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淺談電能管理系統在大型企業(yè)的設計與應用

更新時間：2023-02-24瀏覽：297次

摘要：本文介紹了一套適用于大型企業(yè)的電能管理系統，根據節(jié)能降耗的系統目標和企業(yè)能耗管理人員的使用要求，提出了系統的功能需求，設計了分層分布式的系統架構，提出了分時電價、單耗定額、電能質量3種考核模型，為企業(yè)節(jié)電管理提供數據支持，節(jié)獎超罰，提高員工節(jié)能降耗的自主意識，以實現降低企業(yè)生產成本，提高經濟效益的目標。

關鍵詞：電能量監(jiān)視；能量管理；分層分布式結構

0引言

近年來，中國市場經濟的高速發(fā)展不但造成社會總體用電量的大幅增長，能源浪費現象也愈加嚴重。因此，節(jié)能減排工作正逐步受到社會各行業(yè)的關注。

工業(yè)一直是我國能耗支出的大戶，能耗總量約占我國資源消耗總額的 70%。所以，通過加大工業(yè)電氣節(jié)能科學技術研發(fā)，進一步改善能源管理水平，并不斷完善節(jié)電技術，提高企業(yè)的節(jié)電工作力度，對于減少中國電力供需矛盾，降低工業(yè)生產成本以及增加中國企業(yè)的經濟效益和社會利潤有著重大的意義。由于缺乏一個統一集成的全公司范圍電能量管理系統，大部分企業(yè)能源管理工作都還處于粗放型時期，其節(jié)能措施不健全，獎懲措施不完善，職工自主節(jié)電意識淡漠以及能源利用效率相對落后。所以，利用現代化的電氣、通信和計算機技術構建一個綜合的電能耗監(jiān)測和管理體系，對大型企業(yè)的能耗設施運轉進行有效監(jiān)測與控制，為大型企業(yè)的電能管理提供有效的決策支持，已勢在必行。

1系統功能需求

為完成對全廠電能數據的實時監(jiān)控和集成管理，實現節(jié)能降耗的系統目標企業(yè)電能管理系統有以下功能需求。①數據采集。采用多線程數據采集技術，完成對全廠電氣設備實時工作狀態(tài)信息的采集。采集各生產設備的電參量，主要包括電壓、電流、有功、無功和斷路器刀閘狀態(tài)等模擬量、數字量信息，不斷刷新數據庫，并對這些數據進行必要預處理和數據解析操作。②數據展現。采用了直觀豐富的圖形化顯示功能，可以真實展示各種設備的當前工作狀態(tài)，包括斷路器的開合信號、潮流信息和負載曲線等。顯示模塊分為圖形顯示、數據顯示、波形顯示和狀態(tài)量顯示等幾種形式。③事故預警。設定各電量參數的上、下限值，實現越限監(jiān)視和報警，在事故發(fā)生前提前預警，識別故障隱患。④報表管理。統計全廠用電設備的電能消耗情況，生成數據報表、圖形報表等各種不同形式的日報表、月報表，報表管理子系統不僅支持歷史數據查詢、報表打印，同時支持對數據缺失值進行人工修改。⑤用戶管理。對企業(yè)不同用戶賦予不同級別的權限，高權限用戶賬號可以管理低權限用戶賬號，分級操作。高權限用戶具有權限設置功能，所有用戶均具有登錄認證、賬戶信息維護等功能。⑥負荷管理。在用電監(jiān)測的基礎上，統計分析和測算峰谷電量，并繪制負荷曲線，通過對年、月、日等負荷數據的統計分析，結合班組排產計劃，對未來一段時間內的電力需求量作出合理預估，及時調整優(yōu)化生產策略，以達到削峰填谷、節(jié)約成本的目的。⑦電能質量管理。實時檢測電網供電質量，包括電壓偏差、三相不平衡度、頻率偏差、諧波畸變率和電壓波動等。⑧考核管理。制定分時電價、單耗定額和電能質量 3 種考核模型，為管理層制定考核制度提供決策依據，節(jié)獎超罰，充分調動全廠員工的自主節(jié)電意識，形成良性競爭機制。⑨班組管理。通過值班記錄，統計各部門的班組能耗數據，并按照實際電價計算電費，便于決策層實時掌握各班組的能耗情況，實現精細化管理的目的。⑩ Web發(fā)布。采用 Web 發(fā)布技術，便于用戶可以在任一臺聯網的終端問電能管理系統，依次提高管理信息的透明度，增強企業(yè)管理決策的公信力。

