能源大数据：信息背景与应用简介

1989年,我国建立了工业、交通运输业能源统计报表制度。工业企业、交通运输企业定期向行业主管部门、地方统计部门等能源管理机构报送能源统计报表,由国家统计局汇总并定期公布。除了国家统计局进行的能源消费统计外,钢铁、建材、化工、有色、电力、轻工、纺织、机械等主要耗能行业都建立了本行业的能源统计系统,建立了能源平衡表填报制度,规范了统计计算范围和口径,并组织对能源统计人员进行培训。80年代至90年代初,这一能源统计系统的建立及其有效运作,对于全国各级政府、工业部门及时了解企业能源消耗情况和企业能源经济效益、剖析企业能耗升降原因和节能潜力、进行宏观节能决策和企业自身节能决策、促进企业不断降低能源消耗等方面,发挥了重要的作用。

在国家层级,1982年国家统计局正式建立了专门的能源统计机构,逐步建立了国家能源统计制度,如建立了能源的投入与产出调查制度,地区能源平衡表的编制与报送制度,主要工业产品单位综合能耗调查制度,重点耗能工业企业能源购进、消费、库存的直接报送制度,能源统计制度日臻完善。在工业部门层级,各工业部门相应组织制定了能源管理、技术、产品标准和节能设计规范;建立了能源统计指标体系,编制了企业能源平衡表,通过部门统计汇总,定期上报国家有关节能主管部门。建立健全了各级节能机构,形成了两个“三级节能管理网”,即国家、部门、省厅(局)三级节能管理网和企业三级节能管理网;多数企业特别是年耗能1万t标准煤以上的企业形成了企业、车间和班组三级节能管理网。

为了做好综合能耗考核和产品单耗考核,一方面,国家制定了400多项能源管理、技术和产品标准等;14个主要耗能部门制定了27个节能设计规范;制定了比较符合我国实际的能源统计指标体系和实施方案,建立了重点企业能源消费报表、地区能源平衡表的制度。各工业行业分别制定了《企业能源平衡及能耗指标计算办法的暂行规定》,为落实主要产品的综合能耗考核创造了条件;冶金、轻工等部门还进一步制定了工序定额、工业窑炉分等、分级标准,加强了对企业和用能单位的能耗控制。另一方面,在企业特别是在近千家重点耗能企业中,普遍开展了能源计量、能量平衡测试、定额管理等基础工作,逐步加强了企业的能源管理。各工业部门普遍建立了企业能量平衡制度和企业能耗等级考核标准制度,使企业的能源消耗管理逐步步入科学管理和量化管理轨道。

企业能源统计是企业能源管理的重要内容,是编制企业能源规划的主要依据,又是政府监督管理企业能源使用、进行企业能源审计和企业能量平衡的基础性工作。20世纪50年代起,我国一直实行单项能耗考核,这种考核办法对反映各行各业某一方面的能源消耗情况起了一定的作用,但不能反映整个生产过程中能源消耗的全面情况。为了加强能源管理和统一能耗计算方法,在原冶金部、原石油部试点的基础上,1981年原国家计划委员会、原国家经济贸易委员会联合发布通知,对国家计划产品的能源消耗,在实行单项消耗定额考核的同时,要逐步实行综合能耗考核。综合能耗考核是把企业消耗的煤、电、油、气等各种能源都按热值换算成标准煤,确定一个综合能耗,并对企业生产过程中每道工序(工艺)所消耗的能源进行分析,找出同类企业不同工艺的可比因素,确定一个比较科学、便于评比的可比能耗以及相应的考核办法。综合能耗考核可以全面反映企业和产品的能耗情况,便于同国内外比较,从中分析能源使用中出现的问题,以便采取节能措施。

20世纪80年代中期,国家颁布了《企业能源平衡及能耗指标计算办法的暂行规定》,并组织有关工业、交通运输业等耗能行业起草并出台了《企业能耗指标计算通则》。通过贯彻《企业能源平衡及能耗指标计算办法的暂行规定》和《企业能耗指标计算通则》,统一了主要耗能产品的统计范围和计算口径,使同类企业产品的能耗指标更具可比性。截至目前,我国主要产品综合能耗指标的统计口径和计算方法基本沿用过去制定的统计口径和计算方法,一些重点耗能企业主要产品综合能耗统计指标的定义及计算方法仍在继续使用。

GB/T 2589—2008《综合能耗计算通则》中对相关能源术语做出了明确的规定,具体如下:

1)能耗指标术语和定义

(1)耗能工质(energy-consumed medium)。在生产过程中所消耗的不作为原料使用、也不进入产品,在生产或制取时需要直接消耗能源的工作物质。

(2)能量的当量值(energy calorific value)。按照物理学电热当量、热功当量、电功当量换算的各种能源所含的实际能量。按国际单位制,折算系数为1。

