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(shí)電價(jià)、單耗定額、電能質(zhì)量3種考核模型，為企業(yè)節電管理提供數據支持，節獎超罰，提高員工節能降耗的自主意識，以實(shí)現降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益的目標。

  

關(guān)鍵詞：電能量監視；能量管理；分層分布式結構

      近年來(lái)，中國市場(chǎng)經(jīng)濟的高速發(fā)展不但造成社會(huì )總體用電量的大幅增長(cháng)，能源浪費現象也愈加嚴重。因此，節能減排工作正逐步受到社會(huì )各行業(yè)的關(guān)注。

工業(yè)一直是我國能耗支出的大戶(hù)，能耗總量約占我國資源消耗總額的 70%。所以，通過(guò)加大工業(yè)電氣節能科學(xué)技術(shù)研發(fā)，進(jìn)一步改善能源管理水平，并不斷完善節電技術(shù)，提高企業(yè)的節電工作力度，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)濟效益和社會(huì )利潤有著(zhù)重大的意義。由于缺乏一個(gè)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(shí)期，其節能措施不健全，獎懲措施不完善，職工自主節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(shù)構建一個(gè)綜合的電能耗監測和管理體系，對大型企業(yè)的能耗設施運轉進(jìn)行有效監測與控制，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(chǎng)電能數據的實(shí)時(shí)監控和集成管理，實(shí)現節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(xiàn)程數據采集技術(shù)，完成對全廠(chǎng)電氣設備實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息的采集。采集各生產(chǎn)設備的電參量，主要包括電壓、電流、有功、無(wú)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(jìn)行必要預處理和數據解析操作。②數據展現。采用了直觀(guān)豐富的圖形化顯示功能，可以真實(shí)展示各種設備的當前工作狀態(tài)，包括斷路器的開(kāi)合信號、潮流信息和負載曲線(xiàn)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(shí)現越限監視和報警，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(chǎng)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(xún)、報表打印，同時(shí)支持對數據缺失值進(jìn)行人工修改。⑤用戶(hù)管理。對企業(yè)不同用戶(hù)賦予不同級別的權限，高權限用戶(hù)賬號可以管理低權限用戶(hù)賬號，分級操作。高權限用戶(hù)具有權限設置功能，所有用戶(hù)均具有登錄認證、賬戶(hù)信息維護等功能。⑥負荷管理。在用電監測的基礎上，統計分析和測算峰谷電量，并繪制負荷曲線(xiàn)，通過(guò)對年、月、日等負荷數據的統計分析，結合班組排產(chǎn)計劃，對未來(lái)一段時(shí)間內的電力需求量作出合理預估，及時(shí)調整優(yōu)化生產(chǎn)策略，以達到削峰填谷、節約成本的目的。⑦電能質(zhì)量管理。實(shí)時(shí)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(dòng)等。⑧考核管理。制定分時(shí)電價(jià)、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，節獎超罰，充分調動(dòng)全廠(chǎng)員工的自主節電意識，形成良性競爭機制。⑨班組管理。通過(guò)值班記錄，統計各部門(mén)的班組能耗數據，并按照實(shí)際電價(jià)計算電費，便于決策層實(shí)時(shí)掌握各班組的能耗情況，實(shí)現精細化管理的目的。⑩ Web發(fā)布。采用 Web 發(fā)布技術(shù)，便于用戶(hù)可以在任一臺聯(lián)網(wǎng)的終端上來(lái)訪(fǎng)問(wèn)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。

 

2.1系統結構

      隨著(zhù)現代電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)電能管理系統的體系架構也在不斷創(chuàng )新，主要經(jīng)歷了3個(gè)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(diǎn)主要有以下4點(diǎn)。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(chǎn)設備，節約了大部分二次電纜，生產(chǎn)成本低，操作維修簡(jiǎn)單。④抗干擾能力強。

