CN112926899A - 能源管理系统的模型构建方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能源管理系统的模型构建方法、系统及设备。模型构建方法主要包括构建能源管理单元和转移路段，将能源管理单元和转移路段关联起来构成拓扑网络图。能源管理系统包括可视化模块、用能统计模块、用能分析模块、能源网络平衡与损耗分摊模块、以及耗能工质折算模块等。本发明建立了一种容易理解、配置使用简单、可适用于多个行业领域的能源管理数据模型，通过使用这种模型搭建能源管理系统，具有工作量小、高效、统计方便、功能全面等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种能源管理系统模型的构建方法，还涉及基于该方法所构建的模型的能源管理系统，以及相应的设备装置。
背景技术
能源的使用伴随着企业生产经营的全过程，是企业正常生产经营不可或缺的物质条件。能源管理是指对工业企业、公共建筑、校园、医院、机场等单位能源使用的全过程(包括能源购进、存储、转换、分配、输送、消耗与使用等环节)进行科学的计划、组织、检查、控制和监督工作的总称。能源管理的目的是发现节能潜力，提高用能效率，减少用能损耗，降低用能成本，保证用能的稳定性和可靠性。
能源管理系统是指通过采用信息化、自动化技术，对企业生产经营过程中能源输入、存储、转换、分配、使用消耗及回用全过程进行监视控制与优化控制，提高设备能效，减少能源无效放散，提高能源介质的回收和梯级利用水平，并通过对所采集的电、水、气、热(冷)等能源数据的多维度统计分析，使企业能耗构成清晰化，通过对用能数据的挖掘和对比分析，寻找企业节能潜力，为企业节能降耗提供能耗诊断和节能建议，是企业能源管理的有效工具与手段。
能源管理系统通常包含以下基本功能：
1、企业用能过程的可视化：以图示的方法揭示企业各种能源输入、分配、转换、消耗的整个过程；
2、多维度用能统计：从诸如组织结构、设备类型、用能环节、生产班次、产品类型、能源类型等不同维度对企业用能进行统计；
3、用能指标的统计分析：统计计算诸如企业万元产值综合能耗、产品单耗、重点设备能效、车间用能成本等用能指标；
4、能源网络平衡与损耗分摊分析：通过对电、水、气、热等能源输配网络的进出量进行平衡分析，计算网络损耗及完成损耗的分摊；
5、耗能工质折算：通过对能源转换环节的统计计算，实时掌握能源转换效率，并在此基础上可以将企业使用的耗能工质折算成一次能源，便于进行能源成本管理。
因为行业种类和能源介质品种繁多，不同行业能源管理又有不同的特点，各设备之间相互连接，形成复杂的能源网络，设计一个适用于多行业领域的、可复用的、容易理解的、使用简单的能源管理系统概念数据模型是能源管理系统产品化设计的核心内容，同时也是一项困难任务。
当前的能源管理系统的数据模型存在以下几方面的缺陷：
1、模型设计过于复杂。以公布号为CN104956387A的中国发明专利《通过能源管理对象建模的能源管理方法》为例，该模型设计方法中使用的模型概念过于繁杂，且模型中的概念与现实语义差异较大，不易为用户所学习和使用。
2、模型仅适用于特定的行业或领域。比如蒋育翔等在文献《基于钢铁企业能源管理特点及相互关系的能源管理信息系统的研究》以及马福民等在文献《流程工业能耗系统多维子模型及其开放性集成框架》所展示的成果，因为在设计中引入了特定领域的固有的具体概念，导致这些能源管理系统仅适用某些特定行业领域，影响了产品的行业适应性。
3、模型过于抽象，致使能源管理系统使用配置过程过于复杂且难以适应现场变化。目前常见的能源管理系统有一类设计为使产品能适用于多个行业领域，概念数据模型仅抽象出输入参数项和对能源管理有特定价值的管理参数项，二者之间的联系或者说管理参数项的计算方法需要用户进行具体配置，这导致能源管理系统的配置实施过程工作量巨大，且在现实生活中，企业的能源管理视角和能源网络结构与计量采集点不可避免地会发生变化，上述设计方法对变化的适应性较差，一旦发生变化，需要对系统进行大量的重配置工作。
发明内容
本发明提出了一种能源管理系统的模型构建方法、系统及设备，其目的是：建立一种容易理解、配置使用简单、可适用于多个行业领域的能源管理数据模型，通过使用这种模型，使得能源管理系统可以快速、方便的搭建并实现基本功能。
本发明技术方案如下：
一种能源管理系统的模型构建方法，步骤为：
(1)建立能源管理单元，所述能源管理单元具有输入点和输出点；各能源管理单元分别对应一个实体对象，所述实体对象包括设备、车间、建筑物和管路；
(2)建立有向的转移路段，所述转移路段用于连接能源管理单元，转移路段的起点用于与能源管理单元的输出点相对应，转移路段的终点用于与能源管理单元的输入点相对应；
所述转移路段包括能源转移路段、产品转移路段和排放物转移路段，三者分别对应实体对象之间能源、产品和排放物的流动；
所述转移路段带计量属性和类型属性；所述计量属性用于记录转移路段对应的能源或产品或排放物的流转数据，所述类型属性用于记录转移路段对应的能源或产品或排放物的类型；
