摘 要： 介紹了總體能耗控制優化算法，在此基礎上完成了能量管理系統的設計。詳細描述了能量管理系統的總體架構和各主要功能模塊的功能，并對該系統的應用前景進行了展望。
變頻器正向低噪聲、高性能、高可靠性方向發展，以其調速范圍寬、調速精度高、動態響應快、效率高及操作方便等優點，在節約能源、控制工業生產過程、提高企業自動化生產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、水務等行業中得到廣泛應用。
針對電力、冶金、石化、煤炭等高耗能行業在工業生產過程節能減排的實際需求，研究總體電耗控制優化算法，研發相關支撐軟件和管理軟件，形成應用于相應行業的能量管理系統，達到節能減排的目標。
1 總體電耗控制優化算法的原理
應用變頻調速器所獲得的節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。采用軟硬件結合的總體能耗控制技術，不但減少了富裕流量和富裕揚程造成的多余耗電量，而且使系統整體運行效率最高，從而使系統在滿足運行工況同時，達到了節能的目標。
總體電耗控制優化算法示意圖如圖1所示。
總體電耗控制優化算法最重要的是給出輸送介質系統輸送單位電單耗最小值，以及相應的運行搭配方案和調速方案。此技術根據所用泵（風機）及配套電機的額定參數，綜合考慮傳輸介質系統及配電系統中各部分的運行消耗，按照泵機搭配策略和變頻器調速策略，通過優化計算，得出滿足工藝要求的壓力、流量、溫度的泵機搭配方案和變頻器調速方案，從而得到電耗最低值及相應的系統設備運行參數。按此方案運行，其節能效果比單獨使用變頻調速器獲得的節能效果更大。按照試驗測算，在已有變頻調速裝置基礎上可實現節電7%~33%左右，節能效果因各輸送介質系統的特性參數和運行狀態不同而異。
2 設計目標
本課題基于多重安全性機制的SCADA總體架構，研發自主可控基于廣域網絡的能量管理系統應用平臺。在不同硬件和軟件平臺上，為用戶提供統一的運行和操作環境，支持Windows/Unix/Linux多平臺應用；采用高可靠性的設計方案，使系統可靠性達到99.98%以上；分布式海量數據庫支持容量不小于300萬點的技術指標；研發多系統集成、分層分級的分布式實時監控和綜合調度平臺，支持網絡總節點數不少于100個，提供多專業分布式部署、多人協同組態、集中監控、多系統聯動、多重冗余和負載均衡、面向設備的對象化、智能報警管理、自定義編程邏輯和模式控制等功能；研發多通道多協議通信技術，支持多種業界主流RTU、PLC、DCS控制系統的驅動協議，支持冗余和通信信道的切換，支持10種以上規約和工業標準接口，支持斷線續傳、多級級聯并可無縫接入SCADA系統數據庫；研發基于物聯網技術的多系統集成，提供外部的多種數據共享和交互接口方式。
3 總體方案
能量管理系統在設計上遵循相關的國際/國家/行業標準和規范，以滿足行業應用的需求為設計目標。同時為了適應行業應用的發展趨勢和技術走向，系統應具備較好的開放性。系統遵循國際或行業標準，摒棄自制各種非標準化件的思路，低層硬件平臺選型注重標準化和通用性。在網絡、操作系統等還缺乏國際國內標準的情況下，選擇事實標準，使整套系統的開放性不僅立足在企業的標準上；軟件從設計到實現充分考慮模塊化、接口的完整、規范和開放，為今后的應用發展和第三方軟件集成留下可實現的開發級開放平臺，保障了用戶的投資和系統的可持續發展；同時針對使用者、工程實施人員進行功能開放，做到現有的功能和功能調整不修改原系統的任何程序代碼，保證系統的安全可靠和應用的靈活多樣性；應用軟件支持各種操作系統（Windows/Unix/Linux）和采用標準設備的互換性。安全、可靠、先進、穩定是系統的目標，開放是貫穿始終的原則。系統的總體架構如圖2所示。
4 模塊設計
4.1 系統運行環境
