电能管理系统解决方案

一、概述

根据国家发改委等六部委《关于印发电力需求侧管理办法的通知》的相关文件精神，为提高电力资源利用效率，改进用电方式，实现科学用电、节约用电、有序用电，推进电力需求侧管理相关工作的进一步落实，同时加强该专项资金的管理，相关部门制定了《电力需求侧管理专项补助资金管理办法》用以引导企业更好的开展电力需求侧管理工作。

其中山西省经济和信息化委员会在《山西省财政厅关于做好2016年电力需求侧管理项目相关工作的通知》中明确指出为推进工业企业电能信息采集系统建设，科学诊断企业用电状况和负荷特性，强化电力需求侧管理，将参与2016年电力直接交易的工业企业作为重点，全力推进企业电能信息采集系统建设。并将给予验收合格的项目资金补贴。

电力需求侧电能管理系统作为电力需求侧管理应用的有效抓手，将帮助企业提供一套成熟、有效、便捷的电能精细化管理解决方案，从而提高企业能源系统的运行、管理效率，并实现安全稳定、经济平衡、节能减排的基本目标。企业通过搭建电力需求侧电能管理系统可以优化用电方式，提高终端用电效率，优化资源配置，从而实现用电管理成本最小化，改善和保护了环境。

二、意义

2.1完善电能信息的采集、存储、管理和利用

企业建立电力需求侧电能管理系统，就获得了电能系统的第一手资料，经过数据分析、处理和加工，在电能管理中心控制室的调度人员和专业能源管理人员就能实时掌握系统运行情况：系统运行是否正常、运行状态是否安全稳定、能源调度分配是否合理等，并能在需要时及时采取调度措施，使系统尽可能运行在最佳状态。

2.2规范电能系统的自动化系统设计

确保系统设计的标准化、规范化，使系统的能反映当前自动化行业的水平，做到系统安全、可靠、经济，系统可扩展、可维护和易操作。

2.3实现对电能系统的分散控制和集中管理

针对企业生产工艺系统的分散和电能管理要求集中的特点，建立以电能调度指挥为中心的电能信息管理系统，实现电力系统的分散控制和集中管理。

2.4减少能源管理环节，优化能源管理流程，建立客观能源消耗评价体系

实现对用电设备的运行管理、停复役管理等自动化和无纸化管理，有效实施以客观数据为依据的电能消耗评价体系，减少电能管理的成本，提高电能管理的效率，及时了解真实的电力能耗情况和提出节能降耗的技术和管理措施，协助公司管理者制订电能管理措施和考核办法，向电能管理要效益。

2.5减少能源系统运行成本，提高劳动生产率

电力需求侧电能管理系统的最终目标是实现简化能源运行管理，减少日常管理的人力投入，节约人力资源成本，提高劳动生产率。

2.6加快能源系统的故障和异常处理，提高对全厂性能源事故的反应能力

电力需求侧电能管理系统建成后，能源调度人员对能源系统的异常和事故的反应处理速度能够得到显著提高。能源调度可以通过系统迅速从全局的角度了解系统的运行状况，故障的影响程度等，及时采取系统的措施，限制故障范围的进一步扩大，并有效恢复系统的正常运行。

2.7通过优化能源调度和平衡指挥系统，节约能源和改善环境

电力需求侧电能管理系统建成后，将通过优化电能管理的方式和方法，改进能源平衡的技术手段，实时了解全厂的电能需求和消耗的状况，有效地减少电能损耗，使电能的合理利用达到一个新的水平。

2.8为进一步对能源数据进行挖掘、分析、加工和处理提供条件

本系统不仅可以有效解决能源实时平衡管理和监控管理，还可以通过对大量历史数据的归档和管理，为采用进一步的工具进行数据挖掘、分析、加工和处理创造条件。数据是财富，数据可以成为信息，将为公司的高端能源管理提供现实的可能性。

三、需求分析

企业建立电力需求侧管理系统，首先要实现集过程监控、电能管理、能源调度为一体的管控一体化计算机网络信息系统。结合电能的使用分布情况，构建经济、适用、安全、可靠的电能管理中心，实现企业全部变电站和重要用电设备的集中监控和供配电系统的分析和调度员仿真培训，提高系统供电的可靠性。

