唐淑芳，邱上進，陳苗虎

(淮礦西部煤礦投資管理有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

目前以清潔、低碳、高效為主題，互聯(lián)網(wǎng)和智能化為主要技術(shù)手段特征的全球新一輪能源革命和產(chǎn)業(yè)變革正在興起?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+能源”綜合運用先進電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能管理技術(shù)，將分布式能量采集裝置、分布式能量儲存裝置等各種類型負載能源節(jié)點互聯(lián)起來，實現(xiàn)能量雙向流動的對等交換，實現(xiàn)能源互聯(lián)?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+能源”是以“設(shè)備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放”為特征，對提高可再生能源比重，促進化石能源高效利用，提升能源綜合效率，推動產(chǎn)業(yè)升級，形成經(jīng)濟新增長點，提升國際能源合作具有重要意義。

“互聯(lián)網(wǎng)+能源”作為一種能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新常態(tài)，從發(fā)展理念來看，開放、對等、互聯(lián)、共享是基本理念；從系統(tǒng)構(gòu)成來看，涉及煤、油、氣、電、冷、熱不同能源形式的互聯(lián)互通，涉及信息和能源之間深度融合，涉及大量豐富商業(yè)模式；從發(fā)展改革角度來看，涉及能源基礎(chǔ)設(shè)施合理開放，涉及能源生產(chǎn)消費有機融合，從而推動能源商品屬性進一步還原，以及大眾參與程度進一步提升。

1 煤礦能源使用管理現(xiàn)狀

煤礦行業(yè)在我國能源企業(yè)中占有重要地位，在一次能源生產(chǎn)中，煤炭生產(chǎn)占70%以上，是保證我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要能源。在降產(chǎn)能和供給側(cè)改革大背景下，煤礦行業(yè)受到嚴重影響，產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展空間很大，傳統(tǒng)粗獷型生產(chǎn)方式必須向精細化轉(zhuǎn)變。煤礦行業(yè)是我國九大能耗行業(yè)之一，平均能耗利用率普遍較低且低于全國平均能源利用率，同時也是污染排放較為嚴重行業(yè)之一。煤碳生產(chǎn)節(jié)能不僅能降低噸煤能耗，提高企業(yè)利潤，還減少排放，保護環(huán)境，利國、利民、利己。據(jù)統(tǒng)計，我國每年煤礦行業(yè)總能耗折合成煤炭超過8 500萬t/a，約占當年我國生產(chǎn)煤炭總量的5%左右。 如果計算煤炭產(chǎn)品生產(chǎn)過程中損失的能源，則總量將超過1.5億t/a。因此，煤礦行業(yè)節(jié)能減排已經(jīng)刻不容緩。

煤礦生產(chǎn)企業(yè)能源消費主要分為采掘生產(chǎn)，提升運輸，固定通、壓、排系統(tǒng)，輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，辦公生活以及煤炭洗選等6個方面。其中，直接圍繞煤炭生產(chǎn)的采掘、提升和運輸作業(yè)用電量占煤礦主要能源消費的1/2左右，煤炭洗選作業(yè)用電量占主要能源消費的1/4左右。根據(jù)大量調(diào)查顯示，煤炭行業(yè)能源管理現(xiàn)狀及不足主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 能耗計量方面。能源消耗數(shù)字化計量表安裝偏少，能耗數(shù)據(jù)采集主要靠手工抄表，數(shù)據(jù)精細化程度無法達到能耗管理要求，各流程環(huán)節(jié)，能耗數(shù)據(jù)都是孤立的，沒有集中管理，無法進行關(guān)聯(lián)性分析。

2) 標準建設(shè)方面。我國煤礦行業(yè)設(shè)備和過程環(huán)節(jié)缺乏能耗標準，缺少具有一定技能水平的能耗管理和分析人員。煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，流水線長，地下地上工藝復雜，各環(huán)節(jié)能源配給沒有優(yōu)化，設(shè)備大馬拉小車、欠負荷運行等能源浪費現(xiàn)象非常嚴重。