系統運行環境包括計算機硬件平臺和軟件環境，提供的系統支持不同架構的計算機平臺（X86/SUN/HP/IBM等）、網絡環境（LAN/WAN/WLAN/GPRS/CDMA等），支持不同的操作系統（Windows/Unix/Linux）、數據庫管理系統（Oracle/Sybase/MS-SQL等）網絡協議和圖形協議（X-Window/MS-Window）等；上述軟硬件環境均支持不同的安全級別，能夠滿足能量管理系統對于安全防護方面的需求。
4.2 系統應用平臺
通過對不同軟件環境的內核升級，提供在不同硬件和軟件平臺上統一的運行環境，通過對系統內節點及其進程的監視和管理，保障系統節點運行穩定，使系統服務器提供安全、可靠、穩定的服務；事件管理為應用系統提供統一的報警信息生成、傳輸、提交、確認和存儲機制；消息管理機制為系統提供快速、可靠的信息傳輸，保證系統的實時性。
4.3 分布式數據庫管理
分布式實時數據庫系統主要包括分布式節點管理、實時數據管理和歷史數據管理。對于采集端，提供分布式實時數據采集錄入接口，支持分布式海量數據的實時錄入；對于客戶端，提供分布式實時數據庫通用訪問接口，支持分布式實時數據和歷史數據的查詢分析。系統中部署多個實時庫管理服務器和歷史庫管理服務器，分別進行實時數據管理和歷史數據管理。實時庫服務器主要對點表進行管理，以主內存方式組織管理數據，提供實時的數據存儲和查詢服務。歷史庫服務器對歷史數據進行存儲管理，支持歷史數據壓縮，并提供快速的歷史數據查詢分析服務。除此之外，通過分布式節點管理服務器與多個實時庫管理服務器和歷史管理服務器的分工協作，分布式實時數據庫系統還支持系統管理和安全訪問控制、分布式事務實時動態調度、系統日志與故障恢復等功能，而其中的實時數據同步與交換服務則為各服務器之間提供基礎的網絡通信服務。
針對大型工業級實時/歷史數據高效存儲和快速I/O特點，冗余服務器切換時間小于2 s等要求，研究基于分布式處理模型，實現不受服務器處理能力、磁盤空間和帶寬限制的高效數據調度處理。
在數據庫安全方面，通過安全訪問控制和數據庫安全加固技術，保證對數據庫的安全訪問和數據的完整、可靠。
4.4 應用支持
為綜合監控系統提供通用的集成支持，在國際/國家/行業標準的基礎上，在安全防護技術的支持下，通過系統集成平臺實現與外圍系統的信息集成和共享，通過多通道多協議通信機制實現與遠方設備（RTU/PLC等）的通信，為系統提供可靠的數據源，實現安全控制。
多通道多協議通信主要針對分布式異構環境，實現海量異構數據源的實時數據采集、數據的統一編碼；支持對底層的數據采集以透明的方式進行。對于不同的數據源，數據處理過程抽象為協議池、統一編碼轉換、預處理和狀態監測四個層次。
數據通信既要考慮外部應用和第三方數據源的連接，還要實現與底層物理設備的連接，包括電力綜合自動化設備、RTU、PLC、自動化儀表、RFID等的連接，特別要支持傳感器的自動發現和管理，以構建一個面向物聯網的分布式實時集成通信環境。
4.5 分布式實時監控平臺
分布式監控平臺提供能源企業的大型分布式SCADA實時監控軟件平臺。以系統應用平臺和大容量分布式數據庫為基礎，支持分層分級的分布式網絡結構，網絡總節點數不少于100個，支持多專業分布式部署、多人協同組態，可采用集中分層監控模式，實現多系統聯動，通過多重冗余和負載均衡技術，保證系統安全、可靠、穩定地運行；面向設備的對象化，支持Windows/Unix/Linux跨平臺應用，智能報警管理，自定義編程邏輯和模式控制，符合IEEE相關標準，具有全中文界面，支持C/S與B/S混合瀏覽操作應用模式、支持異地災備冗余系統。
4.6 運行管理
運行管理提供智能控制和分析工具。調度人員可以根據相應的分析結果了解系統的運行情況，及時發現異常，為安全運行提供保障。
運行管理包括能源信息實時監視和能源基礎管理。能源信息實時監視實現了能源實時數據的顯示、報警、實時&歷史趨勢顯示、數據處理與歸檔、數據查詢和打印、能源在線平衡分析；能源基礎管理實現了能源質量管理、能源設備管理和能源分析管理。
5 前景展望
基于總體電耗控制優化算法的能源管理系統有良好的工業節能效果。項目系統可以應用到各種工業現場中，采用優化計算得出泵機搭配和變頻調速方案，能大大提高節能效果。同時，本系統能降低諧波污染、提高電網品質，保證設備安全穩定地運行。