的能耗閾值或機器學習模型，實時監測能耗數據，及時發現異常能耗行為。

通過短信、郵件等方式向相關人員發送預警信息。

節能優化方案制定：

根據能耗分析結果和預測模型，制定個性化的節能方案，包括設備優化運行、生產工藝改進、能源結構調整等。

對節能方案進行模擬評估，預測節能效果。

能源管理與決策支持：

提供能源消耗成本分析、能源使用效率評估等功能，為企業能源管理決策提供支持。

集成電力需求側管理（DSM）模型，優化企業用電策略，降低用電成本。

2.2 關鍵技術

2.2.1.物聯網技術：

傳感器網絡設計：選擇合適的傳感器類型和部署方案，確保數據采集的全面性和準確性。

數據傳輸協議：采用 MQTT、CoAP 等輕量級協議，實現高效的數據傳輸和設備管理。

2.2.2.大數據分析技術：

數據存儲與管理：采用分布式存儲架構，支持海量數據的存儲和快速查詢。

數據處理與分析：利用 Hadoop、Spark 等大數據處理框架，實現對海量數據的并行處理和分析。

機器學習算法：應用回歸分析、聚類分析、深度學習等算法，構建能耗預測模型，識別能耗模式。

2.2.3.數據可視化技術：

采用交互式可視化工具，將復雜的數據分析結果以直觀、易懂的形式展示出來。

支持多維度數據展示和實時數據更新，方便用戶進行數據探索和分析。

2.2.4.云計算技術：

利用云計算平臺提供的彈性計算資源和存儲資源，支持系統的高效運行和擴展。

采用 SaaS（軟件即服務）模式，降低企業部署和維護成本。

3. 系統功能

3.1.實時能耗監測：實時采集和展示企業各生產環節的能源消耗數據，提供多維度、多層次的能耗分析。

3.2.能耗異常預警：基于預設閾值或機器學習模型，實時監測能耗數據，及時發現異常能耗行為并發出預警。

3.3.能耗數據分析與挖掘：

分析能源消耗趨勢，識別能耗模式，評估節能措施效果。

構建能耗預測模型，預測未來能源消耗趨勢。

3.4.節能優化方案制定：

根據能耗分析結果，制定個性化的節能方案。

對節能方案進行模擬評估，預測節能效果。

3.5.能源管理與決策支持：

提供能源消耗成本分析、能源使用效率評估等功能。

集成 DSM 模型，優化企業用電策略，降低用電成本。

3.6.用戶權限管理：根據用戶角色分配不同的系統訪問權限，保障系統安全。

3.7.系統維護與管理：提供系統配置、數據備份與恢復、日志管理等功能，確保系統穩定運行。

4. 案例分析

本文以某大型制造企業為例，介紹了該系統的應用情況。實施該系統后，該企業實現了以下目標：

能耗成本降低：通過優化設備運行參數和調整生產計劃，該企業每月節約能源成本約 10%。

能源利用效率提升：系統提供的實時能耗數據和節能建議，幫助企業提高了能源利用效率，單位產品能耗下降了 8%。

能耗異常及時發現：系統能夠及時發現能耗異常情況，并發出預警，幫助企業快速響應，避免了不必要的能源浪費。

決策支持能力增強：系統提供的多維度能耗分析和預測模型，為企業制定能源管理策略提供了科學依據。

5.平臺概述

安科瑞企業能源管控平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

6.方案設計

6.1 系統結構

平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

現場通過廠區局域網和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

7.平臺功能

7.1 登錄

用戶可以用瀏覽器（建議用谷歌瀏覽器、火狐瀏覽器、360極速瀏覽器）打開網址 http://218.90.237.66:58890/，如圖所示。

7.2 駕駛艙

用戶可根據需要，在大屏展示能耗、能效數據，進行能效排名等等。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.3 首頁

首頁給用戶展示企業集團與分公司的每日用電統計信息、每周用電統計信息、總碳排統計信息、各分部用電統計信息、分時段用能統計等相關信息，展示報警的數據和分類，用戶還可以切換平臺主題色和中英文，以及全屏展示，如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.4數據監控

7.4.1 儀表監控

數據監控顯示了項目信息和項目下所有的設備信息，可以看到每個設備的通訊狀態、回路名稱、電參量等。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.4.2 抄表數據

該頁面展示某一回路中，一段時間內每天的日數據信息，用戶可以選擇不同的電力類型，顯示不同電參量數據，數據會以圖表或者數據列表的信息展示；逐日極值數據展示了各個電參量在一段時間內，每天最值數據及發生時間，還能統計平均值。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.4.3 參數報表

用戶可以查看各個區域設備的電參量報表，可以通過切換時間和調整參量顯示查看對應數據，如圖所示。支持報表導出和批量導出，導出報表為excel格式，批量導出可以導出多塊儀表的數據。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.4.4 極值報表

展示各個項目下的儀表的電參量在某一天中的最小值，以及平均值和發生時間，形成報表形式進行展示，并可導出。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.4.5 平均功率因數