(3)将能源管理单元和转移路段关联起来构成拓扑网络图。
作为上述构建方法的进一步改进：所述能源管理单元还具有子集属性，该子集属性用于指向该能源管理单元所包含的次一级的能源管理单元和转移路段。
作为上述构建方法的进一步改进：对于实现了能源种类转换的能源管理单元，为能源管理单元设定耗能转换折算系数；所述耗能转换折算系数是指，对于具有能源转换关系的某项耗用能源和某项耗能工质，一段时间内能源管理单元输入的该耗用能源量与产出的该耗能工质量的比值。
作为上述构建方法的进一步改进：对于具有产品产出的能源管理单元，为能源管理单元设定产品耗能折算系数；所述产品耗能折算系数是指，对于具有使用消耗关系的某项耗用能源和某项产品，一段时间内能源管理单元输入的该耗用能源量与产出的该产品量的比值。
作为上述构建方法的进一步改进：将用于存储和/或分配能源的能源管理单元定义为能源储配单元；所述能源储配单元具有容量属性和网络损耗属性；
所述容量属性用于记录当前存储的能源的量；
所述网络损耗属性的计算方式为：
式中，Ii为第i个输入的能源转移路段所输入的能源量，m为输入的能源转移路段的总数，Oj为第j个输出的能源转移路段所输出的能源量，n为输出的能源转移路段的总数，Δ为容量属性变化量；
与能源储配单元的输出点相连接的能源转移路段还带有损耗分摊量属性，对于第k个输出的能源转移路段的损耗分摊量属性的计算方式为：
作为上述构建方法的进一步改进：建立与能源管理单元相关联的分类标签。
本发明还提供了一种能源管理系统，包括基于上述的构建方法所构建的模型，还包括：
A、可视化模块：用于绘制能源网络图，所述能源网络图包括与能源管理单元对应的节点和与转移路段对应的线条；绘制时，根据能源管理单元的输入点及输出点与转移路段的起点及终点之间的对应关系将节点通过线条连接到一起；对于包含次一级能源管理单元和转移路段的能源管理单元，其节点指向下一层级的能源网络图；
B、用能统计模块：用于按指定维度统计用能数据；方法为：建立与统计维度相关的分类标签，将分类标签与能源管理单元关联起来，统计时依据分类标签定位到相关的能源管理单元，提取能源管理单元的数据完成统计；
C、用能分析模块：用于针对某一能源管理单元进行能源使用的总量指标分析和比例指标分析；
C1、总量指标分析的方式为：对于一个特定的能源管理单元，某能源品种的耗用总量等于输入该能源管理单元的该能源品种的总量减去从该能源管理单元输出的该能源品种的总量，能耗成本等于耗用总量与能源单价的乘积；
C2、比例指标分析的方式为：
C2-1、当能源管理单元只产出一种产品或一种耗能工质时，该能源管理单元的某项能源使用效率等于产品或耗能工质的产出量除以该能源管理单元的该项能源的耗用量；
C2-2、当能源管理单元产出的产品种类数量与耗能工质种类数量之和大于1时：
C2-2-1、当该能源管理单元的不同产出物之间可以互相换算时，设定一个标准产出物，并设定各实际产出物相对于标准产出物的折标系数，将各实际产出物的折标系数与数量的乘积相加，得到折算后的标准产出物数量，则该能源管理单元的某项能源使用效率等于标准产出物数量除以该能源管理单元的该项能源的耗用量；
C2-2-2、如果该能源管理单元的不同产出物之间在时间上是互斥的，则根据生产时段的不同，按C2-1的方式分别统计；
C2-2-3、如果能源管理单元在同一时间段内具有的不同产出物且产出物之间没有可比性，则将该能源管理单元按产出物划分为多个次一级能源管理单元，各次一级能源管理单元分别统计；
D、能源网络平衡与损耗分摊模块：用于针对能源储配单元进行网络平衡分析和损耗分摊分析；所述能源储配单元是指用于存储和/或分配能源的能源管理单元；所述能源储配单元具有容量属性，用于记录当前存储的能源的量；
D-1、网络平衡分析的方式为：按下列公式计算该能源储配单元的网络损耗：
式中，Ii为第i个输入的能源转移路段所输入的能源量，m为输入的能源转移路段的总数，Oj为第j个输出的能源转移路段所输出的能源量，n为输出的能源转移路段的总数，Δ为容量属性变化量；
D-2、损耗分摊分析的方式为：按下列公式计算该能源储配单元的第k个输出的能源转移路段的损耗分摊量：
作为该能源管理系统的进一步改进，其还包括：
E、耗能工质折算模块：用于计算对于某个能源管理单元，每消耗一个单位的耗能工质Ni，对应消耗多少一次能源N1；方法为：根据能源网络图找到一次能源N1的输入点到该能源管理单元即消耗点的路径；然后对根据该路径上所有节点进行比例指标分析和损耗分摊分析，从而计算出与耗能工质Ni相关的使用效率和损耗分摊量；根据使用效率和损耗分摊量沿路径计算得到单位的耗能工质Ni对应的一次能源N1的消耗量。
相应的，本发明还公开了一种设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述能源管理系统。
