CN111311007A - 一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，采集相应能源能耗的数据，然后对数据进行处理和统计分析，其中对耗能设备不同运行状态下能耗异常的分析过程具体如下：S1、定义设备的瞬时负荷值、瞬时能耗值、单位产量瞬时能耗及上述三者对应的时变函数；S2、对时变函数进行拟合，得到单位产量瞬时能耗的标准函数；S3、获取设备运行状态时间戳；S4、根据统计区间内状态切换的临界时间点将统计区间划分为若干子区间进行对比分析。本发明能对设备不同运行状态下能耗异常的分析，从而发现非生产因素导致的能耗异常。

Description

一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法

技术领域

本发明涉及一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法。

背景技术

现在由于集团化工业企业的发展，对如何对集团化工业企业内能源消耗数据进行监测和分析提出了更高的要求。集团化工业企业具有耗能设备多、种类复杂、地域分布广、管理维度多样化的特性。由于数据种类较多，采集技术多样，不同能源的消耗数据采集的及时性和一致性较差不利于对数据进行分析，并且目前主流的能源管理软件只对能源的总体消耗、单位产品的能耗等数据进行统计，只对能源的总体消耗、单位产品的能耗等数据进行统计，通过分析总消耗波动、单位产品能耗波动情况，来判断能耗是否异常、是否需要触发报警机制；因此仅适用于分析生产线在稳态运行中的能耗差异，不能发现非生产因素导致的能耗异常。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，以解决现有技术仅适用于分析生产线在稳态运行中的能耗差异，不能发现非生产因素导致的能耗异常的问题。

所述的一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，通过针对不同种类能源的计量仪表采集相应能源能耗的数据，将数据传入数据采集后台，然后对数据进行处理和统计分析，其中对耗能设备不同运行状态下能耗异常的分析过程具体如下：

S1、定义设备的瞬时负荷值g，g随时间变化函数为g(t)，设备的瞬时能耗值q，q随时间变化函数为q(t)；设备的单位产量瞬时能耗为p，p随时间变化函数为p(t)＝q(t)/g(t)，将设备运行一周期内能耗情况分为多种状态，各个状态切换的时刻为相应的临界时间点；

S2、采集大量设备的产品产量数据和相应的能源消耗的数据，基于大量的g，q作为样本，对步骤S1定义的各种时间变化函数进行拟合，采用最小二乘法对p(t)进行二次拟合训练，将p(t)设为p(t)＝at²+bt+c，得到p(t)的标准函数；

S3、通过分布式动态采集系统自动采集方式或通过人工填写方式获取设备运行状态时间戳，即状态切换的临界时间点的具体数据；

S4、根据统计区间内状态切换的临界时间点将统计区间划分为若干子区间进行对比分析，将子区间内多次采集得到的瞬时负荷值g和瞬时能耗值q带入时间变化函数p(t)＝q(t)/g(t)，对结果求和得到每个子区间的实际能耗M，将采集数据的时间带入p(t)的标准函数，对p(t)积分求得每个子区间的标准能耗N；对各个子区间的能耗异常分析时，建立算式M/N＞1+ω以自动寻找ω，ω为偏离系数，其取值区间为0＜ω＜0.5，当分析结果超出偏离系数ω的取值区间，系统自动生成分析报告。

优选的，设备运行一周期内能耗情况分为4种状态，分别为：设备由停机后开始启动到正常运行之间的启动状态，其时间区间定义为[t_ai,t_bi)；设备稳态运行的时间区间定义为[t_bi,t_ci)；设备由稳态结束到停机状态之间的时间区间定义为[t_ci,t_di)；设备从停止到启动之间的时间区间定义为[t_di,t_ai)，其中a_i,b_i,c_i,d_i代表上述4种状态切换的临界时间点，i代表该状态在统计周期内出现的次数。

