一、雙碳背景下面臨的挑戰與機遇

目前我國仍處于工業化、城鎮化快速發展階段,能源消費總量依舊處于逐年上升趨勢,因此實現“雙碳”目標的任務依舊艱巨。另外,碳減排受到經濟增長、能源安全、社會民生等多種因素的制約。歐美日等發達國家及地區早已完成工業化階段,基本已經實現碳達峰。

有色行業實現碳達峰主要通過以下幾個方面實現:一是嚴格控制電解鋁新增產能,嚴格執行產能置換;二是推進清潔能源置換,提高水電、風電、光電等發電應用比重;三是加快再生有色金屬產業發展,完善廢銅、廢鋁等資源回收利用;四是加快推廣應用綠色低碳技術,推廣單位內的低能耗;五是對伴生礦、尾礦、冶煉渣、赤泥等固廢無害化、資源化處理,提升有色產業綜合治理與循環利用水平。

在“雙碳”目標下,有色行業首當其沖,電解鋁則成為重中之重。雖然中國的碳減排目標不容易實現,但在供給側改革政策下,中國電解鋁行業應該能夠在2030年之前實現碳峰值。但是,鋁行業在2060年實現碳中和的目標仍具有挑戰性,因為能源轉型和電解鋁行業的碳中和息息相關,在當前技術條件下,實現碳中和目標的資金投入將十分巨大。

整體來看,中國鋁工業碳減排不僅對國內,且對世界范圍內都將造成巨大影響。一方面,在“雙碳”政策影響下,國內電解鋁產能不可能再有增加,中國進口鋁錠將成為常態,這將強力支撐國際市場電解鋁價格;另一方面,全球鋁市場平衡將受到重大影響,鋁產品交易流可能再次被重塑,環境成本、碳交易成本將成為電解鋁生產成本中的一部分。

在此背景下,數字化、智能化成為有色冶金行業向“雙碳目標”邁進的重要手段。

數字化技術將有效助力有色冶金行業碳達峰碳中和,以數據為核心,基于傳感器和采集終端集中收集的海量數據,結合軟件平臺和大數據分析技術來實現節能降耗、智慧化管理。“在能耗優化、排放控制方面,通過利用大數據分析等技術,加強能耗監管,健全能源管理體系,對有色冶金各環節的能耗和排放進行智能化管理,提高能效,降低單位能耗。在生產運營方面,通過完善軟硬件基礎設施、深化設備智能化改造等,不斷提升生產智能化水平,在工藝優化、調度控制、遠程協同等場景下,實現智能化、數字化管理,促進生產運營提質增效,在數字化技術賦能下,企業生產力和工作效率得到提升,同時能源使用和碳排放有效減少,實現節能降本增效。

二、項目政策背景

為深入貫徹落實《“十四五”工業綠色發展規劃》《有色金屬行業碳達峰實施方案》《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》《高耗能行業重點領域能效標桿水平和基準水平(2021 年版)》《河南省制造業綠色低碳高質量發展三年行動計劃(2023—2025 年)》,加快推進新一代信息技術在制造業能源消費和碳排放等領域的應用,持續推動工業企業用能低碳化、管理數字化,構建數字化能源消耗及碳排放管理體系,河南康派智能技術有限公司開發構建了數字化能碳智慧管理平臺,運用工業互聯網、云計算、人工智能、數字化等技術加強對有色金屬企業碳排放在線實時監測,追蹤產品半生命周期碳足跡,建立企業碳排放大數據中心。完善能源管理體系,建設能源管控中心,利用信息化、數字化和智能化技術加強能耗監控,完善能源計量體系,提升能源精細化管理水平。

三、項目的目的與意義

智慧能碳管理數字化平臺建設目標是構建數字化智慧管理平臺,建成能源消耗分析系統,實現能耗預警,為企業節能降碳制定提供數據支撐;建成分布式的能碳數據服務系統,形成多級互動的綜合服務能力,提供一站式能碳信息綜合服務;建成“能碳智慧管理平臺”服務管理系統,形成有效的運行服務機制,為企業宏觀決策提供全方位的雙碳數據服務,全面提升信息化條件下企業服務能力和水平。