3) 管理考核方面。在很多煤礦企業(yè)中，雖然采掘自動化水平很高，但能耗管理水平卻很低。煤礦企業(yè)很少設(shè)置能源管理部門，沒有一套科學、完整管理制度。沒有將能源消耗納入到班組考核，沒有對機器進行能效評估和分析，管理模式粗放。

2 煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)研究目的

煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，以能源流通為抓手，通過檢測用電系統(tǒng)設(shè)備的電能、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素等技術(shù)參數(shù)，采集煤炭生產(chǎn)全流程能耗數(shù)據(jù)并集中管理，實現(xiàn)對生產(chǎn)工藝和用電設(shè)備實時監(jiān)測，為生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該系統(tǒng)研究開發(fā)的主要目的為：

1) 實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)自動采集和集中管理。建立一套獨立的能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，精準、精細、實時在線采集能耗數(shù)據(jù)，將各部門有關(guān)能耗數(shù)據(jù)集中到一個服務(wù)器，統(tǒng)一管理。

2) 實時監(jiān)控能耗數(shù)據(jù)，建立精準考核制度標準。對重點能耗設(shè)備和生產(chǎn)過程，通過能耗大數(shù)據(jù)分析和工作原理，制定能效考核標準和非正常能耗診斷；通過對能耗大數(shù)據(jù)分析，做到能耗透明化管理和實時監(jiān)控，建立精準有效管理制度和獎罰措施，對區(qū)隊、班組進行能耗考核，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

3) 優(yōu)化各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)、部門之間的能源配給。煤礦各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的能源流通有其內(nèi)在規(guī)律，以井下采掘生產(chǎn)煤炭和掘進進尺為參考依據(jù)，通過集中數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)分析，可以實現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)、部門之間的能源優(yōu)化配給，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象。

4) 實現(xiàn)能源消耗預警。在用能過程中，針對設(shè)備空載，可設(shè)置一定的報警閾值進行報警，提示使用者可能存在的能源浪費情況。在礦井總需求用量超出設(shè)定最大值時，預警提示相關(guān)部門需要關(guān)閉一些負載，保證最大需量范圍內(nèi)的一類負荷用電需求；在系統(tǒng)能耗出現(xiàn)異常時，預警提示相關(guān)工作人員對系統(tǒng)設(shè)備進行維護等。

3 煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)體系結(jié)構(gòu)

煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，基于Java語言、MyEcplice開發(fā)工具、Tomcat服務(wù)器及MySQL 數(shù)據(jù)庫開發(fā)而成，提供內(nèi)外網(wǎng)訪問功能，具有跨終端訪問特性，具有一定的功能擴展性，維護升級簡單。

B/S架構(gòu)的web管理系統(tǒng)可以從結(jié)構(gòu)上分3層(B/S/D)，即用戶服務(wù)層、應用邏輯層、數(shù)據(jù)庫服務(wù)層，系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

1) 用戶服務(wù)層，即瀏覽器端，提供網(wǎng)頁人性化界面，可注冊、查詢、提交相關(guān)數(shù)據(jù)。服務(wù)層除了可在瀏覽器進行訪問，也可以在其他程序訪問。

2) 應用邏輯層，包括界面處理層、應用處理層和數(shù)據(jù)庫操作層，界面處理層使用JSP/Servlet進行頁面顯示，應用處理層處理從界面層或數(shù)據(jù)層獲取的命令和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)操作層直接和數(shù)據(jù)庫通信，提供多個原理性的DAO操作，如增加、修改、刪除等。

3) 數(shù)據(jù)庫服務(wù)層，封裝了數(shù)據(jù)庫的基本操作，存儲數(shù)據(jù)表。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)硬件設(shè)施主要由智能化數(shù)字電力儀表、能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。以智能化數(shù)字儀表(傳感器)為主，構(gòu)成底層感知網(wǎng)絡(luò)，實時采集能耗數(shù)據(jù)。感知網(wǎng)絡(luò)與能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)相連，采用TCP/IP有線傳輸網(wǎng)絡(luò)或LORA窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，將采集數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器。能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)具有采集數(shù)據(jù)周期可調(diào)，數(shù)據(jù)本地存儲時間長，支持數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳，支持多協(xié)議數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸方式多樣化等特點。通過軟件設(shè)置，能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)可適合不同協(xié)議能耗計量數(shù)字儀表協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、時鐘讀寫、斷點續(xù)傳、TCP/IP協(xié)議傳輸、無線傳輸、MD5加密認證和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能，解決了傳輸速度較高的以太網(wǎng)和傳輸速度較低的現(xiàn)場總線之間不同速度和不同協(xié)議的問題。