优选的，所述步骤S4中不同子区间中求得的实际能耗M分别为

不同子区间中求得的标准能耗N分别为

偏离系数ω初始为人工设置，系统运行后在设备正常运行情况下随数据积累对每个子区间的ω自动修正。

优选的，所述计量仪表通过感应器采集信号并通过信号端模块向系统发送数据，本方法采用的信号采集标准协议以json格式作为信号交互的基础格式，建立独立于信号端的消息订阅平台，信号端模块和数据采集后台均作为信息的发布者和享用者；具体包括下列步骤：

S1、信号端模块初始上电，向消息订阅平台注册本机id、数据发布服务及回调接口、时间同步服务及回调接口；

S2、数据采集后台初始化，向消息订阅平台注册本后台id、数据读取服务及回调接口、时间同步服务及回调接口；

S3、采用轮询模式的信号端模块，注册数据发布服务后，由消息订阅平台，根据回调接口和轮询频率，主动并行读取各信号端模块的数据，并根据数据采集后台注册的数据标识类型和回调接口，将数据进行主动分发；

采用主动推送模式的信号端模块，注册数据发布服务后，从消息订阅平台获取数据采集平台注册的数据读取需求和回调接口，主动进行数据分发。

优选的，本方法还包括下列步骤：

S4、各信号端模块注册时间同步需求服务，当数据采集后台注册时间同步服务并定时推送时间戳时，各信号端模块能够立即获取采集平台的标准时间戳，并在回调函数里修改本机时间；

S5、各信号端模块注册数据同步心跳服务，以固定频率推送心跳信号；数据采集后台订阅数据同步心跳服务，实时获得信号端模块的心跳数据，以确认该信号端模块运行是否正常。

优选的，所述传感器是对应的信号端模块的下游设备，各个信号端模块是采集平台的下游设备，当有线网络异常或无法进行敷设的情况下，同层的下游设备之间采用无线方式进行桥接通信，直至寻找到可靠的有线网络，并在此后由信号端模块主动向消息订阅平台重新注册数据发布服务及回调接口、时间同步服务及回调接口等信息。

优选的，本方法中进行数据分析的应用根据使用者的管理需求不同分为以过程管理为主的基层应用、以成品/半成品生产管理为主的产品层应用和以提高盈利能力为主导的经营管理层应用，其中：

所述基层应用对传入的数据进行异常数据清洗，再统一时间标识和计量单位，然后对各项能耗在不同时间、不同工序、不同组织内的数据进行统计分析，将数据与历史进行纵向对比，或与类似设备、类似工序、类似组织进行横向对比；

所述产品层应用以产出物为主线，将能耗、产量、设备选型、运转率、质量等维度的对比投影到产出物指标，并将统计的时间粒度放大，从宏观的角度分析得到产品的单位电耗、单位煤耗、单位产品发电量、单位产品水利用率、单位产品用气量；

所述经营管理层应用将不同时段、不同地区、不同政策导致的单位能耗成本，受工艺影响导致此消彼长的能耗、产出率指标，受质量影响导致的消耗/产出非正比关系等数据均投影到单位产品综合成本指标分析公司盈利能力。

本发明具有如下优点：

本发明通过根据具体设备的运行状态的转变将统计区间细分为与运行状态对应的若干子区间，并根据采集的设备的产品产量和能源消耗等数据进行计算分析，通过而成拟合训练得到标准函数以计算标准能耗N，然后运行本方法所用的动态采集系统实时采集大量能源消耗的数据，结合同步采集的设备产品产量数据，可以通过采集到数据计算出子区间内的实际能耗M，通过算式M/N＞1+ω分析偏离系数ω是否在合理的取值区间内，从而实现对能耗异常的分析并能发现非生产因素导致的能耗异常，解决现有能源管理系统的问题。

此外本发明针对不同种类计量仪表的通信协议标准不同、信号回传方式不同等方面采用建立消息订阅平台，并定义一套信号采集标准协议，在各信号端模块实现通信触发方式、数据传输格式的统一，并与数据采集后台建立数据、时间同步机制，确保在时间维度上的一致。

