摘  要： 介紹了總體能耗控制優(yōu)化算法，在此基礎(chǔ)上完成了能量管理系統(tǒng)的設(shè)計。詳細(xì)描述了能量管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)和各主要功能模塊的功能，并對該系統(tǒng)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞： 能量管理系統(tǒng)；電耗控制；應(yīng)用平臺；優(yōu)化算法

　　變頻器正向低噪聲、高性能、高可靠性方向發(fā)展，以其調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快、效率高及操作方便等優(yōu)點，在節(jié)約能源、控制工業(yè)生產(chǎn)過程、提高企業(yè)自動化生產(chǎn)水平等方面取得了良好的效果，目前已在鋼鐵、冶金、石油、化工、紡織、化纖、輕工、造紙、橡膠、塑料、電力、水務(wù)等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

　　針對電力、冶金、石化、煤炭等高耗能行業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)過程節(jié)能減排的實際需求，研究總體電耗控制優(yōu)化算法，研發(fā)相關(guān)支撐軟件和管理軟件，形成應(yīng)用于相應(yīng)行業(yè)的能量管理系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 總體電耗控制優(yōu)化算法的原理

　　應(yīng)用變頻調(diào)速器所獲得的節(jié)電效果只是減少了富裕流量和富裕揚程造成的多余耗電量，對于整體的效率考慮很少。采用軟硬件結(jié)合的總體能耗控制技術(shù)，不但減少了富裕流量和富裕揚程造成的多余耗電量，而且使系統(tǒng)整體運行效率最高，從而使系統(tǒng)在滿足運行工況同時，達(dá)到了節(jié)能的目標(biāo)。

　　總體電耗控制優(yōu)化算法示意圖如圖1所示。

　　總體電耗控制優(yōu)化算法最重要的是給出輸送介質(zhì)系統(tǒng)輸送單位電單耗最小值，以及相應(yīng)的運行搭配方案和調(diào)速方案。此技術(shù)根據(jù)所用泵（風(fēng)機(jī)）及配套電機(jī)的額定參數(shù)，綜合考慮傳輸介質(zhì)系統(tǒng)及配電系統(tǒng)中各部分的運行消耗，按照泵機(jī)搭配策略和變頻器調(diào)速策略，通過優(yōu)化計算，得出滿足工藝要求的壓力、流量、溫度的泵機(jī)搭配方案和變頻器調(diào)速方案，從而得到電耗最低值及相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)備運行參數(shù)。按此方案運行，其節(jié)能效果比單獨使用變頻調(diào)速器獲得的節(jié)能效果更大。按照試驗測算，在已有變頻調(diào)速裝置基礎(chǔ)上可實現(xiàn)節(jié)電7%~33%左右，節(jié)能效果因各輸送介質(zhì)系統(tǒng)的特性參數(shù)和運行狀態(tài)不同而異。

2 設(shè)計目標(biāo)

　　本課題基于多重安全性機(jī)制的SCADA總體架構(gòu)，研發(fā)自主可控基于廣域網(wǎng)絡(luò)的能量管理系統(tǒng)應(yīng)用平臺。在不同硬件和軟件平臺上，為用戶提供統(tǒng)一的運行和操作環(huán)境，支持Windows/Unix/Linux多平臺應(yīng)用；采用高可靠性的設(shè)計方案，使系統(tǒng)可靠性達(dá)到99.98%以上；分布式海量數(shù)據(jù)庫支持容量不小于300萬點的技術(shù)指標(biāo)；研發(fā)多系統(tǒng)集成、分層分級的分布式實時監(jiān)控和綜合調(diào)度平臺，支持網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點數(shù)不少于100個，提供多專業(yè)分布式部署、多人協(xié)同組態(tài)、集中監(jiān)控、多系統(tǒng)聯(lián)動、多重冗余和負(fù)載均衡、面向設(shè)備的對象化、智能報警管理、自定義編程邏輯和模式控制等功能；研發(fā)多通道多協(xié)議通信技術(shù)，支持多種業(yè)界主流RTU、PLC、DCS控制系統(tǒng)的驅(qū)動協(xié)議，支持冗余和通信信道的切換，支持10種以上規(guī)約和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，支持?jǐn)嗑€續(xù)傳、多級級聯(lián)并可無縫接入SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多系統(tǒng)集成，提供外部的多種數(shù)據(jù)共享和交互接口方式。