相应的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述能源管理系统。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将设备、车间、建筑物和管路等对象抽象为能源管理单元，将产品、能源等在能源管理单元之间的转移抽象为转移路段，在建模阶段依据现场情况将转移路段和能源管理单元关联起来，构成有向的网络拓扑图，模型简单易懂，配置简单，且不依赖任何行业特有的具体概念，可以适用于各种行业领域的企业能源管理系统，也适用于公用建筑能源管理系统；
(2)由于建模阶段已经配置好能源管理单元与转移路段之间的对应关系，因此在实现可视化功能时，可以根据模型信息快速生成，降低了能源管理可视化过程中所需的工作量；
(3)用户可以自定义分类视角和分类方法，通过将分类标签与能源管理单元相关联，在统计时快速定位到与统计视角相关的能源管理单元，提高了统计的速度；
(4)基于模型中的属性配置，可以高效实现能源网络平衡、能耗分摊、能效指标计算、耗能工质折算等功能。
附图说明
图1为模型中能源管理单元与相关的转移路段之间的关系图；
图2为耗能工质与所耗用的能源之间关系的模型示意图；
图3为产出的产品与所耗用的能源之间关系的模型示意图；
图4为能源网络平衡与损耗分摊的示意图；
图5为水泥厂顶层能源网络图；
图6为水泥厂次级展开能源网络图；
图7为水泥厂全展开后的能源网络模型；
图8为水泥厂压缩空气环网的示意图；
图9为水泥厂分类标签与各能源管理单元之间关系的示意图。
具体实施方式
下面以某水泥厂为例，简述如何使用本发明所述的方法为其建模并完成管理系统的各种功能。本实施例的目的是为了更好理解和说明本发明的方法，为简单计，对水泥厂的能源管理过程做了有目的的简化。
一个典型的水泥厂包含原料均化堆场、煤场、生料车间、熟料车间、水泥车间、包装车间、主变电站、配电室、空压站、压缩空气环网、水泵房、供水管网、生料均化库、熟料库、水泥库、各种物料输送设备、办公楼、食堂、职工宿舍、机修车间等，本实施例中为突出说明如何建模和使用模型完成相应的管理功能，对水泥厂进行了适度简化，比如，对于用水部分和原料均化堆场以及水泥库存与包装部分均进行了简化省略。
由于任何模型建立的基础都是服务于系统的功能，所以，在决定如何抽象和简化这个水泥厂的能源管理过程之前，首先要确定该企业能源管理系统需要完成的功能，或者说要先明确需求，假定该水泥厂的能源管理系统有如下常见需求：
1、统计分析不同时段全厂及主要车间的电耗；
2、按《GB16780-2012水泥单位产品能源消耗限额》所规定的统计口径统计分析水泥综合电耗；
3、统计分析企业主要生产车间即生料车间、熟料车间、水泥车间的能效；
4、统计分析企业压缩空气站的能源转化效率；
5、对压缩空气输气环网进行网络平衡分析，计算输气损耗；
6、对压缩空气输气损耗进行分摊计算，将各车间的压缩空气耗用量折算成耗电量；
7、分别统计企业主生产系统、辅助生产系统和附属生产系统的用电量及其比例关系；
8、企业用能过程的可视化展示；
9、统计计算CO2排放量。
针对上述功能，可以对这个水泥厂的能源管理过程进行建模，并以此构建整个能源管理系统。下面首先介绍模型的基本概念，以及基本功能的实现，然后具体介绍水泥厂的建模方式和系统实现方式。
一、模型的相关概念：
1、能源管理单元
如图1，能源管理单元是抽象出的对企业能源管理有特定意义的企业的一个组成部分，它可以是一个车间、一台设备或者是一条能源输送管路，只要出于能源管理工作的需要希望对该部分予以研究或分析，就可以将其定义为一个能源管理单元。
2、转移路段
转移路段，特指一条抽象有向的线段，用于描述产品、能源或排放物在企业内部的流转。转移路段有起点和终点，代表产品、能源或排放物从起点流出，流向终点，产品、能源或排放物流转的值就是转移路段的权重。
通常用该转移路段关联的计量点来计量。计量点是一个抽象的概念，代表一个计量位置，将该计量点与底层的采集仪表或数据输入点相关联，可以使能源管理系统获得能源或产品的流转数据。将计量点与转移路段相关联，可以指明该转移路段上能源或产品转移的数量。
转移路段是一个虚拟的抽象概念，没有几何和物理属性，物质在其中的转移不产生损耗。
3、能源管理单元与转移路段之间的关系
能源管理单元具有输入点/输出点，是能源转移路段或产品转移路段与能源管理单元的交汇点。对于一个特定的能源管理单元，与其连接的转移路段的终点叫输入点，否则叫输出点。输入点/输出点是逻辑上存在的点，在对能源网络进行可视化展示时，为保持图面的简洁不需要实际显示。
能源管理单元与一系列有向的能源转移路段、产品转移路段以及排放物转移路段相关联，代表流入或流出系统的能源、产品或排放物。
4、能源及其转移
能源泛指企业生产经营过程所需的电、水、气、热等能介质，通过使用“能源类型”，可以对能源进行分类；能源可以在能源管理单元间转移，表示为从流出能源管理单元指向流入能源管理单元的一条有方向的线段，这样的有方向的线段被称为能源转移路段。能源转移路段通过与计量点相关联，可以得到某时段内在该路段上转移的能源的数量。
