淺談電能管理系統(tǒng)在大型企業(yè)的設計與應用

 

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，設計了分層分布式的系統(tǒng)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(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

      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(xiàn)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(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。

      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，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(shù)字量信息，不斷刷新數(shù)據(jù)庫，并對這些數(shù)據(jù)進行必要預處理和數(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(shù)據(jù)顯示、波形顯示和狀態(tài)量顯示等幾種形式。③事故預警。設定各電量參數(shù)的上、下限值，實現(xiàn)越限監(jiān)視和報警，在事故發(fā)生前提前預警，識別故障隱患。④報表管理。統(tǒng)計全廠用電設備的電能消耗情況，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(tǒng)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(shù)據(jù)的統(tǒng)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(wǎng)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(jù)，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(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(lián)網(wǎng)的終端上來訪問電能管理系統(tǒng)，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。

 

2.1系統(tǒng)結構

      隨著現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)結構、分布式系統(tǒng)結構和分層分布式系統(tǒng)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(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(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)等基礎應用外，還應具有對電力數(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(tǒng)采用分層分布式架構，如圖4所示。

圖4 分層分布式系統(tǒng)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(tǒng)必要的基本組成元素，肩負著采集數(shù)據(jù)的重任。間隔層位于系統(tǒng)的底層，負責采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)交換通路。該層主要由通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫服務器和通信管理設備組成，可以實現(xiàn)間隔層和對外服務層之間的高速、可靠的數(shù)據(jù)交換。負責匯總底層采集設備、保護裝置等的實時數(shù)據(jù)信息，并對收集到的數(shù)據(jù)信息進行分類、提取、解析和發(fā)布。③對外服務層。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，對收集到的信息進行必要的數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)平滑、缺失值補救預處理后，按照既定規(guī)約將傳送數(shù)據(jù)給各應用軟件，實現(xiàn)對全廠設備用電數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)實時展現(xiàn)、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(wǎng)互聯(lián)，提供基于內部局域網(wǎng)辦公網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)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(jù)，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(xiàn)“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(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的電費進行統(tǒng)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(tǒng)以ρ平作為基準值，按照事先設定的系數(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(xiàn)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(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

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(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(jù)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(tǒng)設定的規(guī)則，對電能質量的不同等級實施獎懲。

 

2.3系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)的軟件框圖。

圖5 系統(tǒng)軟件框圖

 

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(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(tǒng)、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(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心等）；

      （6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

3.3系統(tǒng)結構

3.4系統(tǒng)功能

3.4.1實時監(jiān)測

      系統(tǒng)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(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、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(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(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?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，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，支持導出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導出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(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)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(shù)越限等事件進行實時監(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(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

 

3.4.8電能質量監(jiān)測

      系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)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(tǒng)支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)為保障系統(tǒng)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）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)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(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)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(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，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)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

3.4.14 APP支持

      電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設備檔案"、“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、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

 

3.5系統(tǒng)硬件配置清單

 

 

      本文設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，以此為基礎來建立相應的電能管理決策，實現(xiàn)對企業(yè)各部門用電的精細化管理，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

 

[1]大型企業(yè)電能管理系統(tǒng)的研制.劉玉蘋，劉雙安.

[2]隋新華.論企業(yè)的節(jié)能管理 [D]. 合肥：合肥工業(yè)大學，2004.

[3]劉玉蘋.企業(yè)電能量監(jiān)視與管理系統(tǒng)的研制 [D].長沙：湖南大學，2011.

[4]黃亮亮.大型企業(yè)電氣管理節(jié)能的先進技術與工程應用 [D]. 長沙：湖南大學，2010.

[5]楊新民.電力系統(tǒng)綜合自動化 [M].2 版 . 北京：中國電力出版社，2008.

[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊 2022.05版

 

作者簡介：劉細鳳，女，現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理系統(tǒng)的研發(fā)與應用