3 總體方案

　　能量管理系統(tǒng)在設(shè)計上遵循相關(guān)的國際/國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以滿足行業(yè)應(yīng)用的需求為設(shè)計目標(biāo)。同時為了適應(yīng)行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢和技術(shù)走向，系統(tǒng)應(yīng)具備較好的開放性。系統(tǒng)遵循國際或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，摒棄自制各種非標(biāo)準(zhǔn)化件的思路，低層硬件平臺選型注重標(biāo)準(zhǔn)化和通用性。在網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)等還缺乏國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，選擇事實標(biāo)準(zhǔn)，使整套系統(tǒng)的開放性不僅立足在企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)上；軟件從設(shè)計到實現(xiàn)充分考慮模塊化、接口的完整、規(guī)范和開放，為今后的應(yīng)用發(fā)展和第三方軟件集成留下可實現(xiàn)的開發(fā)級開放平臺，保障了用戶的投資和系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展；同時針對使用者、工程實施人員進(jìn)行功能開放，做到現(xiàn)有的功能和功能調(diào)整不修改原系統(tǒng)的任何程序代碼，保證系統(tǒng)的安全可靠和應(yīng)用的靈活多樣性；應(yīng)用軟件支持各種操作系統(tǒng)（Windows/Unix/Linux）和采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的互換性。安全、可靠、先進(jìn)、穩(wěn)定是系統(tǒng)的目標(biāo)，開放是貫穿始終的原則。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

4 模塊設(shè)計

　　4.1 系統(tǒng)運行環(huán)境

　　系統(tǒng)運行環(huán)境包括計算機(jī)硬件平臺和軟件環(huán)境，提供的系統(tǒng)支持不同架構(gòu)的計算機(jī)平臺（X86/SUN/HP/IBM等）、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（LAN/WAN/WLAN/GPRS/CDMA等），支持不同的操作系統(tǒng)（Windows/Unix/Linux）、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Oracle/Sybase/MS-SQL等）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和圖形協(xié)議（X-Window/MS-Window）等；上述軟硬件環(huán)境均支持不同的安全級別，能夠滿足能量管理系統(tǒng)對于安全防護(hù)方面的需求。

　　4.2 系統(tǒng)應(yīng)用平臺

　　通過對不同軟件環(huán)境的內(nèi)核升級，提供在不同硬件和軟件平臺上統(tǒng)一的運行環(huán)境，通過對系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點及其進(jìn)程的監(jiān)視和管理，保障系統(tǒng)節(jié)點運行穩(wěn)定，使系統(tǒng)服務(wù)器提供安全、可靠、穩(wěn)定的服務(wù)；事件管理為應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的報警信息生成、傳輸、提交、確認(rèn)和存儲機(jī)制；消息管理機(jī)制為系統(tǒng)提供快速、可靠的信息傳輸，保證系統(tǒng)的實時性。

　　4.3 分布式數(shù)據(jù)庫管理

　　分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要包括分布式節(jié)點管理、實時數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)管理。對于采集端，提供分布式實時數(shù)據(jù)采集錄入接口，支持分布式海量數(shù)據(jù)的實時錄入；對于客戶端，提供分布式實時數(shù)據(jù)庫通用訪問接口，支持分布式實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的查詢分析。系統(tǒng)中部署多個實時庫管理服務(wù)器和歷史庫管理服務(wù)器，分別進(jìn)行實時數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)管理。實時庫服務(wù)器主要對點表進(jìn)行管理，以主內(nèi)存方式組織管理數(shù)據(jù)，提供實時的數(shù)據(jù)存儲和查詢服務(wù)。歷史庫服務(wù)器對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲管理，支持歷史數(shù)據(jù)壓縮，并提供快速的歷史數(shù)據(jù)查詢分析服務(wù)。除此之外，通過分布式節(jié)點管理服務(wù)器與多個實時庫管理服務(wù)器和歷史管理服務(wù)器的分工協(xié)作，分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還支持系統(tǒng)管理和安全訪問控制、分布式事務(wù)實時動態(tài)調(diào)度、系統(tǒng)日志與故障恢復(fù)等功能，而其中的實時數(shù)據(jù)同步與交換服務(wù)則為各服務(wù)器之間提供基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