其次，系统要实现供配电系统的经济运行提供决策指导，确保企业生产安全、可靠、经济、优质运行，实现企业从经验型到分析型管理调度职能的转变，强化企业整体的电能调度与管理，从根本上解决电力能源的利用与浪费问题。

最后，电力需求侧电能管理系统要实现电能管理的信息化和现代化，完成对公司电能数据的宏观和微观上的调度，从而提高企业生产效率并增强企业竞争力。

四、建设依据

4.1系统建设内容

第一、电力需求侧电能管理系统要实现电力数据采集系统的建设，完善对现场电能数据的采集和用电设备的实时监控。

第二，电力需求侧电能管理系统要实现对能源介质和生产过程的实时调控。系统要以运行数据指导企业实现对控制系统进行必要的改造，主要包括两方面：一方面是电力输送控制系统的改造，用于适应自动化控制；另一方面是电力生产控制系统改造，用于实现动态管理和实时监测。

第三，电力需求侧电能管理系统通过基础软件、控制系统、基础硬件、现场视频监控和电能管理中心大厅等基础平台设施，实现企业电能管理的集中控制。电力需求侧电能管理系统采用的建设基础技术包括系统集成和应用集成技术、现代计算机和网络技术、数据库和实时数据库技术、数据分析和预测技术等。

电力需求侧电能管理系统建设要在“摸得清”“管得住”“降得下”三方面下工夫。摸清能源消耗状态，管住能耗指标，提出节能减排措施。

4.2系统设计原则

可扩展性—系统的设计上一方面要全面满足当前环境下的需求及未来一段时间的应用需求，另一方面要能方便地进行功能扩展，可灵活增添删减功能模块。

可集成性—从技术发展角度和用户需求来看，软件结构本身应能与上层应用系统集成，做到信息共享和资源数据共享。

4.3系统设计依据

《电力需求侧管理平台建设技术规范(试行)》

《电力能效监测系统技术规范》

《工信部运行97号文》

《山西省电力需求侧管理企业电能信息采集系统验收规范》

《关于印发电力需求侧管理办法的通知》

《电力需求侧管理专项补助资金管理办法》

《山西省财政厅关于做好2016年电力需求侧管理项目相关工作的通知》

《中华人民共和国节约能源法》（1998年1月）

《中国节能技术政策大纲》（计交能[1996]905号文）

《电网调度自动化设计规范》

《远动设备终端通用技术条件GB/T16435-1996》

《中华人民共和国安全行业管理规范》

《软件工程国家标准》

《中国电气安装工程施工及验收规范》

《安全防范工程程序与要求GA/T75-94》

《安全检查防范系统通用图形符号GA/T74-94》

《工业过程测量和控制的电磁兼容性标准》NFC 46-022

《软件开发规范》ISO9001-2000

《民用建筑电气设计规范JGJ/T16-92》

《计算机场地技术要求》 GBJ45—82

《能量管理系统应用程序接口》 IEC61970

五、系统整体结构

5.1系统拓扑图

电力需求侧电能管理系统的建设分为三层架构设计，分别为现场采集层、网络隔离层和中心应用层。

现场采集层设计

现场采集层的设计内容主要针对现场各类电能、电压、电流等仪表数据的采集和重要生产工艺或耗能设备的数据监控，必要的情况下也可以将其他介质能源的监控纳入到该电能管理系统中来。

根据实际现场的实际情况，以就近原则将各类电能表、综保等设备通过232/485等接口接入到现场采集设备，对于较远物理位置的设备或仪表，通过串口服务器转换成以太网后，再通过现场数据采集网关接入；数据采集网关对现场所有数据整理分类后，统一以标准的电力协议对上层网络进行数据转发。

对于现场的重要生产工艺设备或大耗能设备的数据接入，可以直接从现场的SCADA系统或DCS系统进行数据采集，现场数据采集网关提供多个互不干扰的以太网口，对不同网段的系统进行数据采集的同时，保证各SCADA或DCS局部网络的独立性。

网络安隔离层设计

安全隔离网关实现对所有的采集网关的数据汇总，对下采集所有采集网关的数据，对上通过物理隔离后将数据转发到中心应用层；在办公网和电力能源网之间设置工业防火墙来避免办公环境下的病毒浸入电力能源网；保证整个网络的安全稳定运行。

