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淺談電能管理系統(tǒng)在大型企業(yè)的設(shè)計與應(yīng)用
閱讀：421 發(fā)布時間：2023-2-24
摘要：本文介紹了一套適用于大型企業(yè)的電能管理系統(tǒng)，根據(jù)節(jié)能降耗的系統(tǒng)目標(biāo)和企業(yè)能耗管理人員的使用要求，提出了系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計了分層分布式的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了分時電價、單耗定額、電能質(zhì)量3種考核模型，為企業(yè)節(jié)電管理提供數(shù)據(jù)支持，節(jié)獎超罰，提高員工節(jié)能降耗的自主意識，以實現(xiàn)降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：電能量監(jiān)視；能量管理；分層分布式結(jié)構(gòu)
0引言
近年來，中國市場經(jīng)濟(jì)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(xiàn)象也愈加嚴(yán)重。因此，節(jié)能減排工作正逐步受到社會各行業(yè)的關(guān)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(xué)技術(shù)研發(fā)，進(jìn)一步改善能源管理水平，并不斷完善節(jié)電技術(shù)，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(chǎn)成本以及增加中國企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會利潤有著重大的意義。由于缺乏一個統(tǒng)一集成的全公司范圍電能量管理系統(tǒng)，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(xiàn)代化的電氣、通信和計算機(jī)技術(shù)構(gòu)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(shè)施運轉(zhuǎn)進(jìn)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(tǒng)功能需求
為完成對全廠電能數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和集成管理，實現(xiàn)節(jié)能降耗的系統(tǒng)目標(biāo)企業(yè)電能管理系統(tǒng)有以下功能需求。①數(shù)據(jù)采集。采用多線程數(shù)據(jù)采集技術(shù)，完成對全廠電氣設(shè)備實時工作狀態(tài)信息的采集。采集各生產(chǎn)設(shè)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(shù)字量信息，不斷刷新數(shù)據(jù)庫，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要預(yù)處理和數(shù)據(jù)解析操作。②數(shù)據(jù)展現(xiàn)。采用了直觀豐富的圖形化顯示功能，可以真實展示各種設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)，包括斷路器的開合信號、潮流信息和負(fù)載曲線等。顯示模塊分為圖形顯示、數(shù)據(jù)顯示、波形顯示和狀態(tài)量顯示等幾種形式。③事故預(yù)警。設(shè)定各電量參數(shù)的上、下限值，實現(xiàn)越限監(jiān)視和報警，在事故發(fā)生前提前預(yù)警，識別故障隱患。④報表管理。統(tǒng)計全廠用電設(shè)備的電能消耗情況，生成數(shù)據(jù)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(tǒng)不僅支持歷史數(shù)據(jù)查詢、報表打印，同時支持對數(shù)據(jù)缺失值進(jìn)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(quán)限，高權(quán)限用戶賬號可以管理低權(quán)限用戶賬號，分級操作。高權(quán)限用戶具有權(quán)限設(shè)置功能，所有用戶均具有登錄認(rèn)證、賬戶信息維護(hù)等功能。⑥負(fù)荷管理。在用電監(jiān)測的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析和測算峰谷電量，并繪制負(fù)荷曲線，通過對年、月、日等負(fù)荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結(jié)合班組排產(chǎn)計劃，對未來一段時間內(nèi)的電力需求量作出合理預(yù)估，及時調(diào)整優(yōu)化生產(chǎn)策略，以達(dá)到削峰填谷、節(jié)約成本的目的。⑦電能質(zhì)量管理。實時檢測電網(wǎng)供電質(zhì)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(zhì)量 3 種考核模型，為管理層制定考核制度提供決策依據(jù)，節(jié)獎超罰，充分調(diào)動全廠員工的自主節(jié)電意識，形成良性競爭機(jī)制。⑨班組管理。通過值班記錄，統(tǒng)計各部門的班組能耗數(shù)據(jù)，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(xiàn)精細(xì)化管理的目的。⑩ Web發(fā)布。采用 Web 發(fā)布技術(shù)，便于用戶可以在任一臺聯(lián)網(wǎng)的終端問電能管理系統(tǒng)，依次提高管理信息的透明度，增強(qiáng)企業(yè)管理決策的公信力。
2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)電能管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)也在不斷創(chuàng)新，主要經(jīng)歷了3個發(fā)展階段，即集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分層分布式系統(tǒng)結(jié)。3種結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2和圖3所示。
圖1 集中式結(jié)構(gòu)圖
圖2 分布式結(jié)構(gòu)圖
圖3 分層分布式結(jié)構(gòu)圖