不仅如此，本方案还采用有线通信的基础上利用无线桥接方式，实现数据采集网络环境的快速搭建和动态前移，以克服无法敷设有线网络或有线网络异常导致系统无法正常采集数据的问题。而在分析应用方面，本方法提供的管理应用也提供三种不同层次的应用以满足不同层次使用者对能源消耗数据的管理需求，适用层面更广泛。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明提供了一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，该方法采集数据利用分布式动态采集系统，并通过相应的能源管理系统进行能耗数据的分析应用。

工业企业的能源主要由煤、水、油、电、气、汽，组成，这些能源消耗的计量仪表分属于不同行业，具有不同的协议标准，而且信号转换原理也不尽相同，导致安装方式、数据采集模式都有较大区别。例如汽柴油消耗的计量仪表，多数具有回传功能，能够主动、及时将数据传入后台系统，但系统较封闭，对第三方系统的回传较难；水、电类的计量仪表多以Modbus协议族进行数据通信，开放性较好，但不具备主动回传功能，导致数据采集的及时性不能保障。

因此本方案在数据采集部分定义一套信号采集标准协议，在各信号采集模块端实现通信触发方式、数据传输格式的统一。该协议采用json格式作为信号交互的基础格式。分布式动态采集系统中不同种类能源的计量仪表通过感应器采集信号，并通过信号端模块向系统发送相应能源能耗的数据。

分布式动态采集系统还建立独立于信号端的消息订阅平台，提供信息发布和信息获取功能。信号端模块和数据采集后台均作为信息的发布者和享用者，及时发布和获取数据；消息订阅平台定义数据发布/读取服务的标识类型等基础信息；信号端模块通过消息订阅平台与数据采集后台建立数据、时间同步机制，确保在时间维度上的一致。

本方案在数据采集实现动态监测的流程如下：

S1、信号端模块初始上电，向消息订阅平台注册本机id、数据发布服务及回调接口、时间同步服务及回调接口；

S2、数据采集后台初始化，向消息订阅平台注册本后台id、数据读取服务及回调接口、时间同步服务及回调接口；

S3、采用轮询模式的信号端模块，注册数据发布服务后，由消息订阅平台，根据回调接口和轮询频率，主动并行读取各信号端模块数据，并根据数据采集后台注册的数据标识类型和回调接口，将数据进行主动分发；

采用主动推送模式的信号端模块，注册数据发布服务后，获取数据采集平台注册的数据读取需求和回调接口，主动进行数据分发。

S4、各信号端模块注册时间同步需求服务，当采集平台注册时间同步服务，并定时推送时间戳时，各信号端模块能够立即获取采集平台的标准时间戳，并在回调函数里修改本机时间。

S5、各信号端模块注册数据同步心跳服务，以固定频率推送心跳信号；数据采集平台订阅数据同步心跳服务，实时获得信号端模块的心跳数据，以确认该模块运行是否正常。

通过以上方法，本方案实现异构协议、异构通信模式的分布式数据采集架构，解决了数据格式一致性、信息类型分类标准化、分布式广域时间的一致性、信息获取的及时性等难题。

本方案采用的分布式动态采集系统在现有的网络、设备基础上进行改建，受制于现场作业环境，例如是否有线缆桥架、是否有电缆隧道、采集点之间钢结构、混凝土浇筑材料，等均对网络设计和施工产生影响。本方案在充分利用现有网络环境下，采用基于服务发现方式的动态路由，实现数据采集网络环境的快速搭建和动态迁移。

本方案采用系统在传感器与信号端模块之间、信号端模块与采集平台之间，以有线网络连接为主，辅以UWB、Lora、NBIot等网络。通常情况下，数据通过有线网络传输到采集平台，当有线网络异常或无法进行敷设的情况下，同层下游设备(传感器是信号端的下游设备、信号端是采集平台的下游设备)之间采用无线方式进行桥接通信，直至寻找到可靠的有线网络。当以上的网络组态环境发生变化后(即设备寻找到可靠的有线网络)，信号端模块主动向消息订阅平台重新注册数据发布服务及回调接口、时间同步服务及回调接口等信息，确保不因网络变化而影响数据传输。