系統(tǒng)物理上采用兩級服務(wù)器，第一級為內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，在礦區(qū)現(xiàn)場，用于運行全部的能源管理系統(tǒng)；第二級為云端服務(wù)器，架設(shè)在集團公司機房或公共云端，提供數(shù)據(jù)異地備份及遠程服務(wù)，更便于集團公司對分布在各地的煤礦能耗數(shù)據(jù)管理。

圖2 煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)功能目標

1) 配電系統(tǒng)實時監(jiān)測?？蓪崟r監(jiān)測配電系統(tǒng)中各支路各儀表的用能及電力參數(shù)。

2) 部門/班組分析。可實時監(jiān)測各部門/班組各設(shè)備的用能比、同比、環(huán)比和電流趨勢等。

3) 原始數(shù)據(jù)查詢?？砂磿r間查詢電量、電流、電壓以及功率等電力參數(shù)的原始數(shù)值。

4) 能耗數(shù)據(jù)查詢?？砂磿r間查詢分鐘、小時、天、月以及年的用能數(shù)據(jù)。

5) 能耗圖表。提供繪制能耗折線圖、柱狀圖、餅形圖的功能。

6) 電力參數(shù)圖表。提供繪制電流、電壓、功率以及頻率等電力參數(shù)的折線圖和柱狀圖的功能。

7) 同比環(huán)比?？蓪Ω髦愤M行能耗同比、環(huán)比以及日比的分析。

8) 報警/預警查詢。根據(jù)時間和支路查詢所發(fā)生的報警事件，可設(shè)置最大需量(功率)預警。

9) 數(shù)據(jù)配置。提供系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如計量儀表、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、支路信息、部門/班組信息、電流參數(shù)以及報警閾值等信息進行配置的功能。

10) 用戶管理。提供對用戶進行增刪改查、用戶角色、用戶權(quán)限的配置功能。

4 煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)建設(shè)方案

4.1 建立能耗數(shù)據(jù)實時采集網(wǎng)絡(luò)

4.1.1 煤礦地面負荷

在原有線路不變基礎(chǔ)上，每個配電房需要監(jiān)測的所有負載均需要加裝智能化數(shù)字電力儀表，實時采集能耗數(shù)據(jù)。對于監(jiān)測低壓380 V負荷，需獨立加裝互感器和數(shù)字電力儀表；對于監(jiān)測高壓10 kV配電及負荷，在共享原有互感器基礎(chǔ)上，加裝新的數(shù)字電力儀表，與原有電力儀表進行電流串聯(lián)，電壓并聯(lián)，避免和其他系統(tǒng)接口造成干擾。同時，配電房配備能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，通過RS-485接口與智能化數(shù)字電力儀表連接，利用已布置的礦井工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

在環(huán)境比較穩(wěn)定且布網(wǎng)絡(luò)線難度大的場合，可以通過在現(xiàn)場布置窄帶物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸至服務(wù)器平臺。無線傳輸系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線通信模塊采用LoRa機制組建無線局域網(wǎng)，采用基站和客戶端模塊構(gòu)建，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。

4.1.2 煤礦井下負荷

井下需要監(jiān)測的能耗數(shù)據(jù)，直接從中央變電所、盤區(qū)變電所或各個配電點的已有高、低壓開關(guān)保護器上獲取，利用其485通信口，匯集接入增設(shè)的防爆型能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)上。礦井井下敷設(shè)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，各變電所和配電點采集到的能耗數(shù)據(jù)，通過防爆型能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)就近接入環(huán)網(wǎng)交換機，傳輸至地面服務(wù)器。

在安裝設(shè)置有井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的礦井，井下能耗數(shù)據(jù)也可以直接從地面電力監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器獲取。

4.2 能源管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)軟件平臺研究與開發(fā)