(1)實現企業能源消耗數據的互聯互通:整合企業多種類能源消耗信息資源,實現基于網絡化運行環境的能耗信息資源互聯互通。

(2)提供一站式的能源數據綜合服務:建成分布式能源消耗信息服務系統,提供能源消息信息瀏覽、分析、預警等系統搭建等網絡化信息服務功能。

(3)形成業務化運行維護與管理機制:建立健全“智慧能碳管理平臺”運行維護規定和管理辦法,建成“智慧能碳管理平臺”服務管理系統,形成不間斷運行服務機制,為資源管理、服務調度、運行監控及適時更新提供有力的保障。

四、項目方案

4.1總體架構

4.1.1智慧能碳管理平臺系統架構

智慧能碳管理平臺覆蓋企業用能相關的各種類用能設備,如變配電所、水、氣等。能碳智慧管理平臺的智能監控終端可以實現覆蓋整個生產運行與辦公作業區,作為實時監控與信息處理系統,其實現包括信息的實時采集、實時儲存及分析展示。因此,系統解決方案基于系統集成的高度,以信息為核心滿足能源管理應用功能上的特殊性及能源生產利用的連續性。

4.1.2智慧能碳管理平臺應用架構

能碳管理平臺包括四層架構:能效管理應用層、服務器層、網絡傳輸層、現場設備層。

1)能效管理應用層

PC端:

通過web登錄訪問服務器,完成數據采集、校驗、分析、處理、輸出、系統維護、授權使用、權限分級控制等,并可將現場運行的重要數據、報警信息、故障信息等傳送到企業決策人員。

APP端:

配置原生“Android+IOS” 兩種系統的移動端,方便用戶在手機端訪問能源管理系統。

2) 服務器層

服務器架構中通常包含:數據服務器、應用服務器兩部分,可共用1臺。應用上使用微服務架構,在數據及程序的處理能力、穩定性、可靠性、安全性、可擴展性、可管理性等方面有著巨大的優勢,主要實現對數據的存儲、處理、解析、應用展現、權限管理、安全防護、遠程維護、數據管理和發布等。

3)網絡傳輸層

可根據現場的實際情況設計使用有線、無線相結合的方式,采用RS485、RJ45、LoRa、Wi-Fi、NB-IOT等傳輸方式,通過選用合適的采集和傳輸方式,將區域內的各種類型的智能采集終端連接至相應的通訊管理機,各通訊管理機通過有線/無線方式連接至用戶廣域網,與服務器建立網絡連接。

4) 現場設備層

現場設備層負責電、氣參數的采集和上傳。包括電、蒸汽、天然氣的能耗數據采集和上傳。現場采集層有多功能電力儀表、智能水表、智能氣表。

4.2數據安全

4.2.1全鏈路安全防護

能碳智慧管理平臺在客戶端,包括 PC 端和移動端以及傳輸管道、服務端等多個維度完整借鑒了軟件行業各項成熟的、經過多年驗證的安全控制措施,建立了完整的事前動態管控、事中實時防御、事后快速響應的縱深防御體系,確保集團使用安全。

4.2.2客戶端安全

能碳智慧管理平臺通過應用完整性、環境可信性、數據機密性以及賬號安全風控等四個維度的強化加固,有效保障了企業客戶端安全。

4.2.3數據保密性

能碳智慧管理平臺對緩存在客戶端的數據信息,采用安全沙箱和安全加密方案,保障用戶數據信息的安全性。針對信息安全要求較高的企業,提供三方加密服務,實現數據信息二次加密。

•安全加密:平臺在客戶端加解密過程中使用隨機生成的密鑰,并與設備綁定。破解者即使拿到了用戶手機上的加密數據,在自己的手機上也無法完成解密操作,極大的保證了存儲在客戶端本地的數據安全。

•安全沙箱:平臺在客戶端的整個加解密過程均在安全沙箱中完成,對外不暴露任何密鑰和加密算法。

4.2.4數據安全

基于現代化的數據傳輸網絡,采用多渠道、多路徑的傳輸方式,將計量數據傳輸至數據中心。常見的傳輸方式分為有線和無線兩種,有線傳輸可以使用光纖、雙絞線、VPN等方式,無線傳輸使用4/5G、WIFI、Lora、ZigBee、NB-IoT等方式。采用數據加密傳輸、添加數據安全隔離、網絡LAN劃分、防火墻等技術保證內外網數據的安全。