      系統數據豐富，主要體現在采集點(diǎn)多、保存的信息量大等方面。系統的功能包含了覆蓋到全廠(chǎng)的電力數據收集、監視和 Web 開(kāi)發(fā)等基礎應用外，還應具有對電力數據的檢索、分類(lèi)、管理等功能。由于電力數據處理工作與工業(yè)生產(chǎn)直接相關(guān)，綜合考慮安全性、實(shí)時(shí)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(lèi)型儀表、計算機保護裝置和繼電保護單元等組成，是電能監視與管理系統必要的基本組成元素，肩負著(zhù)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(shí)時(shí)電氣參量、底層設備的狀態(tài)信息，及時(shí)響應和執行對外服務(wù)層以及站級管理層發(fā)布的控制命令。在故障發(fā)生時(shí)，微機保護裝置則快速有效地啟動(dòng)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(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據交換通路。該層主要由通信網(wǎng)絡(luò )、數據庫服務(wù)器和通信管理設備組成，可以實(shí)現間隔層和對外服務(wù)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(shí)時(shí)數據信息，并對收集到的數據信息進(jìn)行分類(lèi)、提取、解析和發(fā)布。③對外服務(wù)層。作為系統的核心部分，實(shí)時(shí)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(jìn)行必要的數據剔除、數據平滑、缺失值補救預處理后，按照既定規約將傳送數據給各應用軟件，實(shí)現對全廠(chǎng)設備用電數據的實(shí)時(shí)監控和管理。同時(shí)，對外服務(wù)層還發(fā)布有關(guān)控制命令轉間隔層、站級管理層執行。主要功能包括數據實(shí)時(shí)展現、事故報警、電能質(zhì)量管理、報表管理、用戶(hù)管理、智能查詢(xún)、設備檢修維護管理和智能操作票等。對外服務(wù)層通過(guò) Web 服務(wù)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(luò )的數據接口和相關(guān)功能服務(wù)，同時(shí)還可以提供基于 Internet 的相關(guān)外部門(mén)戶(hù)服務(wù)功能。

2.2考核模型

      為了提高企業(yè)員工的自主節能意識，完善考核制度，為管理者提供獎懲依據，需要建立一套科學(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(shí)電價(jià)考核

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

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

      假設第i個(gè)車(chē)間第j天的用電量為Q尖ij，而其在尖、峰、平和谷不同時(shí)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(jià)，系統以ρ平作為基準值，按照事先設定的系數，尖段電價(jià)、峰段電價(jià)、谷段電價(jià)分別取1.75ρ平、1.5ρ平、0.5ρ平。

      實(shí)行峰谷分時(shí)段電價(jià)后，各車(chē)間在電費的杠桿作用推動(dòng)下，積極、合理地改變用電策略，削尖峰填谷底，以便實(shí)現平滑電力負荷曲線(xiàn)的目的，做到“移峰填谷"?！耙品逄罟?除了減少電費支出，還可以提高企業(yè)員工節能節電的意識，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，制定單耗標準以及具體的考核制度，使企業(yè)各部門(mén)、各車(chē)間的能源耗費水平直接和效益掛鉤，以增強員工的節電積極性，從而實(shí)現節能降耗的目的。假設第 i 個(gè)車(chē)間第 j 個(gè)月的電能單耗為 qij，則

式中：qij為第i個(gè)車(chē)間第j個(gè)月的實(shí)際用電單耗；Qij為第i個(gè)車(chē)間第j個(gè)月的總用電量；Gij為第i個(gè)車(chē)間第j個(gè)月的產(chǎn)品總產(chǎn)量；Qij(F)為第i個(gè)車(chē)間第j個(gè)月的輔助生產(chǎn)用電；Qij(Z)為第i個(gè)車(chē)間第j個(gè)月的直接生產(chǎn)用電。

 

假設第i個(gè)車(chē)間第j個(gè)月的單耗標準定額為qij(0)，實(shí)際的電能單耗為qij，?qij=qij-qij(0) 為第i個(gè)車(chē)間第j個(gè)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。

 

當某車(chē)間的真實(shí)單耗用電大于單耗定額標準值qij(0)時(shí)，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(chē)間的真實(shí)單耗用電小于單耗定額標準值qij(0) 時(shí)，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(jìn)行獎勵。每級的獎勵金額為