展示了項目下某一回路按月/年的正向總有功電能、反向總有功電能、正向總無功電能、反向總無功電能、平均功率因數，并以折線圖和數據表格的形式展示，如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.4.6 配電圖

配電監測主要展示配電一次圖。選中需查看的項目名稱，即可查看該配電一次圖。點擊圖中數據，可以調出控制箱，查看實時數據，如相電壓，有功功率，無功功率，有功電能，相電流，無功電能，切換至歷史數據，通過選擇日期與電力類別，查詢想要看的圖表與數據。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.4.7 相序診斷

查看儀表的接線以及儀表數據是否正常，常見的診斷狀態有，正常，數據異常，接線松動，相序錯誤，失聯，相序接反。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5 能耗分析

7.5.1 用能概況

把環比、能耗趨勢、日用電功率曲線、功率峰值顯示在同一界面。根據查看某個項目，選擇對應節點、分類能耗，即可查看該項目，環比，能耗趨勢，有的還可以查看日用電功率曲線，功率峰值。同時，可以切換當日，當月，當年，查看不同時間段的能耗趨勢。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.2 趨勢分析

趨勢分析可以查看項目能耗節點下分類能耗的日月年能耗趨勢，如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.3 能源流向

主要展示單個項目各個分類能耗的流向圖。選中需查看的項目、分類能耗，起始日期及截止日期，即可查看該項目的能源流向。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.4 電費分析

根據項目設置的容量單價，需量單價，結合項目總容量，最大需量，復費率，計算用容量計費劃算，還是需量計費劃算。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.5 能耗排名

根據所選的能源消耗節點用量，進行能源消耗排名，從高到低。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.6 節能評估

企業可以在此添加節能技改記錄，設置基期和校準期，比較節能措施實施前后的同一產量下的節能量。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.7 同環比分析

企業可以查看各個能源節點的同比環比數據，如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.8 損耗分析

損耗分析可以查看各個用能源節點之間的線路損耗情況，也支持導出報表。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.9 分時能耗

平臺支持設置工作日，非工作日，維修日，停機日等多種時間段，然后根據設置的各個時段做統計。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.10 分組能耗

平臺支持多能源計量節點再分組，然后根據分組情況進行能源數據的日月年自定義時間段的趨勢數據進行統計，支持導出。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.11 對比分析

對比分析可以對選中項目的多個能耗節點進行圖表對比。選中需查看的項目，能耗節點以及日期，選中“日”，“月”其中一種報表類型，點擊“查詢”。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.12 碳排放監控

企業可以查看能源網絡計量點的各能源類型產生的碳排放量，同比環比數據，下級能源節點前五碳排放量的能源節點。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.5.13 能耗補錄

對于能耗異常的點位，系統支持對于異常數據的小修復。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.6 分項能耗分析

7.6.1分項概況

分項概況是把分項用能柱狀圖、餅圖、表格數據顯示在同一界面。根據查看某個項目，選擇對應能耗節點、分類能耗，切換日期，即可查看該項目對應時間段內的分項用能柱狀圖、餅圖、表格數據。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.6.2 分項同比分析

分項同比分析主要統計某個項目能耗節點某一類能耗分項用能與去年同期的比較分析。選中需查看的項目，分類能耗、能耗節點及日期，選擇“年份”即可查看該項目的分項用能表格數據和柱狀圖表。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.7 復費率分析

7.7.1 復費率報表

復費率報表主要統計項目能耗節點的尖、峰、平、谷電能及電費。選中需查看的項目，能耗節點及日期，選擇“日”，“月”，“年”其中一種報表類型。點擊“查詢”，即可查看該能耗節點的復費率報表；點擊“導出”可導出表格。如圖所示。

注：此報表需要計量裝置支持分時段統計功能。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.7.2 反向復費率報表

反向復費率報表主要統計項目能耗節點的尖、峰、平、谷電能及電費。選中需查看的項目，能耗節點及日期，選擇“日”，“月”，“年”其中一種報表類型。點擊“查詢”，即可查看該能耗節點的反向復費率報表；點擊“導出”可導出表格。如圖所示。

注：此報表需要計量裝置支持分時段統計功能。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.7.3 復費率趨勢

以柱狀圖展示日，月，年內尖峰谷的用電趨勢，以餅圖展示尖峰谷用電量的占比以及金額占比。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.8 產量管理

7.8.1 產量錄入

系統支持手動錄入各個能源節點的產量數據、產值數據。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.8.2 產量統計

系統可以按照日月年自定義時間段，查看各個能源計量節點下的產品產量數據，產值數據。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.8.3 產量同比環比

企業可以查看各個能源計量節點下的產量的同環比數據。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.8.4 產品錄入

手工錄入產品的編號，名稱，售價。國際，先進企業標準等數據，為產品錄入做準備。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.9 單耗分析

7.9.1 單耗報表

查看各個能源計量節點下的電單耗、水單耗等趨勢數據以及電產值單耗、水產值單耗數據。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.9.2 產品單耗