进一步的，在企业内部由其它能源种类转换而成的能源又被称为耗能工质或二次能源，耗能工质概念是能源概念的特化。如图2所示，耗能工质由输入能源管理单元的一种或多种能源转换得到。进一步的，从能源管理的角度，可以等效认为在能源形态转换过程中将输入一次能源转移到了耗能工质中，用耗能工质折算成某能源品种的系数代表每生产单位数量的耗能工质要耗用的该能源品种的数量，这样就可以把在企业内流动的耗能工质等效折算成相应品种的一次能源。
5、产品及其转移
产品泛指企业产出的用于人类消费和使用的有特定价值的事物，通过使用“产品类型”，可以对产品进行分类；产品含有单价、数量和对应耗用能源的折算系数等属性。产品可以在能源管理单元间转移，这被表示为从流出能源管理单元指向流入能源管理单元的一条有方向的线段，这样的有方向的线段被称为产品转移路段。产品转移路段通过与计量点相关联，可以得到某时段内在该路段上转移的产品的数量。
如图3所示，在企业能源管理系统中，因为产品的产出过程都伴随着能源的使用和消耗，可以认为在生产过程中，将输入能源管理单元的能源转移到了产品中，这样便赋予了产品能源属性。当产品流转入下工序时，认为其同时还携带着生产它时所耗用的能源量；产品携带相应能源的能力用产品折相应品种能源的系数表示，这个概念与耗能工质折算成相应品种的一次能源的概念类似。
6、排放物
排放物泛指企业在生产经营过程中排出的对人类无用甚至有害的物质，比如CO2、废水、粉尘、氮氧化物等。本概念的引入是由于通常意义的能源管理系统一般还含有污染物排放监视管理以及碳排放统计计算的任务。通过使用“排放物类型”，可以对排放物进行分类。
7、能源储配单元
能源储配单元是能源管理单元的特化，是一种特殊类型的能源管理单元，对于能源储配单元，输入和输出的能源介质的品种不发生变化。如图4，能源储配单元的作用是储存和分配能源介质，能源储配单元可以具有容量属性。基于物质不灭和能量守恒，认为能源储配单元的容量变化必定等于能源流入量与流出量的差值，二者若不相等意味着该储配单元存在着损耗或计量误差。在企业能源管理过程中，往往需要将这些差值合理分摊到相应的输出能流中，以维持能源使用过程中总量的守恒，这个过程叫网络平衡与损耗分摊。
8、能源网络图
能源网络图是一种用来对企业的能源和产品的采购、储存、加工转换、输送分配、消耗使用全过程进行抽象描述的有向拓扑网络图。如图1，能源管理单元作为网络拓扑图的结点，能源转移路段和产品转移路段作为网络拓扑图的弧。
根据管理视角的不同，能源管理单元可以层层分解，所以企业可以有不同分解层级的能源网络图，一个特定的能源管理单元也可以有自己的能源网络图。最顶层的能源管理单元就是企业本身。一个能源管理单元的转移路段与该能源管理单元展开后的能源网络图中若有两条转移路段有公共的输入点或输出点，则认为这两条转移路段是相同的。
由于有向网络拓扑图的存储、追溯分析技术及显示技术已经非常成熟，通过把企业能源流转使用的全过程表示成能源网络图这种有向网络拓扑图，就可以使企业的能源管理的可视化和分析计算有良好的技术基础。
9、分类标签
在企业能源管理过程中，用户对企业用能数据的统计分析的视角和方法会随行业的不同、企业管理细度的不同甚至历史时期的不同而发生变化，这些变化在产品设计之初是不可预见的。为解决这类问题，在系统的概念数据模型设计中引入了分类标签的概念，用户可以根据实际需要自由建立分类标签，通过将某些能源管理单元与某种标签相关联，可以将这些能源管理单元归于一类，以便赋予系统特定的统计分析维度。
二、能源管理系统的功能实现
通过使用以上这些有限的简单易懂的概念，就可以简单方便地实现5类常见的基本功能，下面分别说明：
1、企业用能过程的可视化
所谓企业用能过程的可视化，就是以图形化的方式展示企业各种能源从输入、储存、分配、转换、使用消耗的全过程，使用本发明方法，系统可以基于用能源网络图对企业用能过程进行自动的渲染和展示。
方法要点在于：
将有管理意义的企业能源管理单元抽象为能源管理单元，用能源管理单元的名称可以对不同的能源管理单元个体进行区分。
基于管理视角的不同，可以对能源管理单元进行再次分解为次级的能源网络图，分解的层级以能源管理需要而定。
在能源网络图中为了把可以分解的及不能分解的能源管理单元从外观上予以区分，可以使用但并不仅限于本说明提供的方法即用双线矩形框代表可以分解的能源管理单元，用单线矩形框代表不能分解的能源管理单元。
特别的，在能源网络图中，将能源储配单元用与其余能源管理单元不同的图示方法来显示，可以使用但并不仅限于本说明提供的方法即用实心竖向窄矩形代表能源储配单元。
用能源转移路段表示能源在能源管理单元间的转移，能源转移路段用带有箭头的有向线段表示，为区分不同的能源品种，不同的能源品种可以使用具有不同图形特征的有向线段表示，可以使用但并不仅限于本说明所述的用不同颜色的有向线段来指代不同能源品种的能源转移路段；
为方便用户了解能源转移的数量信息，将能源转移路段所关联的计量点代表的能源转移数量用文本框显示在转移路段附近并用细线条将二者连接以明确显示二者间的关联关系。