中心应用层设计

电力需求侧电能管理系统在中心机房进行整体部署，将部署多台IO服务器，每2台互为冗余形成双冗余采集链路，并将数据传输到实时/历史服务器进行实时存储。历史数据服务器同样按照冗余架构部署，并配置磁盘阵列作为历史数据的物理存储设备，进一步加强历史数据存储的稳定性和容量保障。同时实时历史服务器将数据转发到应用服务器的关系数据库中，为电能管理的整体电能分析做好数据支撑工作。

5.2系统介绍

力控电力需求侧电能管理系统软件功能如下：

5.2.1数据采集及监控

本系统的数据采集及转发模块内置多种行业和国际标准规约，可对电能量、电能质量数据、报警信息以及其它数据信息进行实时采集，配置操作简单。

系统支持CDT规约，DNP3.0规约，IEC870-5-101/102/103/104规约，SC1801规约，Modbus/Jbus（RTU/ASCII/TCP）规约，多种多功能电度表规约、CANBus规约、LonWorks规约等多种电力常用规约。系统能够对三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电流及电压诣波、电量等电参数以柱状图、曲线、饼图、图表、数字等多种形式进行展现。系统内置大量的具有依据最新电气符号国标绘制的电力图库，可以方便按照工艺流程实现电能的可视化，实现电能从输入到输出整个流程的监控。

5.2.2设备能耗分析

力控电力需求侧电能管理系统能够实现同一设备在不同时段的用能分析比较；能实现相同设备在同一时段的用能分析及比较；能实现关联指标在同一坐标平面内的关联分析管理，调节设备的负荷需量。

力控电力需求侧电能管理系统通过对电能实时采集、动态监测、能耗分析、成本核算、绩效考核和报表发布等功能，实现企业电能管理的精细化，促进节能降耗。简洁明了地显示当月、当年用能情况，并与往年同期用能进行对比，掌握用能趋势。实时动态监测企业当前用电功率。通过设置每日用能的计划值，实现用能的定额管理，并与实际用能进行对比，对可能出现的用能突增进行预警。将各类用能折算为标准煤，使用户全局掌握企业用能情况。

5.2.3电能时段管理

系统能够实现对峰、谷、平电量消耗的统计及分析；能够实现峰、谷、平电价统计分析及用电成本分析管理。本系统自动根据预定时段分类进行时段管理，分类包括：“尖”、“峰”、“平”、“谷”等。系统用户可以进入时段管理界面给每天的时间段分类。此外，需量管理系统的设计非常灵活，它可以处理固定和动态改变的时间段。将企业用能按照尖、峰、平、谷划分，找到企业用能在时间段上的不合理之处，同时可作为企业能耗复费率计算的依据。系统可以统计任意时间期间的能耗，并进行逐日、逐周、逐月、逐季度、逐年汇总。

5.2.4电能效率管理

在变配电运行监控系统的基础上，可以实现精确的电效率管理。系统能指导用户进行合理的尖峰平谷的负荷特性优化功能及用电效率分析。可进行用电量分析统计，可按供电区域、变电站、线路分析统计。用户可以制作电能消耗图、确定负载功率因数、鉴别高峰需量时间段设备运作能耗，确定设备最佳运作时间段。

系统用户可根据供电局帐单、分析电力帐单、比较在不同收费单价情况下的费用，并依此调节能源分配，以实现能源的最优利用。

在变配电运行监控系统的基础上，可以实现详细的负荷分析，从而可以加强科学管理，从而做到“削峰填谷”，提高符合率，改善负荷曲线，以保证电网安全、经济运行。

5.2.5模拟量分析

系统能够实现对三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电流及电压诣波、电量等电参数在设定时间段内的最大量、最小量、平均值及电价分析。

5.2.6电力能耗统计排名

系统能够实现工艺段内的用能大小分析及排名,得出耗电最大的设备及耗电最小的设备排名,便于后期的诊断治理。用户可以根据此排名调整用电策略，以实现电能的最优利用。

5.2.7报表及曲线系统

系统的图表及曲线等组件可以方便的生成电力分析曲线，电流棒图等，用于实时监测电力系统稳态运行过程中各电力参数的变化趋势，直观地实时掌握所有监测线路各相电流的平衡情况和当前负荷大小，线路各相电流的大小和占其额定电流的百分比例情况。