2 系統設計

2.1系統結構

隨著現代電子技術、計算機技術、通信技術和信號處理技術的不斷發(fā)展，企業(yè)電能管理系統的體系架構也在不斷創(chuàng)新，主要經歷了3個發(fā)展階段，即集中式系統結構、分布式系統結構和分層分布式系統結。3種結構分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 集中式結構圖

圖2 分布式結構圖

圖3 分層分布式結構圖

綜合比較3種結構形式，分層分布式架構的優(yōu)點主要有以下4點。①系統總體安全性較高，任意部分發(fā)生的故障均只危害局部。②組態(tài)靈活。③有效降低了二次生產設備，節(jié)約了大部分二次電纜，生產成本低，操作維修簡單。④抗干擾能力強。

系統數據豐富，主要體現在采集點多、保存的信息量大等方面。系統的功能包含了覆蓋到全廠的電力數據收集、監(jiān)視和 Web 開發(fā)等基礎應用外，還應具有對電力數據的檢索、分類、管理等功能。由于電力數據處理工作與工業(yè)生產直接相關，綜合考慮安全性、實時性、準確度等因素，企業(yè)電能管理系統采用分層分布式架構，如圖4所示。

圖4 分層分布式系統結構圖

①間隔層。間隔層主要由用于電參量采集測量的各類型儀表、計算機保護裝置和繼電保護單元等組成，是電能監(jiān)視與管理系統必要的基本組成元素，肩負著采集數據的重任。間隔層位于系統的底層，負責采集系統運行的實時電氣參量、底層設備的狀態(tài)信息，及時響應和執(zhí)行對外服務層以及站級管理層發(fā)布的控制命令。在故障發(fā)生時，微機保護裝置則快速有效地啟動保護，將故障影響控制在小范圍內。②站級管理層。該層是對外服務層的下層，間隔層的上層，屬于承上啟下的中介層，是對外服務層和間隔層之間的數據交換通路。該層主要由通信網絡、數據庫服務器和通信管理設備組成，可以實現間隔層和對外服務層之間的高速、可靠的數據交換。負責匯總底層采集設備、保護裝置等的實時數據信息，并對收集到的數據信息進行分類、提取、解析和發(fā)布。③對外服務層。作為系統的核心部分，實時匯總企業(yè)電能數據信息并不斷刷新數據庫，對收集到的信息進行必要的數據剔除、數據平滑、缺失值補救預處理后，按照既定規(guī)約將傳送數據給各應用軟件，實現對全廠設備用電數據的實時監(jiān)控和管理。同時，對外服務層還發(fā)布有關控制命令轉間隔層、站級管理層執(zhí)行。主要功能包括數據實時展現、事故報警、電能質量管理、報表管理、用戶管理、智能查詢、設備檢修維護管理和智能操作票等。對外服務層通過 Web 服務器與企業(yè)內部局域網互聯，提供基于內部局域網辦公網絡的數據接口和相關功能服務，同時還可以提供基于 Internet 的相關外部門戶服務功能。

2.2考核模型

為了提高企業(yè)員工的自主節(jié)能意識，完善考核制度，為管理者提供獎懲依據，需要建立一套科學的考核模型，為企業(yè)電能管理制度的制定提供決策支持。

2.2.1分時電價考核

企業(yè)內部應該將分時電價考核納入成本管理之中，建立分時電耗計量和分時電費結算模式。為了實現“削峰平谷"，減少電費支出，對企業(yè)各部門、各車間進行分時電價統計考核。

根據電業(yè)局對用電尖、峰、平、谷時段的規(guī)定，對各車間每天不同時段的用電量及相應的電費進行統計。

假設第i個車間第j天的用電量為Q尖ij，而其在尖、峰、平和谷不同時段的用電量分別為Q尖ij，Q峰ij，Q平ij和Q谷ij，其中：

ρ平表示平段電價，系統以ρ平作為基準值，按照事先設定的系數，尖段電價、峰段電價、谷段電價分別取1.75ρ平、1.5ρ平、0.5ρ平。

實行峰谷分時段電價后，各車間在電費的杠桿作用推動下，積極、合理地改變用電策略，削尖峰填谷底，以便實現平滑電力負荷曲線的目的，做到“移峰填谷"。“移峰填谷"除了減少電費支出，還可以提高企業(yè)員工節(jié)能節(jié)電的意識，降低生產成本，增加公司效益。

