AcrelEMS 港口能效平台 岸桥场桥能耗在线监测应用

安科瑞 刘迈

　　摘要：该项目利用物联网、互联网技术以及系统优化理论，形成了港口作业机械能耗在线监测技术方法，构建了基于节能降耗角度的作业协调优化模型，实现了港口装卸运输设备能耗与运行状态的实时同步采集、能耗动态分析、能效考核以及生产运行优化，有利于精细化分析港口能源消耗状况，深入挖掘港口节能潜力，科学制定节能改造计划。可对企业现有岸桥、场桥、流动机械、辅助用能等设备进行能源在线监测和管理，实现能源消耗准确化考核管理。该技术可应用于全部年能源消耗量5 000 tce以上的港口企业，预计可实现每年节能20万吨，减少二氧化碳排放约50万吨。

　　关键词：交通运输:低碳环保:港口设备:能耗监测:动态分析

　　技术概况

　　在国家发改委持续推进用能单位能耗在线监测体系建设的政策背景下，天津港太平洋国际集装箱码头有限公司搭建能耗智能监控平台。平台依托物联网、互联网信息技术与系统优化理论，创新形成港口作业机械能耗在线监测技术体系，构建以节能降耗为核心的作业协同优化模型。

　　平台可实现港口装卸、运输类设备能耗数据与运行状态实时同步采集、能耗动态研判、能效量化考核及生产调度智能优化，既能精细化复盘港口能源消耗全貌、深度挖掘节能降碳潜力，也可为科学制定节能改造方案、准确落地降耗举措提供数据支撑。

　　同时，该技术可覆盖公司现有岸桥、场桥、流动机械及辅助用能设备，实现全品类用能设备在线监测、集中管控，推动企业能源消耗考核管理向标准化、准确化、智能化升级。

　　该项技术于 2019年被交通运输部授予“交通运输重大科技创新成果库人库成果证书科技成果推项目"。适用于港口生产装卸设备各类能源消耗统计监测和优化。

　　技术原理

　　(1)港口用能设备能耗在线监测技术

　　基于港口用能设备特点，确定了构建港口作业机械能耗在线监测系统所需的各类参数要求，包括能耗监测采集设备选型要求、监测指标确定、数据采集及传输系统设计要求、数据质量控制要求等。规范港口能耗监测系统建设，有利于能耗数据相互之间的比较，有利于企业层面与上级能源管理系统的对接。

　　(2)能耗大数据分析技术

　　基于设备用能情况和生产信息构建了港口作业设备能耗在线监测及分析优化系统平台，实现了港口各类设备运行状态和能耗情况同步采集、关联分析，实现了:①港口用能设备能耗、排放数据和运行状态的动态、图形化显示与统计分析;②以能耗监测数据为基础，采用遗传算法、退火算法以及遗传-蚊群算法等优化算法构建主要港作机械能耗模型，进行能耗及排放路径分析，实现货物搬运、转场，大幅提高港口作业效率:③)建立港口码头各环节作业效率评价指标体系，利用基于物联网技术获取的各项评价指标体系的实时数据，对整个港口码头作业状况进行监控和预警，建立港区三级预警机制，提高生产及能源管理水平。

　　(3)港口典型作业能源分析及协调优化技术

　　针对集装箱码头装卸、水平运输环节开展能源利用分析，并构建了协调优化模型和能耗模型,主要包括港口码头作业环节能耗单元的构建、能耗与输入决策变量关系模型构建、能耗评价方法等。针对整体作业效率优化的码头作业能耗评价，以港口码头整体作业效率优化为目标，在协调优化基础上对能耗进行评价，提出基于效率目标的节能减排可行性建议。针对工艺能效优化的码头作业协调方法，以下艺能效优化为目标，以效率和其他设施、环境等条件为约束进行优化，提出工艺能效优化的码头作业协调方法，对集装箱码头岸桥、场桥等设备的能源消耗数据进行分析，建立能源消耗的概率密度雨数，分析其统计特征。在此基础上，建立整数规划、随机整数规划或者两阶段随机整数规划模型。模型的目标雨数反映出小巧化系统的整体能耗(确定性条件下)或系统的整体期望能耗(随机条件下)。利用智能算法框架并根据求解问题进行合理的调整。根据模型的特点，构造出混合启发式算法的框架，结合禁忌搜索算法、模拟退火方法、遗传算法、粒子群算法等算法的自身特点，提高算法获得优解的质量和收敛速度。核心问题是建立合适的邻域结构，对迭代过程中产生的大量解进行有效评价以及建立针对特定问题的解空间搜索策略等。

　　(4)港口作业过程能源消耗预警技术

　　通过对港口作业过程和运行能耗的监测，建立了港口作业效率评价指标体系，利用基于物联网技术获取的各项评价指标的实时数据，对港口作业状况进行监控和预警，对设备操作人员和管理人员发出警报和处理建议。

　　技术创新点

　　(1)基于项目研究成果，该项目提出了《港口能源消耗在线监测系统建设规范》，对港口能耗在线监测系统建设进行指导，在港口能耗监测方面。

　　(2)对传统燃油计量设备进行改进，经计量监督部门鉴定，误差小于0.5%。

　　(3)基于港口机械能耗和运动状态同步监测，构建了港口作业机械能效优化模型和能耗三级预警机制。

　　技术创新应用情况

　　目前，该项目成果已在天津港（集团）有限公司规模化推广应用，企业已建成并接入能耗在线监测系统，应用成效显著，有效提升了港口整体生产运营效率。以依托示范工程测算，企业全年装卸生产综合能耗为 3216 吨标准煤，按节能 5% 测算，年可节约标准煤160.8 吨。同时，依托能耗在线监测能力，可准确锁定企业重点耗能环节与关键用能点位，结合异常能耗智能预警等管控功能，进一步提升港口生产效率与能源综合利用水平。