由于能耗统计分析涉及多种业务形态和分析模式，大型耗能企业很难进行综合、全面的对比分析。例如，电耗统计与分析不仅与电度计量有关，还与用电优惠政策、工厂基础负荷占用率、设备选型、生产工艺设计等因素有关；煤耗统计与分析不仅与实物煤耗有关，还与煤的热值、余热发电量、设备运转负荷等因素有关等等。基于以上的分析，发现基于不同的业务形态，其统计的口径、分析的维度都有较大差异。

因此，本方案在通过分布式动态采集系统采集数据后，在充分采集现场数据的基础上，会针对不同管理阶层的使用者，由下向上，逐层进行降维分析，以满足不同使用者的管理需求。本方案中进行数据分析的应用分为以过程管理为主的基层应用、以成品/半成品生产管理为主的产品层应用和以提高盈利能力为主导的经营管理层应用，其中：

在以过程管理为主的基层应用中，本方案仅对异常数据进行清洗，统一时间标识、计量单位等信息，对各项能耗在不同时间、不同工序、不同组织内的数据进行统计分析。基层生产管理者通过最直接的数据，可以与历史进行纵向对比，与类似设备、类似工序、类似组织进行横向对比。

在以成品/半成品生产管理为主的产品层应用中，本方案以产出物为主线，将能耗、产量、设备选型、运转率、质量等维度的对比投影到产出物指标，得到单位产品成本分析结果，并将统计的时间粒度放大，从而能从宏观的角度分析问题，挖掘节能点。经过本方案的能源管理系统统计分析后，生产管理者通过查阅产品的单位电耗、单位煤耗、单位产品发电量、单位产品水利用率、单位产品用气量，能够直观反映生产运行的健康度。

在以提高盈利能力为主导的经营管理层应用中，本方案将不同时段、不同地区、不同政策导致的单位能耗成本，受工艺影响导致此消彼长的能耗、产出率指标，受质量影响导致的消耗/产出非正比关系等数据均投影到单位产品综合成本指标，向使用者提供综合成本角度的分析结果。例如，由于受峰谷平电价查的影响，单位产品一天内的综合电耗低，从耗能的角度分析是节能的，但从综合成本角度分析，效益并非最优。公司经营管理者站在单位产品综合成本分析的维度，更能判断公司盈利能力的强弱，并能更全面、更有针对性的进行生产调度。

通常工业企业能源消耗和生产负荷具有一定的相关性，目前主流的能源管理软件只对能源的总体消耗、单位产品的能耗等数据进行统计，通过分析总消耗波动、单位产品能耗波动情况，来判断能耗是否异常、是否需要触发报警机制，这样只能分析生产线在稳态运行中的能耗差异。而本方案还能实现耗能设备不同运行状态下能耗异常的分析，引入耗能设备运行状态，将有效生产能耗和怠机/停机能耗分别进行统计；通过对设备启停过程中、停机状态中的能耗进行分析，从而发现非生产因素导致的能耗异常。

首先对生产中可能出现的异常情况进行分析：生产线由静态启动过程中，正常情况下设备负荷由低到高，能耗数据经过启动峰值后回落，然后再随着设备负荷的升高而逐步增加；异常情况下，例如设备重载启动时，负荷增长缓慢，启动能耗远高于正常曲线，并一直在高位运行等。生产线由动态停机的过程中，正常情况下设备负荷、能耗数据曲线非线性向下，单位能耗曲线非线性向上后再回落至0；异常情况下，例如设备跳停时各曲线骤然跳零，设备带故障停机时单位能耗曲线在高位运行时间较长后缓慢回落至0。