用产品转移路段表示产品在能源管理单元间的转移，产品转移路段用带有箭头的有向线段表示，为区分不同的产品品种，不同的产品可以使用具有不同图形特征的有向线段表示，可以使用但并不仅限于本说明所述的用不同颜色的有向线段来指代不同产品品种的能源转移路段。
为方便用户了解产品转移的数量信息，将产品转移路段所关联的计量点代表的产品转移数量用文本框显示在转移路段附近并用细线条将二者连接以明确显示二者间的关联关系。
用排放转移路段表示排放物的产生位置与数量，排放转移路段用带有箭头的有向线段表示，为区分不同的排放物品种，不同的排放物可以使用具有不同图形特征的有向线段表示，可以使用但并不仅限于本说明所述的用不同颜色的有向线段来指代不同排放物品种的排放物转移路段。
为方便用户了解排放物的数量信息，将排放物转移路段所关联的计量点代表的排放物转移数量用文本框显示在转移路段附近并用细线条将二者连接以明确显示二者间的关联关系。
需要特别指出的，由于本建模方法中所述的能源网络图已经将企业能源的流转和使用过程使用有向网络拓扑图的方式进行了表示和保存，所以系统可以根据这些数据信息自动渲染和绘制出方便用户识读的画面而不必用户手工绘制，这大大降低了系统的配置和使用工作量。
2、多维度用能统计
使用分类标签赋予用户非常灵活的根据管理需求自由配置统计分析维度的能力。
为赋予系统某视角(也称维度)的能源统计分析能力，首先建立该视角下的分类标签；然后将该标签与系统中的能源管理单元相关联；根据能源管理单元与标签的关联关系，就可以完成该维度下的用能统计分析。
3、用能指标的统计分析
对于企业能源管理来说，用能指标主要分为两类：一类是总量指标，比如用能量与用能成本；另一类是比例指标，比如单耗和一二次能源间的转换效率。
对于一个特定的能源管理单元，某能源品种的耗用量等于输入本能源管理单元该能源品种的总量减去输出本能源管理单元该能源品种的总量，能耗成本则等于耗能量与能源单价的乘积。
对于比例类指标，效率等于产出物(产品或二次能源)的量除以对应的能源管理单元特定能源的耗用量。当一个能源管理单元只产出一种产品或耗能工质时，这个计算很容易实现。
当一个能源管理单元同时产出多个产品品种或耗能工质时，涉及到能源耗用量的分摊问题，计算方法并不是显而易见的，根据实际企业能源管理经验，对于这样的问题有以下几种解决方法：
第一种：不同品种的产出物之间可以折算。比如，在白色家电行业，一个冰箱车间可以产出多种不同型号规格的冰箱，由于不同型号冰箱的大小和生产工艺不一样，在生产过程中其能耗是不一样的，所以，在计算该车间的单台冰箱的电单耗时，不能简单的用一段时间的冰箱总产出量除以车间的用电量，在这种情况下，根据行业管理惯例，企业会根据不同规格型号冰箱的生产工艺，给出其相对一种标准冰箱的折标系数，根据这个折标系数，可以计算出该车间的冰箱折标台数，这样就可以计算这个车间的冰箱的折标台单耗。
第二种：若不同品种的产出物之间在时间上是互斥的，则可以根据生产时段的不同，将能源管理单元生产的不同产出物的总量和用能量分别累加统计，这样可以计算出不同产出物的单耗。比如，对于水泥厂的主要耗电设备之一的水泥磨，会根据生产指令在不同时段生产不同的水泥品种，但是水泥磨绝不会在同一时间生产不同的水泥品种，对于这种情况，可以根据不同水泥品种的生产时段，将用电量分别统计并与不同的水泥品种相对应，这样就可以统计计算出这台水泥磨生产不同水泥品种的电单耗。
第三种：一个能源管理单元在同一时间有不同品种的产出物，这些产出物之间没有可比性，或者对于这些产出物在能源管理实践中进行相互折算没有管理价值，对这种情况下不同产出物的单耗要使用对能源管理单元展开分析的方法。为方便说明，以水泥厂为例进行说明。
水泥厂作为一个能源管理单元，通常会同时生产外销至少两种产品：水泥和熟料，出于说明的方便性，假设该厂仅生产单一品种的PO525水泥(实际上，在实际能源管理过程中，对于厂级视角，可以将不同品种的水泥折标到标准425水泥)和熟料，为计算该厂的水泥电单耗和熟料电单耗，需要将该厂的生产和能源使用过程用能源网络图进行二次展开，在展开图中，可以追溯到熟料是在熟料车间生产的，是熟料车间唯一品种的产出物，这样就容易求得熟料单位电单耗。而水泥是分生料制备、熟料烧成和水泥磨制三个工艺过程的，每个工艺过程都分别对应着唯一的产出物：生料、熟料和水泥，则不难计算不同工艺过程中每种产出物的电单耗。
4、能源网络平衡与损耗分摊
基于物质不灭和能量守恒的基本原理，可以对某种能源的储配网络进行平衡分析，并将损耗进行比例分摊。对于如图5所示的一个能源储配单元，共有n个输入转移路段，有m个输出转移路段，在一个统计期内，能源储配单元的储量变化为Δ，每个转移路段上流入或流出能源储配单元的能源数量可通过对应转移路段上的计量点示出，则容易得到本能源储配单元在该统计时段内的网络损耗为：
将“网络损耗”按比例分摊到各输出路段上，容易计算得到任意第k路输出转移路段上的分摊量为：
5、耗能工质折算
