一、双碳背景下面临的挑战与机遇

目前我国仍处于工业化、城镇化快速发展阶段,能源消费总量依旧处于逐年上升趋势,因此实现“双碳”目标的任务依旧艰巨。另外,碳减排受到经济增长、能源安全、社会民生等多种因素的制约。欧美日等发达国家及地区早已完成工业化阶段,基本已经实现碳达峰。

有色行业实现碳达峰主要通过以下几个方面实现:一是严格控制电解铝新增产能,严格执行产能置换;二是推进清洁能源置换,提高水电、风电、光电等发电应用比重;三是加快再生有色金属产业发展,完善废铜、废铝等资源回收利用;四是加快推广应用绿色低碳技术,推广单位内的低能耗;五是对伴生矿、尾矿、冶炼渣、赤泥等固废无害化、资源化处理,提升有色产业综合治理与循环利用水平。

在“双碳”目标下,有色行业首当其冲,电解铝则成为重中之重。虽然中国的碳减排目标不容易实现,但在供给侧改革政策下,中国电解铝行业应该能够在2030年之前实现碳峰值。但是,铝行业在2060年实现碳中和的目标仍具有挑战性,因为能源转型和电解铝行业的碳中和息息相关,在当前技术条件下,实现碳中和目标的资金投入将十分巨大。

整体来看,中国铝工业碳减排不仅对国内,且对世界范围内都将造成巨大影响。一方面,在“双碳”政策影响下,国内电解铝产能不可能再有增加,中国进口铝锭将成为常态,这将强力支撑国际市场电解铝价格;另一方面,全球铝市场平衡将受到重大影响,铝产品交易流可能再次被重塑,环境成本、碳交易成本将成为电解铝生产成本中的一部分。

在此背景下,数字化、智能化成为有色冶金行业向“双碳目标”迈进的重要手段。

数字化技术将有效助力有色冶金行业碳达峰碳中和,以数据为核心,基于传感器和采集终端集中收集的海量数据,结合软件平台和大数据分析技术来实现节能降耗、智慧化管理。“在能耗优化、排放控制方面,通过利用大数据分析等技术,加强能耗监管,健全能源管理体系,对有色冶金各环节的能耗和排放进行智能化管理,提高能效,降低单位能耗。在生产运营方面,通过完善软硬件基础设施、深化设备智能化改造等,不断提升生产智能化水平,在工艺优化、调度控制、远程协同等场景下,实现智能化、数字化管理,促进生产运营提质增效,在数字化技术赋能下,企业生产力和工作效率得到提升,同时能源使用和碳排放有效减少,实现节能降本增效。

二、项目政策背景

为深入贯彻落实《“十四五”工业绿色发展规划》《有色金属行业碳达峰实施方案》《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平(2021 年版)》《河南省制造业绿色低碳高质量发展三年行动计划(2023—2025 年)》,加快推进新一代信息技术在制造业能源消费和碳排放等领域的应用,持续推动工业企业用能低碳化、管理数字化,构建数字化能源消耗及碳排放管理体系,河南康派智能技术有限公司开发构建了数字化能碳智慧管理平台,运用工业互联网、云计算、人工智能、数字化等技术加强对有色金属企业碳排放在线实时监测,追踪产品半生命周期碳足迹,建立企业碳排放大数据中心。完善能源管理体系,建设能源管控中心,利用信息化、数字化和智能化技术加强能耗监控,完善能源计量体系,提升能源精细化管理水平。

三、项目的目的与意义

智慧能碳管理数字化平台建设目标是构建数字化智慧管理平台,建成能源消耗分析系统,实现能耗预警,为企业节能降碳制定提供数据支撑;建成分布式的能碳数据服务系统,形成多级互动的综合服务能力,提供一站式能碳信息综合服务;建成“能碳智慧管理平台”服务管理系统,形成有效的运行服务机制,为企业宏观决策提供全方位的双碳数据服务,全面提升信息化条件下企业服务能力和水平。

