摘 要： 介绍了总体能耗控制优化算法，在此基础上完成了能量管理系统的设计。详细描述了能量管理系统的总体架构和各主要功能模块的功能，并对该系统的应用前景进行了展望。
变频器正向低噪声、高性能、高可靠性方向发展，以其调速范围宽、调速精度高、动态响应快、效率高及操作方便等优点，在节约能源、控制工业生产过程、提高企业自动化生产水平等方面取得了良好的效果，目前已在钢铁、冶金、石油、化工、纺织、化纤、轻工、造纸、橡胶、塑料、电力、水务等行业中得到广泛应用。
针对电力、冶金、石化、煤炭等高耗能行业在工业生产过程节能减排的实际需求，研究总体电耗控制优化算法，研发相关支撑软件和管理软件，形成应用于相应行业的能量管理系统，达到节能减排的目标。
1 总体电耗控制优化算法的原理
应用变频调速器所获得的节电效果只是减少了富裕流量和富裕扬程造成的多余耗电量，对于整体的效率考虑很少。采用软硬件结合的总体能耗控制技术，不但减少了富裕流量和富裕扬程造成的多余耗电量，而且使系统整体运行效率最高，从而使系统在满足运行工况同时，达到了节能的目标。
总体电耗控制优化算法示意图如图1所示。
总体电耗控制优化算法最重要的是给出输送介质系统输送单位电单耗最小值，以及相应的运行搭配方案和调速方案。此技术根据所用泵（风机）及配套电机的额定参数，综合考虑传输介质系统及配电系统中各部分的运行消耗，按照泵机搭配策略和变频器调速策略，通过优化计算，得出满足工艺要求的压力、流量、温度的泵机搭配方案和变频器调速方案，从而得到电耗最低值及相应的系统设备运行参数。按此方案运行，其节能效果比单独使用变频调速器获得的节能效果更大。按照试验测算，在已有变频调速装置基础上可实现节电7%~33%左右，节能效果因各输送介质系统的特性参数和运行状态不同而异。
2 设计目标
本课题基于多重安全性机制的SCADA总体架构，研发自主可控基于广域网络的能量管理系统应用平台。在不同硬件和软件平台上，为用户提供统一的运行和操作环境，支持Windows/Unix/Linux多平台应用；采用高可靠性的设计方案，使系统可靠性达到99.98%以上；分布式海量数据库支持容量不小于300万点的技术指标；研发多系统集成、分层分级的分布式实时监控和综合调度平台，支持网络总节点数不少于100个，提供多专业分布式部署、多人协同组态、集中监控、多系统联动、多重冗余和负载均衡、面向设备的对象化、智能报警管理、自定义编程逻辑和模式控制等功能；研发多通道多协议通信技术，支持多种业界主流RTU、PLC、DCS控制系统的驱动协议，支持冗余和通信信道的切换，支持10种以上规约和工业标准接口，支持断线续传、多级级联并可无缝接入SCADA系统数据库；研发基于物联网技术的多系统集成，提供外部的多种数据共享和交互接口方式。
3 总体方案
能量管理系统在设计上遵循相关的国际/国家/行业标准和规范，以满足行业应用的需求为设计目标。同时为了适应行业应用的发展趋势和技术走向，系统应具备较好的开放性。系统遵循国际或行业标准，摒弃自制各种非标准化件的思路，低层硬件平台选型注重标准化和通用性。在网络、操作系统等还缺乏国际国内标准的情况下，选择事实标准，使整套系统的开放性不仅立足在企业的标准上；软件从设计到实现充分考虑模块化、接口的完整、规范和开放，为今后的应用发展和第三方软件集成留下可实现的开发级开放平台，保障了用户的投资和系统的可持续发展；同时针对使用者、工程实施人员进行功能开放，做到现有的功能和功能调整不修改原系统的任何程序代码，保证系统的安全可靠和应用的灵活多样性；应用软件支持各种操作系统（Windows/Unix/Linux）和采用标准设备的互换性。安全、可靠、先进、稳定是系统的目标，开放是贯穿始终的原则。系统的总体架构如图2所示。
4 模块设计
4.1 系统运行环境
系统运行环境包括计算机硬件平台和软件环境，提供的系统支持不同架构的计算机平台（X86/SUN/HP/IBM等）、网络环境（LAN/WAN/WLAN/GPRS/CDMA等），支持不同的操作系统（Windows/Unix/Linux）、数据库管理系统（Oracle/Sybase/MS-SQL等）网络协议和图形协议（X-Window/MS-Window）等；上述软硬件环境均支持不同的安全级别，能够满足能量管理系统对于安全防护方面的需求。