因此本方案对耗能设备不同运行状态下能耗异常的分析具体流程如下：

S1、定义设备的瞬时负荷值g，g随时间变化函数为g(t)；

设备的瞬时能耗值q，q随时间变化函数为q(t)；

设备的单位产量瞬时能耗为p，p随时间变化函数为p(t)＝q(t)/g(t)；

设备运行一周期内能耗情况分为4种状态，分别为：设备由停机后开始启动到正常运行之间的启动状态，其时间区间定义为[t_ai,t_bi)；设备稳态运行的时间区间定义为[t_bi,t_ci)；设备由稳态结束到停机状态之间的时间区间定义为[t_ci,t_di)；设备从停止到启动之间的时间区间定义为[t_di,t_ai)。其中a_i,b_i,c_i,d_i代表上述4种状态切换的临界时间点，以上4种状态在某一周期内可能重复出现，或者仅出现某几种，i代表该状态在统计周期内出现的次数。

S2、采集大量设备的产品产量数据和相应的能源消耗的数据，由于能量管理系统数据接收到的数据均是离线数值，需针对步骤S1定义的各种时间变化函数进行拟合，本方案基于大量的g，q作为样本，采用最小二乘法对p(t)进行二次拟合训练，将p(t)设为p(t)＝at²+bt+c，得到p(t)的标准函数；该p(t)的标准函数同样适用于a_i,b_i,c_i,d_i划分的各个状态区间。

S3、本方案采用的系统运行过程中，通过分布式动态采集系统自动采集方式或通过人工填写方式获取设备运行状态时间戳，获取的设备运行状态时间戳即状态切换的临界时间点a_i,b_i,c_i,d_i的具体数据；

S4、本方案不是将整个统计区间的数据进行汇总分析，而是先寻找统计区间内a_i,b_i,c_i,d_i的数量，并将大的区间划分成若干个子区间分别进行对比分析。划分方式可以是用户手动选择分析区间，也可以是能量管理系统根据用户设定的分析计划自动进行划分。将子区间内多次采集得到的瞬时负荷值g和瞬时能耗值q带入时间变化函数p(t)＝q(t)/g(t)，对结果求和得到每个子区间的实际能耗M，实际能耗M分别为

将采集数据的时间带入p(t)的标准函数，对p(t)积分求得每个子区间的标准能耗N，标准能耗N分别为

对各个子区间的能耗异常分析时，建立算式M/N＞1+ω以自动寻找ω，ω为偏离系数，其取值区间为0＜ω＜0.5，当分析结果超出偏离系数ω的取值区间，系统自动生成分析报告。偏离系数ω初始为人工设置，系统运行后在设备正常运行情况下随数据积累对每个子区间的ω自动修正。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，其特征在于：通过针对不同种类能源的计量仪表采集相应能源能耗的数据，将数据传入数据采集后台，然后对数据进行处理和统计分析，其中对耗能设备不同运行状态下能耗异常的分析过程具体如下：

S1、定义设备的瞬时负荷值g，g随时间变化函数为g(t)，设备的瞬时能耗值q，q随时间变化函数为q(t)；设备的单位产量瞬时能耗为p，p随时间变化函数为p(t)＝q(t)/g(t)，将设备运行一周期内能耗情况分为多种状态，各个状态切换的时刻为相应的临界时间点；

S2、采集大量设备的产品产量数据和相应的能源消耗的数据，基于大量的g，q作为样本，对步骤S1定义的各种时间变化函数进行拟合，采用最小二乘法对p(t)进行二次拟合训练，将p(t)设为p(t)＝at²+bt+c，得到p(t)的标准函数；

S3、通过分布式动态采集系统自动采集方式或通过人工填写方式获取设备运行状态时间戳，即状态切换的临界时间点的具体数据；

S4、根据统计区间内状态切换的临界时间点将统计区间划分为若干子区间进行对比分析，将子区间内多次采集得到的瞬时负荷值g和瞬时能耗值q带入时间变化函数p(t)＝q(t)/g(t)，对结果求和得到每个子区间的实际能耗M，将采集数据的时间带入p(t)的标准函数，对p(t)积分求得每个子区间的标准能耗N；对各个子区间的能耗异常分析时，建立算式M/N＞1+ω以自动寻找ω，ω为偏离系数，其取值区间为0＜ω＜0.5，当分析结果超出偏离系数ω的取值区间，系统自动生成分析报告。