 

因此，若第 i 個(gè)車(chē)間第 j 個(gè)月的實(shí)際單耗與單耗定額之間的差額為 ?qij，則可得出該車(chē)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(dòng)率）分別代表 5 項電能質(zhì)量的標準值，則這 5 項電能質(zhì)量考核指標分別定義如下。

其中，db代表電壓波動(dòng)國家標準值，d 表示電壓波動(dòng)。

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(zhì)量綜合指標 SPQI為

根據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(gè)等級，按照系統設定的規則，對電能質(zhì)量的不同等級實(shí)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(shí)現系統的不同功能，各個(gè)單元間彼此獨立，又有機地構成了一個(gè)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

 

3.1概述

      用戶(hù)端消耗著(zhù)整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶(hù)端智能化用電管理對用戶(hù)可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶(hù)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(shí)現電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向良性互動(dòng)。用戶(hù)端急需解決的研究?jì)热葜饕ǎ合冗M(jìn)的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶(hù)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(guò)對用戶(hù)端用電情況進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)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(diǎn)或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

3.2應用場(chǎng)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(chǎng)、金融機構建筑等）；

      （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè )場(chǎng)所等）；

      （4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、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(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）。

3.3系統結構

3.4系統功能

3.4.1實(shí)時(shí)監測

      系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)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(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況，即該節點(diǎn)進(jìn)線(xiàn)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(shí)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(xún)

      在配電一次圖中，當鼠標移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，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(wú)功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢曲線(xiàn)及24小時(shí)電壓趨勢曲線(xiàn)。

3.4.4運行報表

      系統具有實(shí)時(shí)電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢(xún)界面中能夠自定義需要查詢(xún)的參數、時(shí)間或選擇查詢(xún)更新的記錄數據等，并通過(guò)報表方式顯示出來(lái)。用戶(hù)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(hù)要求導出PDF格式文件。

3.4.5變壓器運行監視

      系統對配電系統總進(jìn)線(xiàn)、主變壓器、重要負荷出線(xiàn)的運行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監視，用曲線(xiàn)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(shí)掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

3.4.6實(shí)時(shí)報警

      系統具有實(shí)時(shí)報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報警窗口，并發(fā)出聲音或語(yǔ)音提醒。

3.4.7歷史事件查詢(xún)

      系統能夠對遙信變位，保護動(dòng)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(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

 

3.4.8電能質(zhì)量監測

      系統可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量進(jìn)行持續性的監測，運行維護人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)線(xiàn)、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(shí)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(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)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(dòng)生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時(shí)間、操作類(lèi)型等。實(shí)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(hù)權限管理

      系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如配電回路名稱(chēng)修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)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(shí)時(shí)監視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構；可在線(xiàn)診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò )異常時(shí)能自動(dòng)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(shí)時(shí)掌握現場(chǎng)各設備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

3.4.12視頻監控

      視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

3.4.13用戶(hù)報告

      用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進(jìn)行統計分析。

3.4.14 APP支持

      電力運維手機支持“監控系統"、“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(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)等。

 

3.5系統硬件配置清單

 

 

      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，通過(guò)智能化的硬件平臺和模塊化的系統軟件，使企業(yè)管理人員可以即時(shí)并直觀(guān)清晰地掌握全公司的電力消耗狀況，以此為基礎來(lái)建立相應的電能管理決策，實(shí)現對企業(yè)各部門(mén)用電的精細化管理，實(shí)現節能降耗的目的。

 

[1]大型企業(yè)電能管理系統的研制.劉玉蘋(píng)，劉雙安.

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

[3]劉玉蘋(píng).企業(yè)電能量監視與管理系統的研制 [D].長(cháng)沙：湖南大學(xué)，2011.

[4]黃亮亮.大型企業(yè)電氣管理節能的先進(jìn)技術(shù)與工程應用 [D]. 長(cháng)沙：湖南大學(xué)，2010.

[5]楊新民.電力系統綜合自動(dòng)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(jiǎn)介：劉細鳳，女，現任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理系統的研發(fā)與應用