　　針對大型工業(yè)級實時/歷史數(shù)據(jù)高效存儲和快速I/O特點，冗余服務(wù)器切換時間小于2 s等要求，研究基于分布式處理模型，實現(xiàn)不受服務(wù)器處理能力、磁盤空間和帶寬限制的高效數(shù)據(jù)調(diào)度處理。

　　在數(shù)據(jù)庫安全方面，通過安全訪問控制和數(shù)據(jù)庫安全加固技術(shù)，保證對數(shù)據(jù)庫的安全訪問和數(shù)據(jù)的完整、可靠。

　　4.4 應(yīng)用支持

　　為綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供通用的集成支持，在國際/國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，在安全防護(hù)技術(shù)的支持下，通過系統(tǒng)集成平臺實現(xiàn)與外圍系統(tǒng)的信息集成和共享，通過多通道多協(xié)議通信機(jī)制實現(xiàn)與遠(yuǎn)方設(shè)備（RTU/PLC等）的通信，為系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)安全控制。

　　多通道多協(xié)議通信主要針對分布式異構(gòu)環(huán)境，實現(xiàn)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)源的實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一編碼；支持對底層的數(shù)據(jù)采集以透明的方式進(jìn)行。對于不同的數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)處理過程抽象為協(xié)議池、統(tǒng)一編碼轉(zhuǎn)換、預(yù)處理和狀態(tài)監(jiān)測四個層次。

　　數(shù)據(jù)通信既要考慮外部應(yīng)用和第三方數(shù)據(jù)源的連接，還要實現(xiàn)與底層物理設(shè)備的連接，包括電力綜合自動化設(shè)備、RTU、PLC、自動化儀表、RFID等的連接，特別要支持傳感器的自動發(fā)現(xiàn)和管理，以構(gòu)建一個面向物聯(lián)網(wǎng)的分布式實時集成通信環(huán)境。

　　4.5 分布式實時監(jiān)控平臺

　　分布式監(jiān)控平臺提供能源企業(yè)的大型分布式SCADA實時監(jiān)控軟件平臺。以系統(tǒng)應(yīng)用平臺和大容量分布式數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，支持分層分級的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點數(shù)不少于100個，支持多專業(yè)分布式部署、多人協(xié)同組態(tài)，可采用集中分層監(jiān)控模式，實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動，通過多重冗余和負(fù)載均衡技術(shù)，保證系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定地運行；面向設(shè)備的對象化，支持Windows/Unix/Linux跨平臺應(yīng)用，智能報警管理，自定義編程邏輯和模式控制，符合IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有全中文界面，支持C/S與B/S混合瀏覽操作應(yīng)用模式、支持異地災(zāi)備冗余系統(tǒng)。

　　4.6 運行管理

　　運行管理提供智能控制和分析工具。調(diào)度人員可以根據(jù)相應(yīng)的分析結(jié)果了解系統(tǒng)的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)異常，為安全運行提供保障。

　　運行管理包括能源信息實時監(jiān)視和能源基礎(chǔ)管理。能源信息實時監(jiān)視實現(xiàn)了能源實時數(shù)據(jù)的顯示、報警、實時&歷史趨勢顯示、數(shù)據(jù)處理與歸檔、數(shù)據(jù)查詢和打印、能源在線平衡分析；能源基礎(chǔ)管理實現(xiàn)了能源質(zhì)量管理、能源設(shè)備管理和能源分析管理。

5 前景展望

　　基于總體電耗控制優(yōu)化算法的能源管理系統(tǒng)有良好的工業(yè)節(jié)能效果。項目系統(tǒng)可以應(yīng)用到各種工業(yè)現(xiàn)場中，采用優(yōu)化計算得出泵機(jī)搭配和變頻調(diào)速方案，能大大提高節(jié)能效果。同時，本系統(tǒng)能降低諧波污染、提高電網(wǎng)品質(zhì)，保證設(shè)備安全穩(wěn)定地運行。