(3)能量的等价值(energy equivalent value)。生产单位数量的二次能源或耗能工质所消耗的各种能源折算成一次能源的能量。

(4)用能单位(energy consumption unit)。具有确定边界的耗能单位。

(5)综合能耗(comprehensive energy consumption)。用能单位在统计报告期内实际消耗的各种能源实物量,按规定的计算方法和单位分别折算后的总和。对企业,综合能耗是指统计报告期内,主要生产系统、辅助生产系统和附属生产系统的综合能耗总和。企业中主要生产系统的能耗量应以实测为准。

(6)单位产值综合能耗(comprehensive energy consumption for unit output value)。统计报告期内,综合能耗与期内用能单位总产值或工业增加值的比值。

(7)产品单位产量综合能耗(comprehensive energy consumption for unit output of product)。统计报告期内,用能单位生产某种产品或提供某种服务的综合能耗与同期该合格产品产量(工作量、服务量)的比值。

(8)产品单位产量可比综合能耗(comparable comprehensive energy consumption for unit output of product)。为在同行业中实现相同最终产品能耗可比,对影响产品能耗的各种因素加以修正所计算出来的产品单位产量综合能耗。

2)综合能耗计算的能源种类

(1)综合能耗计算的能源指用能单位实际消耗的各种能源,包括:①一次能源,主要包括原煤、原油、天然气、水力、风力、太阳能、生物质能等;②二次能源,主要包括洗精煤、其他洗煤、型煤、焦炭、焦炉煤气、其他煤气、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油气、炼厂干气、其他石油制品、其他焦化产品、热力、电力等。

(2)耗能工质消耗的能源也属于综合能耗计算种类。耗能工质主要包括新水、软化水、压缩空气、氧气、氮气、氦气、乙炔、电石等。

3)综合能耗的计算范围

指用能单位生产活动过程中实际消耗的各种能源。对企业,包括主要生产系统、辅助生产系统和附属生产系统用能以及用作原料的能源。能源及耗能工质在用能单位内部储存、转换及分配供应(包括外销)中的损耗,也应计入综合能耗。

4)综合能耗的计算

(1)综合能耗计算式为

式中,E为综合能耗;n为消耗的能源品种数;ei为生产和服务活动中消耗的第i种能源实物量;pi为第i种能源的折算系数,按能量的当量值或等价值折算。

(2)单位产值综合能耗计算式为

式中,Eg为单位产值综合能耗;G为统计报告期内产出的总产值或增加值。

(3)某种产品(或服务)单位产量综合能耗计算式为(www.xing528.com)

式中,ej为第j种产品单位产量综合能耗;Ej为第j种产品的综合能耗;Pj为第j种产品合格产品的产量。

对同时生产多种产品的情况,应按每种产品实际耗能量计算;在无法分别对每种产品进行计算时,折算成标准产品统一计算,或按产量与能耗量的比例分摊计算。需要注意的是,产品单位产量可比综合能耗只适用于同行业内部对产品能耗的相互比较,计算方法应在专业中和相关的能耗计算办法中,由各专业主管部门予以具体规定。

5)各种能源折算标准煤的原则

计算综合能耗时,各种能源折算为一次能源的单位为标准煤当量。用能单位实际消耗的燃料能源应以其低(位)发热量为计算基础折算为标准煤量。低(位)发热量等于29307kJ的燃料,称为1千克标准煤(1kgce)。用能单位外购的能源和耗能工质,其能源折算系数可参照国家统计局公布的数据;用能单位自产的能源和耗能工质所消耗的能源,其能源折算系数可根据实际投入产出自行计算。当无法获得各种燃料能源的低(位)发热量实测值和单位耗能工质的耗能量时,可参照表1-1和表1-2。

表1-1 各种能源折标准煤参考系数

(续表)

表1-2 耗能工质折标准煤参考系数

目前,国家、地方、企业等各级系统所具有的能源统计功能,仅仅是反映能源的综合平衡,即能源资源与使用的平衡,不具备反映和监测能源动态供需、能源市场运行状况的功能。企业能源统计不具备反映能源利用效益的功能。反映能源利用效益方面的指标主要是与经济产出相关的能源消耗强度指标,如万元总产出能源消耗、万元GDP能源消耗等,过去企业的能源平衡表中没有此项指标。关于产品单耗指标,以前在工业经济技术指标中有比较完善的统计,但受1998年政府机构改革、职能调整的影响,一些工业行业协会已无法通过既有渠道获得资料。在国家统计方面,1992—1994年国家统计局建立了产品综合能耗指标统计内容,但在以后的统计方法制度改革中被取消。同时,目前的能源统计还不具备为能源排放统计提供具体服务的功能,其原因:一是目前能源消费的行业分类方法不适应能源排放统计的需要,能源排放统计需要的能源消费行业分类方法是以产品的生产活动为原则来进行行业分类,而现行的能源消费行业分类方法则是以“工厂法”为原则进行行业分类;二是目前的产品分类太少、太粗,远不能达到能源排放统计对产品分类的要求;三是缺少按耗能设备划分的消费分组,燃烧方式不同、设备不同,则排放因子不同,因此能源消费按耗能设备分组,是一项重要,不可缺少的指标分组。