报表格式可以根据生产的实际要求，通过监控软件与EXCEL电子表格的动态链接，任意定义各类表格及其格式，如班报表、日报表、月统计表，甚至年统计表等等。并且可以统计每一个报表的最大、最小值，做出相应的棒图、趋势图、X-bar图等数据分析方案，使整个管网运行、设备优化和企业管理进入全面量化控制过程。利用定时打印设置功能，可以设置定时自动打印各类报表，也可以根据需要人工干预，随时打印所需报表。 

5.2.8历史储存

对实时数据进行海量历史数据归档，提供历史数据接口服务。历史数据存储归档支持数据定时存储、条件存储、变化压缩存储、趋势压缩存储等多种技术，具备更强大的生产数据分析与统计功能。能够满足系统运行数据报表及曲线记录、存储、查询功能,便于进行诊断治理前后的数据分析对比。

历史趋势：根据用户的需要我们可以将相关的监控点数据生成历史趋势图。通过历史趋势，用户可以查看以前特定某段（点）时间的历史图形记录，可以查找故障发生的时间，变化趋势，从而找出系统的故障原因。

实时趋势：同样可以生成实时趋势图，用于分析模拟量参数的变化趋势，以更好地让操作人员掌握系统参数的变化趋势，使系统保持最佳运行。

5.2.9报警和事件管理

系统具备安全用电报警功能：包括设备故障报警、用能（电）量超标报警、过电流报警、过电压报警、电能质量超标报警等功能，并以多种报警方式展现给用户(包括声光报警、短信报警、云平台报警等多种模式)；并且能够对报警记录进行事件查询,便于故障分析及诊断。

对于监控站的设备或系统部件故障报警、诊断报警等，管理软件能自动处理。对工艺过程报警管理软件进行报警组态后自动处理。系统对任一报警可以用监控站内置喇叭发出声音警报，同时可将重要参数作为数字量输出点，用以驱动外接音响。对于每个报警可以按以下逻辑设置：即报警发生时系统自动切换至报警参数所在画面，同时在报警提示行以醒目的颜色显示报警信息。

所有报警都可以单独设置是否需要打印及打印风格，工作站上显示的报警记录均带有日期和时间，对报警参数恢复的日期和时间同样进行显示和记录。对于每个报警类型组态的方法是在报警设置的对话框内完成的。报警和打印的时间分辨率可达1秒。

报警详细内容如下：

报警/事件具有优先显示权，除在流程上单点显示外，还报警或事件状况列表显示，表中至少包括标志符（位号）、数值、说明、时间（年、月、日、时、分、秒）、位置等。

报警具有容易引起警觉的声响输出，具有语音提示功能；报警显示可由操作员抑制或消除；对过程变量超限数值应给出警告、危险二级报警。

5.2.10设备管理

（1）监视系统中所有设备的状态。

（2）设备分配。

（3）设备控制是设备管理的另一功能，它包括设备驱动和设备中断处理，具体的工作过程是在设备处理的程序中发出驱动某设备工作的I/O指令后，再执行相应的中断处理，负荷分析

设备管理模块的其它功能还包括管理和更新所有设备的相关数据内容。设备的资料内容包括该设备的唯一标识号、参数性能,溯源单位、检定日期、有效期限、管理负责人、使用状态等设备的信息。系统还添加了设置了设备和项目的到期提醒功能, 帮助工作人员有效地对设备的有效期进行监控, 时时刻刻保证所有的设备处于受控状态。

具备设备台帐管理功能。

具备强制检定设备台帐管理功能。

具备设备动态反馈录入功能，自动搜索后归档。

具备设备备品备件台帐管理功能。

具备报废设备台帐管理功能。

具备设备检定记录管理功能。

具备设备检修情况记录功能。

具备查询、统计功能。

5.2.11需求响应

系统具有能够指导用户实现根据上级需求执行需求响应的功能。系统提供了大量的可编程模块和模板，用户只需要根据上级的需求把需要增加的变量添加到相应的模块或者模板中，就能实现相应的需求。