在企业能源管理领域，所谓耗能工质折算是指：若在企业的用能过程中，某耗能工质Ni是最终由一次能源N1转化得到的，求解在该企业中，每消耗一个单位的耗能工质Ni，相当于消耗多少一次能源N1的问题。
在对企业的能源使用过程建立起本方法所述的能源网络图的基础上，这个问题的求解过程可分为以下几个步骤：
在展开至最低层次的企业能源网络图中，根据有向网络拓扑图的原理，不难求出从一次能源N1的输入点到耗能工质Ni的消耗点之间的有向通路。
顺能流方向标记出这条通路上的所有节点和弧，这些节点要么是普通能源管理节点，要么是储配节点。
经过普通能源管理节点，若能源形态未发生改变，则意味着该节点仅起能源转供的作用，不发生任何与折算有关的计算；若在某能源管理节点能源形态发生了变化，则根据上述3中所述的与转换效率有关的部分，不难计算每产生一个单位的耗能工质，相当于消耗多少数量的输入能源。
经过储配节点，能源一般会发生损耗，使用上述4中所述的步骤，对在该单元发生的损耗进行分摊后，容易获得在一个输出路段上每消耗一个单位的某能源，相当于消耗输入路段上多少数量的该种能源。
顺能流方向遍历该有向通路，就可以计算出在该企业中，在某个具体的能源管理单元，每消耗一个单位的耗能工质Ni，相当于消耗多少一次能源N1。
三、水泥厂的建模过程
首先，从整体上可以将该水泥厂看成如图5所示的一个能源管理单元，它输入能源电和煤，产出并外销水泥，同时排放出主要的排放物CO2。定义好系统的边界和能源输入及产品的输出路段后，还要明确与这些转移路段相关的计量点如何从现实环境中取得，这些计量点的值可能来源于一个实际的物理表计，也可能来源于水泥厂DCS系统的一个变量点，也可能是几个变量组合计算值。为简化说明，后续建模过程中都不再对计量点的取得这一步骤再做说明。
这一层模型的主要作用是将本水泥厂作为一个系统与外界的输入输出关系进行了定义与建模。同时以这个最高层级的模型为基础，可以统计计算企业级的能源消耗量和产品产出量。因为当前的水泥生产过程不涉及有效的电力储存过程，所以企业总的用电量可以基于这个层次的模型进行统计计算。
为完成其余的8项功能，需要对这个水泥厂的用能过程进行分解。除了企业的总用电量，功能2中所述的水泥综合电耗是另一个较宏观的能效指标，根据国家标准，水泥综合电耗的计算不包含办公区、宿舍、食堂等附属生产系统用电；同时，考虑到水泥厂购入的煤炭入场后先在煤场暂存，也就是说企业的入厂煤量与企业的实际使用煤量并不相同，基于以上考虑，将这个水泥厂的能源管理过程分解成图6所示的能源网络图。
在图6所示的能源网络图中，可以清楚的表示出输入水泥厂“主体生产部分”的用电量和用煤量，企业生产的水泥产量以及与水泥综合电耗无关部分的用电量，以“主体生产部分”为关注的能源管理单元，不难计算得到该单元的水泥产出相对于用电量的效率，这个值就对应国标要求的“水泥综合电耗”。
水泥综合电耗＝(d1-d7-d8)/s1
在如图6所示这一层级的能源网络图中仅孤立出了“煤场”、“主体生产部分”、“办公楼”和“生活区”这几个能源管理单元，这个层级的能源管理模型还不能满足功能1、3、4、5、6、7功能项的要求。
为此，需要将“主体生产部分”这个能源管理单元再次分解，分解后水泥厂总的能源网络图如图7所示。
四、水泥厂能源管理系统的功能实现
下面说明如何根据图7所示的企业用能模型完成上述所需功能。
功能1要求“统计分析不同时段全厂及主要车间的用电量”。全厂的用电量在图4所示的厂级能源模型已容易得到，所以，以下说明如何统计水泥厂主要车间的用电量，如图7所示，水泥厂主要包含3个主要生产车间：生料车间、熟料车间和水泥车间，系统可以通过3个车间的用电输入转移路段所关联的计量点自动统计得到各个车间的用电量。
功能3要求“统计分析企业主要生产车间即生料车间、熟料车间、水泥车间的能效”。
这3个车间的能效计算方法是相似的，下面仅以其中较复杂的熟料车间的能效计算为例进行说明。
从图7的企业用能模型可以看到，熟料车间输入产品“生料”，输入能源“电”、“煤”和“压缩空气”，产出产品“熟料”，排出排放物“CO2”。其中，系统可以通过与这些输入输出转移路段相关的计量点自动取得消耗的能源量和产出的产品量，然后，就可以计算得到对于熟料车间，每产出一吨熟料需要分别消耗多少电，多少煤以及多少压缩空气。
功能4要求“统计分析企业压缩空气站的能源转化效率”。基于图7的企业能源模型，系统可以通过相关转移路段上关联的计量点得到输入压缩空气站的电量以及产出压缩空气的数量，基于这些数量，系统可自动计算求得对于压缩空气站，每生产一个单位的压缩空气需要消耗多少度电，也即压缩空气站的能源转换效率，又称气电比。
功能5要求“对压缩空气输气环网进行网络平衡分析，计算输气损耗”。该功能围绕储配单元“压缩空气输气环网”展开，为说明方便，将压缩空气环网从图7所示的企业能源网络中独立出来，如图8所示，“压缩空气输气环网”中有一条来自空压站的压缩空气输入转移路段，对应计量点91，有两条压缩空气输出转移路段，输往熟料车间的转移路段对应计量点92，输往水泥车间的转移路段对应计量点93。网络平衡分析就是对输入和输出压缩空气输气环网的压缩空气的差值进行计算，为简化计算，假设对应的统计时段的起止点上压缩空气环网中的压缩空气的压力保持不变，即不考虑输气环网中压缩空气储气量的变化，则在一个统计时段内进出该压缩空气输气环网的损耗为：