随着经济社会的高速发展,在国家对能源的需求日益增加的背景下,节能减排事业的形势不容乐观,以人工进行能源管理的传统方式已无法满足国家在节能减排领域的更高要求。在大数据技术等信息化手段不断发展的今天,通过大数据技术助力节能减排将成为未来节能减排发展的新路径。当前,工业企业在能效对标、节能改造技术方面仍有较大发展空间,通过建立能源大数据平台,可以有效地推动节能改造技术、工艺工序、管理水平等节能措施、理念的发展和提高。

要想通过大数据技术实现能源管理的智能化、自动化,首要的问题就是如何能实时地采集到系统平台所需的各种能源数据。根据统计学原理,能源在用能单位内部流动的过程及其特点,可划分为能源购入储存、加工转换、输送分配和终端使用四个环节进行能源统计,其能源流动如图14所示。

图14 能源流动简图

从图14中可以看出,在能源流动过程中不可避免地伴随着一定量的能量损失,因此精准有效地获取各环节的能源数据是保证能源大数据平台发挥实际功能的先决条件。

按照能源的物理形态,可将能源简单地分为:固体能源(如煤、焦炭、煤制品等),液体能源(如汽油、柴油、煤油等),气体能源(如天然气、焦炉煤气、炼厂干气等),特殊能源(如电力、核能等)。针对不同物理形态的能源,可采用不同的计量器具来测量。目前,已有成熟的计量仪器可实现能源数据的实时采集。

图15所示为固体流量测量仪,通过皮带秤等衡器的称重积算仪,累计煤量转化为电信号输出,在获得通信协议后,可以接入相应的现场数据采集器,实现无线数据传输。

图15 固体流量测量仪

图16所示是液体流量计,它与气体流量计原理类似,输送管道连接液体流量积算仪,具备4～20mA电流信号输出和RS-485信号输出,在获得不同积算仪厂家的通信协议后,可以接入相应的现场数据采集器,实现无线数据传输。

图16 液体流量计

图17所示是电力数据采集仪器,需要对输电线路进行智能化改造,在电力线路上加装互感器、变送器、智能电能表或电力仪表等,连接现场数据采集器,通过RS-485接口连接电力公司加装在用电大户的负荷控制终端,获取企业电能数据,一般用于企业二、三级电力能源计量。

需要注意的是,电力能源作为主要的二次能源,是所有工业企业生产过程中必须使用的一种能源。其利用高效、配置优化、服务便捷,对节能减排、资源节约型和环境友好型社会建设意义重大。基于大数据的理念开发出的电力计量系统为电力资源优化配置、能源效率水平提升、优质服务和辅助社会管理提供坚实的数据基础和提升空间。目前,各国针对电力能源的计量都开展了相关研究。

高级计量体系(advanced metering infrastructure,AMI)基于开放式双向通信平台,结合用电计量技术,以一定的方式采集并管理电网数据,最终达到智能用电的目标。AMI是智能电网发展的关键技术之一,是实现网络互动、优化资源配置、提高用电安全性的基础。AMI的研究与实践重点在于实现高级计量、双向互联、实时通信、质量监控、故障自检、智能控制、停电管理等核心功能。同时,为满足不同用户的多元化功能需求,需要为应用系统建立相应的接口,是实现特殊功能的扩展。

图17 智能电能表、电力仪表

2010年,欧盟启动了为期3年的“智能电力网项目”,共有18个欧洲国家计量研究所和4个大学/研究中心参与该项目,旨在开发计量测量结构系统,促进智能电网的可观性和可控性,为智能电网在欧洲的实施提供技术支撑。该项目包括一系列智能计量技术研发,为确保供电安全和电网稳定、电网质量、维护商业各方之间的公平贸易提供必要的技术保障。

美国能源部为了鼓励电力节能,开发测试完成了电力安全控制系统软硬件的通信技术,并确保这些技术符合相关标准;邀请美国计量机构参与国家电力服务试点实验室,帮助美国赢得全球电力市场;建立智能电网中发电和配电过程的计量模型,促进智能电网更加可靠、高效和安全运行。

2010年,中国计量科学研究院实施“高压电能计量标准及其量值溯源的研究”项目,其目标就是针对高压电能计量中急需解决的计量标准和量值溯源技术问题,通过高压大电流标准功率源和高压大电流标准表的技术研究,建立高压电能计量标准装置,解决高压电能整体量值溯源问题;建立高压电能溯源体系,为高压电能测量结果的可比可溯源提供技术、物质和管理保障。

结合国内外AMI技术的研究进展,需要进一步加深多功能智能电表的研制,促进用户参与需求响应和电力市场;进一步建立统一共享的数据平台,积极开展AMI组网方式和通信技术的研究。电能测量结构的量值溯源是实现智能电网AMI系统功能的保障,而AMI系统的构建要求也推动智能技术在电能计量领域的应用,从而进一步促进计量装置的更新换代。