2.2.2 單耗定額考核

單位產品消耗的電能量是衡量企業(yè)能耗的重要指標，制定單耗標準以及具體的考核制度，使企業(yè)各部門、各車間的能源耗費水平直接和效益掛鉤，以增強員工的節(jié)電積極性，從而實現節(jié)能降耗的目的。假設第 i 個車間第 j 個月的電能單耗為 qij，則

式中：qij為第i個車間第j個月的實際用電單耗；Qij為第i個車間第j個月的總用電量；Gij為第i個車間第j個月的產品總產量；Qij(F)為第i個車間第j個月的輔助生產用電；Qij(Z)為第i個車間第j個月的直接生產用電。

假設第i個車間第j個月的單耗標準定額為qij(0)，實際的電能單耗為qij，?qij=qij-qij(0) 為第i個車間第j個月的單耗差額。取階梯值為p，將差額電量?qij 按進行分級，共分為N 級，

其中，p為分級階梯值。

當某車間的真實單耗用電大于單耗定額標準值qij(0)時，定義懲罰系數c，則對 ?qij中處于 (n-1)p 和np之間的部分

按 nρmcpc 元 /度繳納罰款。每級的懲罰金額為

當某車間的真實單耗用電小于單耗定額標準值qij(0) 時，定義獎勵系數 d，令 d>c，則對 ?qij 中處于(n-1)p 和 np 之間的部分

按nρmcpc 元 / 度進行獎勵。每級的獎勵金額為

因此，若第 i 個車間第 j 個月的實際單耗與單耗定額之間的差額為 ?qij，則可得出該車間該月可獲得的獎懲金額 M 為

2.2.3電能質量考核

定義 ?Ub（電壓偏差），?fb（頻率偏差），εb（三相不平衡度），THDb（諧波畸變率），db（電壓波動率）分別代表 5 項電能質量的標準值，則這 5 項電能質量考核指標分別定義如下。

其中，db代表電壓波動國家標準值，d 表示電壓波動。

頻率偏差指標 SFD為

其中，?fb 代表頻率偏差國家標準值，?f 表示頻率偏差。

諧波畸變率指標 SHD為

其中，THDb代表諧波畸變率國家標準值，THD表示諧波畸變率。

電能質量綜合指標 SPQI為

根據SPQI的值將電能質量分為A(SPQI<0.25)，B(0.25≤SPQI<0 .5 )，C( 0.5≤SPQI<0.75)，D(0.75 ≤SPQI<1)，E(SPQI>1)5個等級，按照系統設定的規(guī)則，對電能質量的不同等級實施獎懲。

2.3系統軟件設計

采用面向對象的軟件編程方法和模塊化的設計，用不同的功能模塊實現系統的不同功能，各個單元間彼此獨立，又有機地構成了一個整體，使該軟件具備靈活多樣、可修改、易于后期擴展的特性。圖5為系統的軟件框圖。

圖5 系統軟件框圖

3 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

3.1概述

用戶端消耗著整個電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、需求側管理等課題。

安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

3.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

3.3系統結構

3.4系統功能

3.4.1實時監(jiān)測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、告警等信號。

3.4.2電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

3.4.3詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中危髽藛螕艨刹榭丛摶芈吩敿氹妳⒘浚ㄈ嚯娏鳌⑷嚯妷骸⑷嗫傆泄β省⒖偀o功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

3.4.4運行報表

系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、時間或選擇查詢更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

3.4.5變壓器運行監(jiān)視

系統對配電系統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

3.4.6實時報警

系統具有實時報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

3.4.7歷史事件查詢

系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

3.4.8電能質量監(jiān)測

系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

3.4.9遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

3.4.10用戶權限管理

系統為保障系統安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

3.4.11通訊狀態(tài)圖

系統支持實時監(jiān)視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩(wěn)定運行。