4.2.5身份認證策略

spring-cloud-gateway 集合 JWT 可以實現基礎的身份認證功能。

spring-cloud-gateway 提供了一個建立在Spring生態系統之上的API網關,旨在提供一種簡單而有效的方法路由到api,并為它們提供橫切關注點,如:安全性、監控/指標和彈性等。

JWT : JWT 是一種數字簽名(令牌)的格式。 JSON Web Token (JWT)是一個開放標準,它定義了一種緊湊的、自包含的方式,用于作為JSON對象在各方之間安全地傳輸信息。該信息可以被驗證和信任,因為它是數字簽名的。

密碼的復雜度要適中,采用驗證碼技術,防止通過機器突破現實人的極限。

4.2.6訪問控制策略

確保真正的用戶能夠訪問到與自己的角色相對應的服務與資源

(1)功能級別訪問控制。

(2)針對用戶數據或者其他資源的數據級的訪問控制。

4.2.7數據安全策略

(1)通過https、mqtt TLS、tcp安全加密等方式保證數據不被篡改、破壞。

(2)關鍵賬號信息使用哈希加密算法進行加密傳輸和存儲。

(3)當采集數據有智能終端傳輸至通訊管理機時,通訊管理機對數據進行加密后傳輸。

(4)服務器有專用的防火墻進行防護和軟件加密,從而可以有效防止非法用戶如黑客、網絡破壞者等進入內部網絡,禁止存在安全脆弱性的服務進出網絡,并抗擊來自外部各種線路的攻擊等。

4.2.8數據備份

數據備份是系統的重要組成部分,系統通過提供數據備份,覆蓋數據層面,解決一些重要系統的數據備份存在的問題,保障重要數據的完整性和可用性。

五、項目創新性

數字化能碳智慧管理平臺是河南康派智能技術有限公司在新方法的引領下研發的新的工具,其融合了監測、管理、測算、分析等功能為一體,涵蓋集團內能源、環境、經濟信息,可精確測算集團級、企業級、工序級碳排放,是一款全新的數字化、智能化管理工具。該平臺已經取得了計算機軟件著作權登記證書,主要應用技術如下:

5.1 基于AI提供智能管理運營能力

1.集成開發工作臺、API接口、微服務、數據沙箱等數據能力,開放引擎,實現靈活組合、編排和調用各類標準化的數據智能化服務能力。

2.可建立數據預測模型,包含數據用量預測和負荷預測。

3.便捷的空間分析和數據計算;

4.可配置可視化開發工具,可靈活定制專題數據展示內容;

5.2 端邊協同,提升企業管理能力

1.邊緣端通過獨立的資源管理系統進行自治管理;

2.云、邊、端協同工作,提升智慧安防能力;

3.傳輸高速,保證AI技術游刃有余;

4.實時監測公司安全生產運行狀況;

5.3“1+1+1+1+N”建設理念,多級應用互聯

智慧能碳管理平臺的建設,通過“1+1+1+1+N”的理念建設,實現平臺的搭建的同時,完成雙碳體系的構建,其中包含1張綜合能源管控泛在網、1張綜合能源管控圖、1個綜合能源管控中心、1套綜合能源管控平臺、N個綜合能源管控行業應用。

 1張綜合能源管控泛在網:整合政務網、工業網、互聯網、物聯網、企業網、視頻網等多個網絡環境,形成一張綜合服務能源管控的泛在網。

1張綜合能源管控圖:匯聚能源管控、雙碳工作各個環節的各類數據,以可視化技術為支撐,直觀全面的展示雙碳管控和能源管控工作中監測、診斷、優化、管控、統計、分析、預測等信息,為管理決策做支撐。

1個綜合能源管控中心:以綜合能源管控為支撐,配套決策、管理、生產、考核、運維等相應的人員和機構,構建日常管理、指揮調度、分析決策、運營運維一體化的能源管控中心。

六、項目成效

6.1 降低人工成本及員工勞動強度

企業抄表工作平均為8h一次,每天需要抄表三次,涉及點位較多且分散,抄表人工較多、抄表人員工作量大,抄表之后填錄報表繁雜并且易出錯,升級能碳管理系統之后,可以實現電、氣表的自動抄錄上傳,變人工抄表為自動抄表,可以降低抄表人員工作強度,提升報表準確性,并且可以按照企業報表需求定制自定義報表,滿足企業抄表和存檔的需要。平均月度節省1.5人/次人工成本。

