2. 能源系统与用能过程建模
能源异常预警与用能诊断的第一步，不是急着看曲线、设阈值，而是先把“被诊断的对象”描述清楚。一个工厂的用能系统里同时存在电、气、水、热等多种介质，它们各自的物理特性、计量方式、响应速度和耦合关系差异很大。如果边界划错、介质混算，后续的预警就会把正常工况误判为异常，或者把真正的浪费掩盖掉。本节要解决的就是：如何认识各能源介质的特性，如何划分用能设备与系统边界，从而建立一个可用于诊断的用能过程模型。
一、四类能源介质的特性差异
电、气、水、热虽然都叫“能源”，但在建模时的处理方式完全不同，核心差异体现在可存储性、计量方式和动态响应上。
电是瞬时平衡的介质，发电、输电、用电在同一时刻完成，几乎不能大规模存储。它的计量以有功功率（kW）和电能量（kWh）为主，采样周期通常为1秒到15分钟。电的异常往往表现为功率突变、功率因数下降或三相不平衡，响应极快，因此电的预警适合用短周期数据。
气（天然气、压缩空气、蒸汽）具有可压缩性和一定的缓冲能力，管道本身就是一个储能环节。计量常用体积流量（m³/h）或质量流量（kg/h），并需折算为标准状态。气体的压力波动会直接影响流量读数，因此建模时必须同时记录压力与温度，否则流量对比会失真。
水包括自来水、循环水、软化水等，计量以瞬时流量（m³/h）和累计水量（m³）为主。水的异常通常表现为持续的小流量泄漏或夜间基流偏高，变化缓慢，需要较长时间窗口才能识别。水系统还常与热系统耦合，如循环冷却水。
热（蒸汽、热水、导热油）本质是能量传递，计量需要流量与温差共同参与，即热量Q = 流量 × 比热 × 温差。热量的异常既可能来自流量变化，也可能来自供回水温差变化，因此单一测点很难判断，必须成对建模。
二、用能设备与系统边界划分
用能过程建模的第二个关键动作是划分边界。边界决定了哪些能耗算在哪个设备或系统名下，也决定了异常归因的方向。工程上通常按“总进线—车间/区域—设备”三级划分，每一级都要有独立的计量点。
以一座典型制造车间为例：10kV进线处设总表，记录全厂用电；车间配电柜设分表，记录该车间用电；空压机、注塑机、冷冻机等主要用能设备再设单独计量。这样当总表出现异常时，可以逐级下钻，定位到具体设备。边界划分要遵循三条原则：一是计量点与责任主体对应，谁用能谁计量；二是边界不重叠、不遗漏，避免重复计算；三是边界内介质单一或可折算，混合介质需先统一到同一能量单位。
对于气、水、热系统，边界划分还要考虑管路拓扑。例如压缩空气系统，从空压机出口到各用气点之间可能有储气罐、干燥机、过滤器，这些环节都会造成压力损失和流量变化。建模时应把空压机、储气罐、干燥机、主管、支管分别作为节点，记录各节点的压力和流量，才能判断异常发生在哪一段。
三、用能过程模型的建立方法
把介质特性和边界划分结合起来，就可以建立用能过程模型。模型的基本形式是：输入（能源介质）→ 转换/传输环节 → 用能设备 → 输出（产品、服务或损失）。每个环节都对应一组可观测参数。
以压缩空气系统为例，一个可用的过程模型包含以下参数：空压机输入电功率P、排气压力p₁、排气流量Q₁、储气罐压力p₂、干燥机压降Δp、主管流量Q₂、末端用气点压力p₃。正常工况下，这些参数之间存在稳定的比例关系，例如比功率（kW/(m³/min)）应在一个合理区间内。当比功率升高而产气量不变时，说明空压机效率下降或管路泄漏增加，这就是一个可预警的异常信号。
建模时还要注意时间尺度匹配。电的异常可能在秒级出现，水的泄漏可能在小时级显现，热的效率下降可能在班次级体现。因此模型应支持多时间尺度：短周期用于电和气的突变检测，长周期用于水和热的趋势分析。
四、建模中的常见问题与处理
实际工程中，边界划分最容易出现两类问题。第一类是计量点缺失，例如某车间只有总表没有分表，异常发生时无法定位到设备。处理办法是先利用总表数据做整体趋势判断，再通过临时加装便携式计量仪或利用设备自带电表补充数据。第二类是介质混算，例如把蒸汽和天然气都折算成“吨标煤”后直接相加，忽略了它们在不同工艺中的不可替代性。正确做法是分介质建模、分介质预警，只在综合能耗指标层面做折算。
另一个常见问题是忽略环境参数的影响。压缩空气的流量随进气温度变化，天然气的体积流量随压力变化，冷却水的温度随季节变化。如果模型不引入温度、压力修正，就会在季节交替时产生大量误报。因此，建模时应把环境温度、管网压力作为协变量纳入，或在预警规则中设置动态基准。
五、从模型到预警的衔接
完成介质特性梳理和边界划分后，用能过程模型就具备了可计算的基础。下一步是把模型中的参数关系转化为预警规则。例如，对于压缩空气系统，可以设定“比功率超过基准值15%且持续30分钟”为异常；对于水系统，可以设定“夜间基流超过日均值20%”为泄漏嫌疑；对于电系统，可以设定“功率因数低于0.85且持续15分钟”为无功异常。
这些规则之所以能成立，正是因为前面的模型明确了每个参数的正常范围和相互关系。没有模型，阈值只能靠经验拍脑袋；有了模型，阈值就有了物理依据和边界约束。这也是能源异常预警与用能诊断工程中，建模环节不可跳过、不可敷衍的根本原因。