压缩空气输气环网输气损耗yΔ＝y1-y2-y3
功能6要求“对压缩空气输气损耗进行分摊计算，将各车间的压缩空气耗用折算成电耗”。以上面功能5的计算结果为基础，对输气损耗进行分摊，就是将yΔ分摊给熟料车间和水泥车间，在能源管理实践中，这个场景下一个常用的分摊策略就是按用量分摊，则容易计算：
熟料车间分摊的压缩空气损耗量＝yΔ*y2/(y2+y3)
水泥车间分摊的压缩空气损耗量＝yΔ*y3/(y2+y3)
功能7要求“分别统计企业主生产系统、辅助生产系统和附属生产系统的用电量及其比例关系”。为实现该功能，需要基于企业能源消费流向的视角对企业用能进行分类，建立相应的“分类标签”，在本例中按能源消费流向建立3个标签“主生产系统”、“辅助生产系统”和“附属生产系统”，并如图9中所示的，将这些标签分别与相应的能源管理单元相关联，然后，基于标签与能源管理单元的关联关系也就是分类，系统可以自动统计计算出3类系统的用电量：
与分类标签“主生产系统”关联的能源管理单元有“生料车间”、“熟料车间”和“水泥车间”，对应可以计算主生产系统用电量d主：
d主＝d3+d4+d5；
同理，可以计算附属生产系统的用电量d附：
d附＝d7+d8；
与分类标签“辅助生产系统”相关联的能源关联单元有“变电站”、“空压站”和“机修车间”，其中，变电站有一个输入转移路段，5个输出转移路段，可以计算得到变电站的用电量d变为：
d变＝d1-d2-d3-d4-d5-d6；
(注：变电站用电量包含变电站自用电和企业变配电线路的损耗，当企业想进一步研究变电站的变电效率及线路损耗时，可以对“变电站”这个能源管理单元进行再次展开的细节建模。)
基于上面的分析计算，系统可以自动汇总计算得到辅助生产系统的用电量d辅：
d辅＝d变+d2+d9；
则基于以上计算，系统容易自动求得三者间的比例关系：
主生产系统用电：辅助生产系统用电：附属生产系统用电＝d主：d辅：d附
对于功能8要求的“企业用能过程的可视化展示”，前面功能说明过程中为对模型进行说明时所应用的附图例子已对模型的可视化能力进行了示例展示。
功能9要求“统计计算CO2排放量”。对于该水泥厂的CO2排放量，不难从计量点的示值t1得到.
注：在现实能源管理场景中，对排放物这类计量点的定义，一般有两种方式：一种是直接计量，一种是间接计量。对CO2排放量一般使用间接计量，比如对于水泥厂，可通过输入熟料车间使用的生料量来折算排放的CO2数量，在系统中只要定义好二者的比例关系，就不难自动统计计算各时段的CO2排放量。
显然，本领域技术人员应该知晓，上述能源管理系统的各模块或步骤可以使用通用的计算机装置来实现，它们可以集中部署在单个的计算机上，也可以分布在多个计算机装置所组成的网络上。它们可以用计算机可执行的程序代码来实现，因此可以将它们存储在存储介质中，如ROM、磁盘或光盘等。
Claims (10)
1.一种能源管理系统的模型构建方法，其特征在于步骤为：
(1)建立能源管理单元，所述能源管理单元具有输入点和输出点；各能源管理单元分别对应一个实体对象，所述实体对象包括设备、车间、建筑物和管路；
(2)建立有向的转移路段，所述转移路段用于连接能源管理单元，转移路段的起点用于与能源管理单元的输出点相对应，转移路段的终点用于与能源管理单元的输入点相对应；
所述转移路段包括能源转移路段、产品转移路段和排放物转移路段，三者分别对应实体对象之间能源、产品和排放物的流动；
所述转移路段带计量属性和类型属性；所述计量属性用于记录转移路段对应的能源或产品或排放物的流转数据，所述类型属性用于记录转移路段对应的能源或产品或排放物的类型；
(3)将能源管理单元和转移路段关联起来构成拓扑网络图。
2.如权利要求1所述的能源管理系统的模型构建方法，其特征在于：所述能源管理单元还具有子集属性，该子集属性用于指向该能源管理单元所包含的次一级的能源管理单元和转移路段。
3.如权利要求1所述的能源管理系统的模型构建方法，其特征在于：对于实现了能源种类转换的能源管理单元，为能源管理单元设定耗能转换折算系数；所述耗能转换折算系数是指，对于具有能源转换关系的某项耗用能源和某项耗能工质，一段时间内能源管理单元输入的该耗用能源量与产出的该耗能工质量的比值。
4.如权利要求1所述的能源管理系统的模型构建方法，其特征在于：对于具有产品产出的能源管理单元，为能源管理单元设定产品耗能折算系数；所述产品耗能折算系数是指，对于具有使用消耗关系的某项耗用能源和某项产品，一段时间内能源管理单元输入的该耗用能源量与产出的该产品量的比值。
5.如权利要求1所述的能源管理系统的模型构建方法，其特征在于：将用于存储和/或分配能源的能源管理单元定义为能源储配单元；所述能源储配单元具有容量属性和网络损耗属性；
所述容量属性用于记录当前存储的能源的量；