可以查看各個能源計量節點下的各個產品的在時間區間段內的單位產品單耗和單位產值單耗。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.9.3 單耗對標分析

展示各個能源計量節點下各個產品與國際，國際，企業等標準的對比數據。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.9.4 單耗趨勢分析

按照月，年展示各個能源計量節點的單耗趨勢數據。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.10 指標考核

7.10.1 評分設定

設定整個企業考核各個能源計量節點的評分標準。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.10.2 指標設定

設定各個能源計量節點的計劃指標數據，為績效kpi分析做準備。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.10.3 指標KPI分析

根據企業設定的評分標準，和設定的各個能源計量節點的指標，展示各個能源計量節點的績效評分數據。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.11 班組能耗

7.11.1 班組管理

班組增刪改查。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.11.2 班組設置

對各個能源計量節點的班次班組設置。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.11.3 班次管理

設置企業，或者能源計量節點的班次情況，增刪改查。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.11.4 班組能耗

可以查看各個能源計量節點下，各個班組在區間段內的總能耗。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.12 變壓器管理

7.12.1 變壓器管理

變壓器管理頁面展示了關聯項目下所有的變壓器信息，信息包括變壓器名稱、儀表、額定容量、項目名稱、備注、創建時間等，可根據項目名稱/變壓器名稱找到對應變壓器。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.12.2 變壓器監控

展示各變壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出最低。如圖所示

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.12.3 變壓器平均負荷報表

該頁面展示了項目下單個變壓器的各項數據，用戶可以切換該項目下其他變壓器和不同時間維度查看變壓器平均負荷等數據，如圖所示。本頁面支持報表導出，點擊導出按鈕即可導出相應數據，導出報表為excel格式。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.13 組態控制管理

組態圖需要由客戶自行繪制。

7.13.1 組態圖管理

組態管理頁面展示了關聯項目下所有的組態信息，信息包括配置編號、配置名、類型、標簽、控制操作等，可根據類型/標簽/配置名找到對應組態。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.13.2 圖元分類管理

該頁面可以對圖元進行分類管理，如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.13.3 圖元管理

用戶可以通過此頁面，上傳和查看圖元，如圖所示。

7.13.4 模板管理

該頁面可以存儲和使用組態模板，如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.13.5 組態圖

該頁面主要展示客戶繪制的組態圖頁面。如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

7.14 設備監控

7.14.1 視頻監控

點擊視頻監控即可查看當前攝像頭視頻監控，視頻監控功能需要配置視頻監控信息，支持回放的監控設備還可查看指定時間的視頻回放，如圖所示。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

8.典型硬件

8.1導軌式電能表DTSD1352

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

● 有功精度：0.5S級，無功精度：2級（目前標準最高），電壓、電流精度：0.2級

● 電壓規格：3×100V、 3×380V、3×57.7/100V、3×220/380V

● 電流規格：3×1(6)A（經互感器接入），3×10(80)A（直接接入）

● 工作溫度：-25℃~+55℃

● 相對濕度：≤95℅（無凝露）

● 通訊：最大支持2路獨立485通訊，Modbus RTU規約/DL/T645-07規約可自適應，兩路485可獨立設置，亦可使用不同協議；波特率1200bps-19200bps可設，奇偶校驗位可設

● 功能：支持1DI1DO；支持有功脈沖輸出

● 外形尺寸：126*88*69，標準DIN35導軌安裝

8.2智能遠傳水表

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

● 可用電子直讀式，具有高清晰液晶顯示，直接讀取和通信發送。該水表的特點包括：高靈敏度，始動流量小，計量精度高，具備誤差自動修正功能；通訊方式：可通過MODBUS-RTU通訊接口進行通信，管理者可對水表各參數進行設置或修改，也可抄回表內的信息以便供管理部門進行統計、監測；斷電后數據可保存10年以上；擴展功能：可根據需要擴展遠程控制閥門開關功能；耐高溫：可在120℃下長期工作，水解穩定；抗腐蝕：抗酸堿腐蝕性強不易被腐蝕，阻燃性能好，環保：水資源免遭二次污染。

● 通信規約依照《CJ-T188-2004戶用計量儀表數據傳輸技術條件》或者兼容《DL/T 645-2007》的規約。

8.3智能網關

ANet智能通信管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通訊接口及一個或者多個上行網絡接口，用于將一個目標區域內所有的智能監控/保護裝置的通信數據整理匯總后，實時上傳主站系統，完成遙信、遙測功能。

添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）

9.結束語

安科瑞企業能源管控平臺能夠采用自動化、信息化技術建立能源管理調中心，實現從能源數據采集——過程監控——能源介質消耗分析——能耗管理等全過程的自動化、高效化、科學化管理。從而使能源管理、能源生產以及使用的全過程有機結合起來，使之能夠運用的數據處理與分析技術，進行離線生產分析與管理，提升企業能源管理，提高企業競爭力。


審核編輯 黃宇