(1)实现企业能源消耗数据的互联互通:整合企业多种类能源消耗信息资源,实现基于网络化运行环境的能耗信息资源互联互通。

(2)提供一站式的能源数据综合服务:建成分布式能源消耗信息服务系统,提供能源消息信息浏览、分析、预警等系统搭建等网络化信息服务功能。

(3)形成业务化运行维护与管理机制:建立健全“智慧能碳管理平台”运行维护规定和管理办法,建成“智慧能碳管理平台”服务管理系统,形成不间断运行服务机制,为资源管理、服务调度、运行监控及适时更新提供有力的保障。

四、项目方案

4.1总体架构

4.1.1智慧能碳管理平台系统架构

智慧能碳管理平台覆盖企业用能相关的各种类用能设备,如变配电所、水、气等。能碳智慧管理平台的智能监控终端可以实现覆盖整个生产运行与办公作业区,作为实时监控与信息处理系统,其实现包括信息的实时采集、实时储存及分析展示。因此,系统解决方案基于系统集成的高度,以信息为核心满足能源管理应用功能上的特殊性及能源生产利用的连续性。

4.1.2智慧能碳管理平台应用架构

能碳管理平台包括四层架构:能效管理应用层、服务器层、网络传输层、现场设备层。

1)能效管理应用层

PC端:

通过web登录访问服务器,完成数据采集、校验、分析、处理、输出、系统维护、授权使用、权限分级控制等,并可将现场运行的重要数据、报警信息、故障信息等传送到企业决策人员。

APP端:

配置原生“Android+IOS” 两种系统的移动端,方便用户在手机端访问能源管理系统。

2) 服务器层

服务器架构中通常包含:数据服务器、应用服务器两部分,可共用1台。应用上使用微服务架构,在数据及程序的处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面有着巨大的优势,主要实现对数据的存储、处理、解析、应用展现、权限管理、安全防护、远程维护、数据管理和发布等。

3)网络传输层

可根据现场的实际情况设计使用有线、无线相结合的方式,采用RS485、RJ45、LoRa、Wi-Fi、NB-IOT等传输方式,通过选用合适的采集和传输方式,将区域内的各种类型的智能采集终端连接至相应的通讯管理机,各通讯管理机通过有线/无线方式连接至用户广域网,与服务器建立网络连接。

4) 现场设备层

现场设备层负责电、气参数的采集和上传。包括电、蒸汽、天然气的能耗数据采集和上传。现场采集层有多功能电力仪表、智能水表、智能气表。

4.2数据安全

4.2.1全链路安全防护

能碳智慧管理平台在客户端,包括 PC 端和移动端以及传输管道、服务端等多个维度完整借鉴了软件行业各项成熟的、经过多年验证的安全控制措施,建立了完整的事前动态管控、事中实时防御、事后快速响应的纵深防御体系,确保集团使用安全。

4.2.2客户端安全

能碳智慧管理平台通过应用完整性、环境可信性、数据机密性以及账号安全风控等四个维度的强化加固,有效保障了企业客户端安全。

4.2.3数据保密性

能碳智慧管理平台对缓存在客户端的数据信息,采用安全沙箱和安全加密方案,保障用户数据信息的安全性。针对信息安全要求较高的企业,提供三方加密服务,实现数据信息二次加密。

•安全加密:平台在客户端加解密过程中使用随机生成的密钥,并与设备绑定。破解者即使拿到了用户手机上的加密数据,在自己的手机上也无法完成解密操作,极大的保证了存储在客户端本地的数据安全。

•安全沙箱:平台在客户端的整个加解密过程均在安全沙箱中完成,对外不暴露任何密钥和加密算法。

4.2.4数据安全

基于现代化的数据传输网络,采用多渠道、多路径的传输方式,将计量数据传输至数据中心。常见的传输方式分为有线和无线两种,有线传输可以使用光纤、双绞线、VPN等方式,无线传输使用4/5G、WIFI、Lora、ZigBee、NB-IoT等方式。采用数据加密传输、添加数据安全隔离、网络LAN划分、防火墙等技术保证内外网数据的安全。