綜合比較3種結(jié)構(gòu)形式，分層分布式架構(gòu)的優(yōu)點主要有以下4點。①系統(tǒng)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(chǎn)設(shè)備，節(jié)約了大部分二次電纜，生產(chǎn)成本低，操作維修簡單。④抗干擾能力強(qiáng)。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)豐富，主要體現(xiàn)在采集點多、保存的信息量大等方面。系統(tǒng)的功能包含了覆蓋到全廠的電力數(shù)據(jù)收集、監(jiān)視和 Web 開發(fā)等基礎(chǔ)應(yīng)用外，還應(yīng)具有對電力數(shù)據(jù)的檢索、分類、管理等功能。由于電力數(shù)據(jù)處理工作與工業(yè)生產(chǎn)直接相關(guān)，綜合考慮安全性、實時性、準(zhǔn)確度等因素，企業(yè)電能管理系統(tǒng)采用分層分布式架構(gòu)，如圖4所示。
圖4 分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)保護(hù)裝置和繼電保護(hù)單元等組成，是電能監(jiān)視與管理系統(tǒng)必要的基本組成元素，肩負(fù)著采集數(shù)據(jù)的重任。間隔層位于系統(tǒng)的底層，負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)運行的實時電氣參量、底層設(shè)備的狀態(tài)信息，及時響應(yīng)和執(zhí)行對外服務(wù)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(jī)保護(hù)裝置則快速有效地啟動保護(hù)，將故障影響控制在小范圍內(nèi)。②站級管理層。該層是對外服務(wù)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(wù)層和間隔層之間的數(shù)據(jù)交換通路。該層主要由通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和通信管理設(shè)備組成，可以實現(xiàn)間隔層和對外服務(wù)層之間的高速、可靠的數(shù)據(jù)交換。負(fù)責(zé)匯總底層采集設(shè)備、保護(hù)裝置等的實時數(shù)據(jù)信息，并對收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類、提取、解析和發(fā)布。③對外服務(wù)層。作為系統(tǒng)的核心部分，實時匯總企業(yè)電能數(shù)據(jù)信息并不斷刷新數(shù)據(jù)庫，對收集到的信息進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)平滑、缺失值補(bǔ)救預(yù)處理后，按照既定規(guī)約將傳送數(shù)據(jù)給各應(yīng)用軟件，實現(xiàn)對全廠設(shè)備用電數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和管理。同時，對外服務(wù)層還發(fā)布有關(guān)控制命令轉(zhuǎn)間隔層、站級管理層執(zhí)行。主要功能包括數(shù)據(jù)實時展現(xiàn)、事故報警、電能質(zhì)量管理、報表管理、用戶管理、智能查詢、設(shè)備檢修維護(hù)管理和智能操作票等。對外服務(wù)層通過 Web 服務(wù)器與企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)互聯(lián)，提供基于內(nèi)部局域網(wǎng)辦公網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口和相關(guān)功能服務(wù)，同時還可以提供基于 Internet 的相關(guān)外部門戶服務(wù)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(jù)，需要建立一套科學(xué)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(nèi)部應(yīng)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(jié)算模式。為了實現(xiàn)“削峰平谷"，減少電費支出，對企業(yè)各部門、各車間進(jìn)行分時電價統(tǒng)計考核。
根據(jù)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(yīng)的電費進(jìn)行統(tǒng)計。
假設(shè)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(tǒng)以ρ平作為基準(zhǔn)值，按照事先設(shè)定的系數(shù)，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(xiàn)平滑電力負(fù)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(chǎn)成本，增加公司效益。
2.2.2 單耗定額考核
單位產(chǎn)品消耗的電能量是衡量企業(yè)能耗的重要指標(biāo)，制定單耗標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)員工的節(jié)電積極性，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。假設(shè)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(chǎn)品總產(chǎn)量；Qij(F)為第i個車間第j個月的輔助生產(chǎn)用電；Qij(Z)為第i個車間第j個月的直接生產(chǎn)用電。
假設(shè)第i個車間第j個月的單耗標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行分級，共分為N 級，
其中，p為分級階梯值。
其中，p為分級階梯值。當(dāng)某車間的真實單耗用電大于單耗定額標(biāo)準(zhǔn)值qij(0)時，定義懲罰系數(shù)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
按 nρmcpc 元 /度繳納罰款。每級的懲罰金額為
當(dāng)某車間的真實單耗用電小于單耗定額標(biāo)準(zhǔn)值qij(0) 時，定義獎勵系數(shù) 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(jìn)行獎勵。每級的獎勵金額為
按nρmcpc 元 / 度進(jìn)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(zhì)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(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)值，則這 5 項電能質(zhì)量考核指標(biāo)分別定義如下。
其中，db代表電壓波動國家標(biāo)準(zhǔn)值，d 表示電壓波動。
頻率偏差指標(biāo) SFD為
其中，?fb 代表頻率偏差國家標(biāo)準(zhǔn)值，?f 表示頻率偏差。
諧波畸變率指標(biāo) SHD為
其中，THDb代表諧波畸變率國家標(biāo)準(zhǔn)值，THD表示諧波畸變率。