5.2.12系统兼容性

力控电力需求侧电能管理系统以优越的性能、先进的架构、开放的接口、及时的服务让企业轻松自如地存储、管理及应用生产过程数据，是构建企业管控一体化系统、生产调度指挥系统、MES系统、ERP系统等应用系统的基石，可以方便的实现与省级电力需求侧能源管理平台的对接，系统具备以下特点：

1）单节点支持百万级数据测点。

2）支持线性扩展计算能力，包括多种分布式应用模型。

3）丰富的设备采集接口：支持主流DCS、PLC、DDC、EMS、ERP现场总线、智能仪表等近1000多家设备采集接口

4）跨平台，多平台支持能力：Windows、Unix、Linux任您选择。

5）多级冗余机制：支持多服务器、双接口机、双网、双通道等多种冗余技术。

6）开放而丰富的应用接口：.NET Framework2.0+、DBI API、COM SDK、OLE DB Provider、DAI SDK、OPC、ODBC、REAL-SQL，为您提供灵活可选的二次开发功能。

7）支持通过RS232、RS422、RS485、电台、电话轮巡拨号、以太网、移动GPRS、CDMA、GSM网络等方式和设备进行通讯。

六、系统安全管理

系统安全的核心是网络安全，网络信息安全是保障本系统正常运行的一个重要条件，方案中我们基于几下几方面考虑 ：

6.1身份验证

身份验证负责确认申请网络服务的人，对用户进行验证。为了访问网络及其服务，一个用户必须输入网络登陆ID和密码，以供安全服务器进行身份验证。

6.2授权

身份验证控制谁可以访问网络资源，而授权规定了访问资源以后他们能做什么。授权对应用过程和用户授与了特权。授权对于不同的用户是不同的，取决于用户的工作职责。

6.3审核

为了有效地分析网络的安全性并且对安全事件做出响应，我们采取有效的方式采集网络活动数据。

审核数据包括任何人所作的试图通过身份验证和获得授权的尝试。审核数据还包括对用户所作的改变访问权限尝试的记录。并且审核日志中的所有数据都打上时间标签。

6.4数据加密

加密是一个对数据进行编码的过程，目的是为了防止目标接受方以外的人读取数据。加密设备在把数据放入网络之前先对其进行加密；解密设备在把数据传送到应用程序之前先对其进行解密。路由器、服务器、终端设备均可以作为加密和解密设备。SCADA软件本身采用专门工业通讯协议，具有解加密功能。

加密是一个非常必要的安全部件，因为它提供了数据的保密性。它也可以用来确认数据发送者的身份。

6.5数据包过滤

在路由器和交换机上建立数据包过滤器，从而接受或拒绝来自特定地址或服务的数据包。数据包过滤器扩充了身份验证和授权的机制。它们能够保护网络资源免受非授权的使用、盗用、破坏和禁止服务攻止。

6.6防火墙

防火墙是在两个或多个网络的边界处用来加强安全策略的一个系统或若干系统的组合。我们在调度中心与电信公网的入口配置硬件防火墙保证网络安全。

6.7入侵检测

入侵检测是指对网络活动的实时监测和对数据的分析，以发现潜在的薄弱环节和正在进行的攻击。在网络内部，授权 用户在网络上进行的非授权活动可以被实时地检测到并立即被阻止。对于企图闯入网络的外部入侵也可以同样的方式处理。我们采用Linux操作系统作为实时数据库和数据采集平台，极大降低了网络攻击风险；同时利用Linux系统的安全检测功能与防火墙系统配合，提高了系统安全性。

6.8物理安全和容错能力

物理安全性指保护资源免受自然灾害的侵害，根据系统特定要求，安装物理安全措施以保护核心路由器，服务器、主机及备份存储设备。关键设备做冗余处理，调度中心异地数据备份和灾难恢复。

随着信息技术的迅猛发展，网络安全的重要性日益突出，EMS系统也不例外。考虑到我们的方案中提供了大量的网络设备和IT产品，我们对本系统的安全性格外慎重，所以除了在方案的制定、设备的选型等方面特别考虑外，在网络安全的防范上也格外重视。