所述网络损耗属性的计算方式为：
式中，Ii为第i个输入的能源转移路段所输入的能源量，m为输入的能源转移路段的总数，Oj为第j个输出的能源转移路段所输出的能源量，n为输出的能源转移路段的总数，Δ为容量属性变化量；
与能源储配单元的输出点相连接的能源转移路段还带有损耗分摊量属性，对于第k个输出的能源转移路段的损耗分摊量属性的计算方式为：
6.如权利要求1所述的能源管理系统的模型构建方法，其特征在于：建立与能源管理单元相关联的分类标签。
7.一种能源管理系统，其特征在于：包括基于如权利要求2所述的构建方法所构建的模型，还包括：
A、可视化模块：用于绘制能源网络图，所述能源网络图包括与能源管理单元对应的节点和与转移路段对应的线条；绘制时，根据能源管理单元的输入点及输出点与转移路段的起点及终点之间的对应关系将节点通过线条连接到一起；对于包含次一级能源管理单元和转移路段的能源管理单元，其节点指向下一层级的能源网络图；
B、用能统计模块：用于按指定维度统计用能数据；方法为：建立与统计维度相关的分类标签，将分类标签与能源管理单元关联起来，统计时依据分类标签定位到相关的能源管理单元，提取能源管理单元的数据完成统计；
C、用能分析模块：用于针对某一能源管理单元进行能源使用的总量指标分析和比例指标分析；
C1、总量指标分析的方式为：对于一个特定的能源管理单元，某能源品种的耗用总量等于输入该能源管理单元的该能源品种的总量减去从该能源管理单元输出的该能源品种的总量，能耗成本等于耗用总量与能源单价的乘积；
C2、比例指标分析的方式为：
C2-1、当能源管理单元只产出一种产品或一种耗能工质时，该能源管理单元的某项能源使用效率等于产品或耗能工质的产出量除以该能源管理单元的该项能源的耗用量；
C2-2、当能源管理单元产出的产品种类数量与耗能工质种类数量之和大于1时：
C2-2-1、当该能源管理单元的不同产出物之间可以互相换算时，设定一个标准产出物，并设定各实际产出物相对于标准产出物的折标系数，将各实际产出物的折标系数与数量的乘积相加，得到折算后的标准产出物数量，则该能源管理单元的某项能源使用效率等于标准产出物数量除以该能源管理单元的该项能源的耗用量；
C2-2-2、如果该能源管理单元的不同产出物之间在时间上是互斥的，则根据生产时段的不同，按C2-1的方式分别统计；
C2-2-3、如果能源管理单元在同一时间段内具有的不同产出物且产出物之间没有可比性，则将该能源管理单元按产出物划分为多个次一级能源管理单元，各次一级能源管理单元分别统计；
D、能源网络平衡与损耗分摊模块：用于针对能源储配单元进行网络平衡分析和损耗分摊分析；所述能源储配单元是指用于存储和/或分配能源的能源管理单元；所述能源储配单元具有容量属性，用于记录当前存储的能源的量；
D-1、网络平衡分析的方式为：按下列公式计算该能源储配单元的网络损耗：
式中，Ii为第i个输入的能源转移路段所输入的能源量，m为输入的能源转移路段的总数，Oj为第j个输出的能源转移路段所输出的能源量，n为输出的能源转移路段的总数，Δ为容量属性变化量；
D-2、损耗分摊分析的方式为：按下列公式计算该能源储配单元的第k个输出的能源转移路段的损耗分摊量：
8.如权利要求7所述的能源管理系统，其特征在于还包括：
E、耗能工质折算模块：用于计算对于某个能源管理单元，每消耗一个单位的耗能工质Ni，对应消耗多少一次能源N1；方法为：根据能源网络图找到一次能源N1的输入点到该能源管理单元即消耗点的路径；然后对根据该路径上所有节点进行比例指标分析和损耗分摊分析，从而计算出与耗能工质Ni相关的使用效率和损耗分摊量；根据使用效率和损耗分摊量沿路径计算得到单位的耗能工质Ni对应的一次能源N1的消耗量。
9.一种设备，其特征在于：包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7或8所述的能源管理系统。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7或8所述的能源管理系统。
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Denomination of invention: Method, System, and Equipment for Modeling Energy Management Systems Effective date of registration: 20230628 Granted publication date: 20220128 Pledgee: Bank of China Limited Yantai Laishan sub branch Pledgor: SHANDONG GUOYAN AUTOMATION Co.,Ltd. Registration number: Y2023980046442 |
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