4.2.5身份认证策略

spring-cloud-gateway 集合 JWT 可以实现基础的身份认证功能。

spring-cloud-gateway 提供了一个建立在Spring生态系统之上的API网关,旨在提供一种简单而有效的方法路由到api,并为它们提供横切关注点,如:安全性、监控/指标和弹性等。

JWT : JWT 是一种数字签名(令牌)的格式。 JSON Web Token (JWT)是一个开放标准,它定义了一种紧凑的、自包含的方式,用于作为JSON对象在各方之间安全地传输信息。该信息可以被验证和信任,因为它是数字签名的。

密码的复杂度要适中,采用验证码技术,防止通过机器突破现实人的极限。

4.2.6访问控制策略

确保真正的用户能够访问到与自己的角色相对应的服务与资源

(1)功能级别访问控制。

(2)针对用户数据或者其他资源的数据级的访问控制。

4.2.7数据安全策略

(1)通过https、mqtt TLS、tcp安全加密等方式保证数据不被篡改、破坏。

(2)关键账号信息使用哈希加密算法进行加密传输和存储。

(3)当采集数据有智能终端传输至通讯管理机时,通讯管理机对数据进行加密后传输。

(4)服务器有专用的防火墙进行防护和软件加密,从而可以有效防止非法用户如黑客、网络破坏者等进入内部网络,禁止存在安全脆弱性的服务进出网络,并抗击来自外部各种线路的攻击等。

4.2.8数据备份

数据备份是系统的重要组成部分,系统通过提供数据备份,覆盖数据层面,解决一些重要系统的数据备份存在的问题,保障重要数据的完整性和可用性。

五、项目创新性

数字化能碳智慧管理平台是河南康派智能技术有限公司在新方法的引领下研发的新的工具,其融合了监测、管理、测算、分析等功能为一体,涵盖集团内能源、环境、经济信息,可精确测算集团级、企业级、工序级碳排放,是一款全新的数字化、智能化管理工具。该平台已经取得了计算机软件著作权登记证书,主要应用技术如下:

5.1 基于AI提供智能管理运营能力

1.集成开发工作台、API接口、微服务、数据沙箱等数据能力,开放引擎,实现灵活组合、编排和调用各类标准化的数据智能化服务能力。

2.可建立数据预测模型,包含数据用量预测和负荷预测。

3.便捷的空间分析和数据计算;

4.可配置可视化开发工具,可灵活定制专题数据展示内容;

5.2 端边协同,提升企业管理能力

1.边缘端通过独立的资源管理系统进行自治管理;

2.云、边、端协同工作,提升智慧安防能力;

3.传输高速,保证AI技术游刃有余;

4.实时监测公司安全生产运行状况;

5.3“1+1+1+1+N”建设理念,多级应用互联

智慧能碳管理平台的建设,通过“1+1+1+1+N”的理念建设,实现平台的搭建的同时,完成双碳体系的构建,其中包含1张综合能源管控泛在网、1张综合能源管控图、1个综合能源管控中心、1套综合能源管控平台、N个综合能源管控行业应用。

 1张综合能源管控泛在网:整合政务网、工业网、互联网、物联网、企业网、视频网等多个网络环境,形成一张综合服务能源管控的泛在网。

1张综合能源管控图:汇聚能源管控、双碳工作各个环节的各类数据,以可视化技术为支撑,直观全面的展示双碳管控和能源管控工作中监测、诊断、优化、管控、统计、分析、预测等信息,为管理决策做支撑。

1个综合能源管控中心:以综合能源管控为支撑,配套决策、管理、生产、考核、运维等相应的人员和机构,构建日常管理、指挥调度、分析决策、运营运维一体化的能源管控中心。

六、项目成效

6.1 降低人工成本及员工劳动强度

企业抄表工作平均为8h一次,每天需要抄表三次,涉及点位较多且分散,抄表人工较多、抄表人员工作量大,抄表之后填录报表繁杂并且易出错,升级能碳管理系统之后,可以实现电、气表的自动抄录上传,变人工抄表为自动抄表,可以降低抄表人员工作强度,提升报表准确性,并且可以按照企业报表需求定制自定义报表,满足企业抄表和存档的需要。平均月度节省1.5人/次人工成本。