電能質(zhì)量綜合指標(biāo) SPQI為
根據(jù)SPQI的值將電能質(zhì)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(tǒng)設(shè)定的規(guī)則，對電能質(zhì)量的不同等級實施獎懲。
2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計
采用面向?qū)ο蟮能浖幊谭椒ê湍K化的設(shè)計，用不同的功能模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的不同功能，各個單元間彼此獨立，又有機(jī)地構(gòu)成了一個整體，使該軟件具備靈活多樣、可修改、易于后期擴(kuò)展的特性。圖5為系統(tǒng)的軟件框圖。
圖5 系統(tǒng)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(wǎng)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(gòu)建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)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(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)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(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
3.2應(yīng)用場所
（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；
（2）商業(yè)建筑（商場、金融機(jī)構(gòu)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(shù)據(jù)中心等）；
（6）交通運輸建筑（機(jī)場、車站、碼頭建筑等）。
3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.4系統(tǒng)功能
3.4.1實時監(jiān)測
系統(tǒng)人機(jī)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(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。
3.4.2電能統(tǒng)計報表
系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)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(hù)計量體系的正確性。
3.4.3詳細(xì)電參量查詢
在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動到每個回路附近時，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?，鼠?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、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(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。
3.4.5變壓器運行監(jiān)視
系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運行狀態(tài)進(jìn)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(fù)荷率等運行趨勢，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運行維護(hù)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(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位，保護(hù)動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)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(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護(hù)動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
3.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測
系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)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(yīng)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(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。
3.4.10用戶權(quán)限管理
系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)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(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
3.4.11通訊狀態(tài)圖
系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運行維護(hù)人員實時掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
3.4.12視頻監(jiān)控
視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。
3.4.13用戶報告
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進(jìn)行統(tǒng)計分析。
3.4.14 APP支持
電力運維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
3.5系統(tǒng)硬件配置清單
4結(jié)語
本文設(shè)計了一套適用于大型企業(yè)的分層分布式電能管理系統(tǒng)，通過智能化的硬件平臺和模塊化的系統(tǒng)軟件，使企業(yè)管理人員可以即時并直觀清晰地掌握全公司的電力消耗狀況，以此為基礎(chǔ)來建立相應(yīng)的電能管理決策，實現(xiàn)對企業(yè)各部門用電的精細(xì)化管理，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。
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