　　项目成果同步在唐山港国际集装箱码头有限公司落地应用，部署港口用能设备在线监测装置，主要用于港口流动机械燃油准确计量。该设备计量精度高、误差小，适配港口机械作业工况特点，且运行稳定可靠。

　　针对港口现场设备布局分散、单点位数据传输量小、实时性要求适中的特点，采用无线传输方式，无需现场布线，大幅降低施工与运维成本，是港口能效数据采集的优选方案。对于现有成熟生产系统，则通过有线网络进行数据采集，借助网络映射端口实现与能效分析平台的数据互联互通。

　　现场采集设备通过无线公网将数据上传至服务端数据库，与平台服务器完成数据交互，支持能耗数据查询、实时监视、报表下载及统一管控等业务功能。港口能耗监测与分析系统整体网络拓扑结构详见图 1。

图 1 港口能耗监测与分析系统拓扑结构

　　系统的软硬件结构如图 2 所示。

图 2 系统软硬件结构

　　系统的主要功能模块有:能耗趋势界面(按日计算);能耗趋势界面(按分钟计算);信息查询;单台设备查询;统计分析;报警管理等。

　　节能降碳效益测算评价

　　5.1 节能降碳效益

　　据行业数据表明，能源智能化管理系统可帮助企业实现5%～10% 的能源节约。当前我国港口行业年综合能耗约 400 万吨标准煤，按 5% 节能水平测算，推广港口机械能耗在线监测与动态分析网络后，每年可节约标准煤20 万吨，相应减少二氧化碳排放约50 万吨，同时节省能耗费用约 1 亿元，整体节能降碳成效突出。

　　从示范工程运行成效来看，项目实施前港口生产单耗为 1.153 吨标煤 / 标准箱，实施后降至 1.069 吨标煤 / 标准箱。单位能耗明显下降，既有效压降企业能源成本，又显著削减温室气体及污染物排放，为国家碳减排、生态环境保护工作提供有力支撑。

　　5.2 经济效益

　　依托能耗在线监测与优化分析平台，港口企业可实现能源管理模式现代化升级，持续提升能源利用效率、压缩用能成本、降低生产运营开支。通过能耗数据与生产数据联动分析，准确研判用能合理性与有效性，为定向开展节能改造提供数据依据。同时，基于实时监测数据可科学制定可落地的能耗考核指标与节能目标，实现对各部门、各岗位的精细化能耗绩效考核管理。

　　5.3 社会效益

　　开展港口能耗在线监测与动态智能分析，能够同步提升港口生产运营效率与能源综合利用效率，拉高港口能源管理信息化、智能化水平，助力绿色低碳港口建设提质增效。

　　该项技术的研发与示范应用，可有效增强港口行业节能减排统计监测能力，提升行业能耗数据准确度与信息化管控水平；同时从能源优化角度指导港口生产作业调度，进一步提升装卸作业效率、降低港口单耗、减少碳排放，为行业绿色低碳转型及生态港口建设起到良好示范与推广作用。

　　6、安科瑞企业能源管控系统概述

　　安科瑞企业能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

　　7、应用场所

　　钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。

　　8、系统结构

　　现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

　　系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

　　现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

　　网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

　　平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

　　平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

9、系统功能

　　平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。

　　9.1平台登录

　　在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

9.2大屏展示

　　用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

9.3首页

　　首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

9.4数据监控

　　对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

　　能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。

　　能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；

　　配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。

　　实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

　　数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；

　　检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；

9.5视频监控

　　接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

9.6变压器监控

　　展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。

9.7仪表实时监控

　　展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。

9.8能源中控

　　将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

9.9用能统计

　　从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

9.10分析

　　统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

9.11产品单耗统计

　　与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

9.12绩效分析

　　对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、指定时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。

9.13运行监测

　　系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

9.14自定义能耗报表

　　用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。

9.15同比、环比

　　提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。

同比

环比

　　9.16分析报告

　　以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

9.17能耗设备用能

　　监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。

9.18线损分析

　　根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。

9.19碳排放管理

　　按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。

　　9.20电能质量监测

　　实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。

　　9.21运维管理

　　系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。

9.22报警管理

　　针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。

9.23能耗抄表

　　可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。

9.24能耗分析自定义时间抄表

　　可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。

9.25容需量报表

　　提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。

　　9.26复费率报表

　　对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。

9.27文档管理

　　对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。

9.28 3D可视化大屏

　　对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。

9.29 3D子系统

　　对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。

9.30工业组态

　　可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。

9.31自定义驾驶舱

　　可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

9.32基础数据管理

　　对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。

9.33手机APP

　　APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。

9.34知识产权证书

10 系统硬件配置

　　参考文献

　　[1]交通运输部天津水运工程科学研究所.港口能耗在线监测及动态分析优化技术研究[J].交通节能与环保，2022(S01):14-16.

　　[2]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.

　　[3]安科瑞企业能源管控平台.2023.06版.