軟件采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，客戶端可通過瀏覽器對系統(tǒng)進行跨終端訪問(比如：PC、手機、平板等)，打破以往能源管理受時間和空間限制。該架構(gòu)十分靈活，可擴展新極強，可快速以模塊的形式為系統(tǒng)增加新的功能，且具有較好可維護性。

煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)軟件平臺具有總配電系統(tǒng)、實時能耗指標、分析報表、部門/班組、系統(tǒng)、報警/預警、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)配置、用戶管理等11個界面。

1) 配電系統(tǒng)界面如圖4所示?？芍庇^查看各支路實時用能情況和用能分析數(shù)據(jù)，隨時查詢?nèi)我鈺r段任意儀表能耗數(shù)據(jù)。如：同比、環(huán)比、系統(tǒng)用能、分表用能、產(chǎn)能比、負載分析等。還可以方便查詢整個配電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)。

2) 實時能耗指標界面?？蓪崟r監(jiān)測各生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)節(jié)月度能耗情況和噸煤能耗情況，并且通過錄入考核指標，實時了解掌握各部門/班組和系統(tǒng)能耗超節(jié)情況，并采取相應控制措施。

3) 分析報表界面?？闪私獠樵兏鲉挝辉露扔媚苤笜送瓿汕闆r，或月與月各系統(tǒng)用能環(huán)比分析情況，也可以提供數(shù)據(jù)報表下載和導出，減少了人工超表和統(tǒng)計分析工作量。

4) 部門/班組界面或系統(tǒng)界面。煤礦企業(yè)可按照管理或生產(chǎn)責任范圍，劃分能耗計量儀表，進行能耗考核。部門/班組或系統(tǒng)、可通過查詢責任小組內(nèi)的具體用能情況、同比環(huán)比、產(chǎn)能比的數(shù)據(jù)，做到具體的能效考核，將用能節(jié)能落到實處，實現(xiàn)最大程度的節(jié)能減排。

5) 報警/預警界面。可通過設(shè)置礦井最大能耗需量報警值，實時監(jiān)測礦井最大負載及其變化情況。

6) 統(tǒng)計分析界面。礦井各個部門、班組、系統(tǒng)都能快速實時查詢出任意時間范圍內(nèi)耗統(tǒng)計分析報表，可包含各種用能數(shù)據(jù)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)等，讓企業(yè)制定和實施用能策略更加直接和快速。

7) 用戶管理界面?？筛鶕?jù)不同權(quán)限修改訪問數(shù)據(jù)的等級，可設(shè)置部門/班組及系統(tǒng)級的訪問權(quán)限，以及儀表級訪問權(quán)限，還有各種對系統(tǒng)的操作權(quán)限。

圖4 總配電圖界面(實時顯示能耗數(shù)據(jù))

5 結(jié)論

1) 煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為傳統(tǒng)能源企業(yè)本身提供信息支持，是傳統(tǒng)能源信息的大數(shù)據(jù)處理與應用。煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)實現(xiàn)了節(jié)能減排，是煤礦工業(yè)供給改革和產(chǎn)業(yè)升級主要技術(shù)手段之一。

2) 煤礦“互聯(lián)網(wǎng)+能源”管理系統(tǒng)已首次在淮礦西部公司唐家會礦進行開發(fā)研究和建設(shè)應用。經(jīng)過近半年的平臺系統(tǒng)研究開發(fā)和現(xiàn)場安裝調(diào)試，該系統(tǒng)于2017年初建成并投入試運行。系統(tǒng)投入試運行半年后，效果得到充分肯定，并在淮礦西部公司泊江海子礦和色連二礦進行了全面推廣運用。系統(tǒng)運行后，通過對能耗數(shù)據(jù)實時采集和集中管理，礦井實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)測、統(tǒng)計、分析、對比、關(guān)聯(lián)、對標等分析應用，能準確判斷掌握各個生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)節(jié)設(shè)備能源消耗、負載異常、最大用電需量等各種生產(chǎn)情況，及時指導調(diào)整生產(chǎn)負荷，降低能源消耗，減少能源浪費，節(jié)約生產(chǎn)成本，實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)能源消耗的精細化管理，提高行業(yè)管理效率和決策的科學性。