6.2支撐企業由“能雙控”走向“能碳雙控”

6.2.1完善能源及碳交易策略

通過能碳管理系統容需分析、力調分析、變損分析等多重分析功能發現電價節約空間以及幫助企業參與售電自由交易,減少每年的申報電力用量偏差,降低電費單價成本。

通過能碳管理系統負荷特性分析、分時分析等功能板塊分析企業用電負荷特性,尖峰平谷用電特性,為企業提供調整用電負荷建議和削峰填谷生產策略,降低總體電費成本。

經過短期的數據采集及分析,確定用能區域、能耗介質、用能設備的用能趨勢及流向,為整體性的節能改造,設備的能耗異常分析,部門、區域能耗績效考核提供數據模型。

6.2.2強化能源及碳排放管理

實現遠程的設備監測和控制,幫助公司完善信息化管理手段,代替原有的手工抄表方法和設備近端控制,實現智能化管理,通過簡單地監測和控制節約能源的浪費,提升利用率。

6.2.3提升企業碳資產管理水平

通過“碳排放監測、碳盤查、節能減排項目、碳分析”等模塊,實時掌握公司的碳家產,摸清公司碳排放量,通過碳排量曲線把握公司碳排放趨勢,為碳交易和用能權交易提供數據支撐。

6.2.4幫助企業識別節能機會

通過能碳管理系統及時發現電、氣等能源過程中存在的“跑冒滴漏”以及“大馬拉小車”、“人走燈未滅”現場,通過能效對標分析幫助企業挖掘各生產系統中的節能空間,從而減少能源的使用量。

6.2.5提升企業及生產車間碳排放管理水平

摸清企業和各工序碳排放現狀,并且按照車間或者工序分配碳配額,可以將配額量與實際碳排放量進行對比測算

•按照生產邊界核算碳排放量,如主要生產系統(熔煉、熱軋、冷軋、退火、精整)、輔助生產系統(供水系統、供熱系統、壓風系統)、附屬生產系統(廚房、門衛室等),展示各個系統的碳排放量、碳排放結構及占比

•按照各種能源品種(電、水、氣)核算碳排放量及占比

•可生成碳排放報告,與各個行業技術標準指南一致,可導出報告作為數據支撐

•構筑企業碳管理平臺駕駛艙,集中展示企業碳資產管理數據和碳排放總量及碳排放強度雙控指標,并且可以進行個性化專屬功能模塊自由組合

6.2.6梳理企業產品碳足跡

可查看企業每種產品生產所產生的二氧化碳排量,也可以查看產品在每個環節中所排放的二氧化碳,精確到單位產品在產品碳足跡每個環節中所排放的二氧化碳,幫助企業進行各個階段碳排放的數據分析。

6.3提高公司能耗管控質量和水平

6.3.1提高公司能源精益化管理能力

通過能碳智慧管理平臺的建立,可以幫助公司實現能源精細化管理、標準化工作流程完善和用能設備精細化管理,幫助管理人員發現找到精益管理改善空間并驗證改進措施的有效性、評估改善成果,更進一步挖掘改善的潛力。

6.3.2提高能源供給質量及可靠性

對于用能設備的狀態全面掌握,設備的異常和故障情況第一時間掌握,減少異常造成損失,并進行潛在問題預判,提升用能的可靠性和設備可靠性。對于能源質量問題進行監測特別是電能質量問題,發現問題后及時的通過電能質量治理手段優化電能質量。

6.4支撐節能降碳項目開展

6.4.1為節電項目提供數據基礎

幫助公司從粗放式能碳管理形成逐漸高效的能碳管理體系,一方面將能耗管理從無序變為有序,從而全面掌握能源的流向和利用效率;另一方面減少運維人員的工作強度,降低錯、漏率,提升運維水平。

通過市場數據模型分析,對光伏系統發電量和降碳量進行核算對比,建立分布式能源綜合模型,進一步降低公司用電成本。

6.4.2支撐電力能源系統優化

基于大數據,進行數據模型分析輔助決策,幫助發現公司節能改造的空間優化工藝流程,并進行成本核算和節能效果考核。在有依據、有監管的情況下,通過設備改造或者使用節能新技術來降低公司生產成本。