2.根据权利要求1所述的一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，其特征在于：设备运行一周期内能耗情况分为4种状态，分别为：设备由停机后开始启动到正常运行之间的启动状态，其时间区间定义为[t_ai,t_bi)；设备稳态运行的时间区间定义为[t_bi,t_ci)；设备由稳态结束到停机状态之间的时间区间定义为[t_ci,t_di)；设备从停止到启动之间的时间区间定义为[t_di,t_ai)，其中a_i,b_i,c_i,d_i代表上述4种状态切换的临界时间点，i代表该状态在统计周期内出现的次数。

3.根据权利要求2所述的一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，其特征在于：所述步骤S4中不同子区间中求得的实际能耗M分别为

不同子区间中求得的标准能耗N分别为

偏离系数ω初始为人工设置，系统运行后在设备正常运行情况下随数据积累对每个子区间的ω自动修正。

4.根据权利要求1-3中任一所述的一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，其特征在于：所述计量仪表通过感应器采集信号并通过信号端模块向系统发送数据，本方案采用的信号采集标准协议以json格式作为信号交互的基础格式，建立独立于信号端的消息订阅平台，信号端模块和数据采集后台均作为信息的发布者和享用者；具体包括下列步骤：

S1、信号端模块初始上电，向消息订阅平台注册本机id、数据发布服务及回调接口、时间同步服务及回调接口；

S2、数据采集后台初始化，向消息订阅平台注册本后台id、数据读取服务及回调接口、时间同步服务及回调接口；

S3、采用轮询模式的信号端模块，注册数据发布服务后，由消息订阅平台，根据回调接口和轮询频率，主动并行读取各信号端模块的数据，并根据数据采集后台注册的数据标识类型和回调接口，将数据进行主动分发；

采用主动推送模式的信号端模块，注册数据发布服务后，从消息订阅平台获取数据采集平台注册的数据读取需求和回调接口，主动进行数据分发。

5.根据权利要求4所述的一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，其特征在于：还包括下列步骤：

S4、各信号端模块注册时间同步需求服务，当数据采集后台注册时间同步服务并定时推送时间戳时，各信号端模块能够立即获取采集平台的标准时间戳，并在回调函数里修改本机时间；

S5、各信号端模块注册数据同步心跳服务，以固定频率推送心跳信号；数据采集后台订阅数据同步心跳服务，实时获得信号端模块的心跳数据，以确认该信号端模块运行是否正常。

6.根据权利要求5所述的一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，其特征在于：所述传感器是对应的信号端模块的下游设备，各个信号端模块是采集平台的下游设备，当有线网络异常或无法进行敷设的情况下，同层的下游设备之间采用无线方式进行桥接通信，直至寻找到可靠的有线网络，并在此后由信号端模块主动向消息订阅平台重新注册数据发布服务及回调接口、时间同步服务及回调接口等信息。

7.根据权利要求6所述的一种分布式能源消耗动态监测和调度分析的方法，其特征在于：本方案中进行数据分析的应用根据使用者的管理需求不同分为以过程管理为主的基层应用、以成品/半成品生产管理为主的产品层应用和以提高盈利能力为主导的经营管理层应用，其中：

所述基层应用对传入的数据进行异常数据清洗，再统一时间标识和计量单位，然后对各项能耗在不同时间、不同工序、不同组织内的数据进行统计分析，将数据与历史进行纵向对比，或与类似设备、类似工序、类似组织进行横向对比；

所述产品层应用以产出物为主线，将能耗、产量、设备选型、运转率、质量等维度的对比投影到产出物指标，并将统计的时间粒度放大，从宏观的角度分析得到产品的单位电耗、单位煤耗、单位产品发电量、单位产品水利用率、单位产品用气量；

所述经营管理层应用将不同时段、不同地区、不同政策导致的单位能耗成本，受工艺影响导致此消彼长的能耗、产出率指标，受质量影响导致的消耗/产出非正比关系等数据均投影到单位产品综合成本指标分析公司盈利能力。