6.2支撑企业由“能双控”走向“能碳双控”

6.2.1完善能源及碳交易策略

通过能碳管理系统容需分析、力调分析、变损分析等多重分析功能发现电价节约空间以及帮助企业参与售电自由交易,减少每年的申报电力用量偏差,降低电费单价成本。

通过能碳管理系统负荷特性分析、分时分析等功能板块分析企业用电负荷特性,尖峰平谷用电特性,为企业提供调整用电负荷建议和削峰填谷生产策略,降低总体电费成本。

经过短期的数据采集及分析,确定用能区域、能耗介质、用能设备的用能趋势及流向,为整体性的节能改造,设备的能耗异常分析,部门、区域能耗绩效考核提供数据模型。

6.2.2强化能源及碳排放管理

实现远程的设备监测和控制,帮助公司完善信息化管理手段,代替原有的手工抄表方法和设备近端控制,实现智能化管理,通过简单地监测和控制节约能源的浪费,提升利用率。

6.2.3提升企业碳资产管理水平

通过“碳排放监测、碳盘查、节能减排项目、碳分析”等模块,实时掌握公司的碳家产,摸清公司碳排放量,通过碳排量曲线把握公司碳排放趋势,为碳交易和用能权交易提供数据支撑。

6.2.4帮助企业识别节能机会

通过能碳管理系统及时发现电、气等能源过程中存在的“跑冒滴漏”以及“大马拉小车”、“人走灯未灭”现场,通过能效对标分析帮助企业挖掘各生产系统中的节能空间,从而减少能源的使用量。

6.2.5提升企业及生产车间碳排放管理水平

摸清企业和各工序碳排放现状,并且按照车间或者工序分配碳配额,可以将配额量与实际碳排放量进行对比测算

•按照生产边界核算碳排放量,如主要生产系统(熔炼、热轧、冷轧、退火、精整)、辅助生产系统(供水系统、供热系统、压风系统)、附属生产系统(厨房、门卫室等),展示各个系统的碳排放量、碳排放结构及占比

•按照各种能源品种(电、水、气)核算碳排放量及占比

•可生成碳排放报告,与各个行业技术标准指南一致,可导出报告作为数据支撑

•构筑企业碳管理平台驾驶舱,集中展示企业碳资产管理数据和碳排放总量及碳排放强度双控指标,并且可以进行个性化专属功能模块自由组合

6.2.6梳理企业产品碳足迹

可查看企业每种产品生产所产生的二氧化碳排量,也可以查看产品在每个环节中所排放的二氧化碳,精确到单位产品在产品碳足迹每个环节中所排放的二氧化碳,帮助企业进行各个阶段碳排放的数据分析。

6.3提高公司能耗管控质量和水平

6.3.1提高公司能源精益化管理能力

通过能碳智慧管理平台的建立,可以帮助公司实现能源精细化管理、标准化工作流程完善和用能设备精细化管理,帮助管理人员发现找到精益管理改善空间并验证改进措施的有效性、评估改善成果,更进一步挖掘改善的潜力。

6.3.2提高能源供给质量及可靠性

对于用能设备的状态全面掌握,设备的异常和故障情况第一时间掌握,减少异常造成损失,并进行潜在问题预判,提升用能的可靠性和设备可靠性。对于能源质量问题进行监测特别是电能质量问题,发现问题后及时的通过电能质量治理手段优化电能质量。

6.4支撑节能降碳项目开展

6.4.1为节电项目提供数据基础

帮助公司从粗放式能碳管理形成逐渐高效的能碳管理体系,一方面将能耗管理从无序变为有序,从而全面掌握能源的流向和利用效率;另一方面减少运维人员的工作强度,降低错、漏率,提升运维水平。

通过市场数据模型分析,对光伏系统发电量和降碳量进行核算对比,建立分布式能源综合模型,进一步降低公司用电成本。

6.4.2支撑电力能源系统优化

基于大数据,进行数据模型分析辅助决策,帮助发现公司节能改造的空间优化工艺流程,并进行成本核算和节能效果考核。在有依据、有监管的情况下,通过设备改造或者使用节能新技术来降低公司生产成本。