4.2 系统应用平台
通过对不同软件环境的内核升级，提供在不同硬件和软件平台上统一的运行环境，通过对系统内节点及其进程的监视和管理，保障系统节点运行稳定，使系统服务器提供安全、可靠、稳定的服务；事件管理为应用系统提供统一的报警信息生成、传输、提交、确认和存储机制；消息管理机制为系统提供快速、可靠的信息传输，保证系统的实时性。
4.3 分布式数据库管理
分布式实时数据库系统主要包括分布式节点管理、实时数据管理和历史数据管理。对于采集端，提供分布式实时数据采集录入接口，支持分布式海量数据的实时录入；对于客户端，提供分布式实时数据库通用访问接口，支持分布式实时数据和历史数据的查询分析。系统中部署多个实时库管理服务器和历史库管理服务器，分别进行实时数据管理和历史数据管理。实时库服务器主要对点表进行管理，以主内存方式组织管理数据，提供实时的数据存储和查询服务。历史库服务器对历史数据进行存储管理，支持历史数据压缩，并提供快速的历史数据查询分析服务。除此之外，通过分布式节点管理服务器与多个实时库管理服务器和历史管理服务器的分工协作，分布式实时数据库系统还支持系统管理和安全访问控制、分布式事务实时动态调度、系统日志与故障恢复等功能，而其中的实时数据同步与交换服务则为各服务器之间提供基础的网络通信服务。
针对大型工业级实时/历史数据高效存储和快速I/O特点，冗余服务器切换时间小于2 s等要求，研究基于分布式处理模型，实现不受服务器处理能力、磁盘空间和带宽限制的高效数据调度处理。
在数据库安全方面，通过安全访问控制和数据库安全加固技术，保证对数据库的安全访问和数据的完整、可靠。
4.4 应用支持
为综合监控系统提供通用的集成支持，在国际/国家/行业标准的基础上，在安全防护技术的支持下，通过系统集成平台实现与外围系统的信息集成和共享，通过多通道多协议通信机制实现与远方设备（RTU/PLC等）的通信，为系统提供可靠的数据源，实现安全控制。
多通道多协议通信主要针对分布式异构环境，实现海量异构数据源的实时数据采集、数据的统一编码；支持对底层的数据采集以透明的方式进行。对于不同的数据源，数据处理过程抽象为协议池、统一编码转换、预处理和状态监测四个层次。
数据通信既要考虑外部应用和第三方数据源的连接，还要实现与底层物理设备的连接，包括电力综合自动化设备、RTU、PLC、自动化仪表、RFID等的连接，特别要支持传感器的自动发现和管理，以构建一个面向物联网的分布式实时集成通信环境。
4.5 分布式实时监控平台
分布式监控平台提供能源企业的大型分布式SCADA实时监控软件平台。以系统应用平台和大容量分布式数据库为基础，支持分层分级的分布式网络结构，网络总节点数不少于100个，支持多专业分布式部署、多人协同组态，可采用集中分层监控模式，实现多系统联动，通过多重冗余和负载均衡技术，保证系统安全、可靠、稳定地运行；面向设备的对象化，支持Windows/Unix/Linux跨平台应用，智能报警管理，自定义编程逻辑和模式控制，符合IEEE相关标准，具有全中文界面，支持C/S与B/S混合浏览操作应用模式、支持异地灾备冗余系统。
4.6 运行管理
运行管理提供智能控制和分析工具。调度人员可以根据相应的分析结果了解系统的运行情况，及时发现异常，为安全运行提供保障。
运行管理包括能源信息实时监视和能源基础管理。能源信息实时监视实现了能源实时数据的显示、报警、实时&历史趋势显示、数据处理与归档、数据查询和打印、能源在线平衡分析；能源基础管理实现了能源质量管理、能源设备管理和能源分析管理。
5 前景展望
基于总体电耗控制优化算法的能源管理系统有良好的工业节能效果。项目系统可以应用到各种工业现场中，采用优化计算得出泵机搭配和变频调速方案，能大大提高节能效果。同时，本系统能降低谐波污染、提高电网品质，保证设备安全稳定地运行。