智慧電能管理系統的設計與應用解決方案

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧電能管理系統的應用場(chǎng)景也越來(lái)越廣泛，利用智慧電能管理系統合理規劃生產(chǎn)及用電計劃，充分利用峰、谷、平電價(jià)政策，可有效降低同等用電量需求下的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本，促進(jìn)節能降耗目標實(shí)現。本文介紹的是一款在燃料電池廠(chǎng)房穩定運行的智慧電能管理系統設計思路及應用。

關(guān)鍵詞：電能；智慧電能管理系統；配電；設備

0引言

電力作為工業(yè)的血液，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)4.0的持續發(fā)展，在國家大力推動(dòng)智能制造背景下，在工廠(chǎng)中引入智慧電能管理系統，實(shí)現電力設施運行數據的的自動(dòng)采集和監控，減少了對人工檢查電力設施的依賴(lài)，不僅可以提高工廠(chǎng)供配電系統的穩定性，同時(shí)通過(guò)對下級自動(dòng)化設備的在線(xiàn)的工況進(jìn)行監控，及時(shí)發(fā)現潛在的隱患，降低設備維護成本。

1 智慧電能管理系統簡(jiǎn)介

智慧電能管理系統是一種傳統電能管理技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合而實(shí)現的一種技術(shù)，它利用傳感器監控、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)緊密結合，實(shí)現了遠程監控、數據云儲存、遠程診斷等功能，可為用電企業(yè)提供了一套智能化的電能管理方案。

2 建設智慧電能管理系統意義

（1） 工廠(chǎng)內關(guān)鍵用電設備是進(jìn)行正常生產(chǎn)的基礎，其安全、高效、穩定運行是完成生產(chǎn)任務(wù)的必要條件，監控其運行工況意義重大，可及時(shí)發(fā)現設備潛在的隱患；

（2）通過(guò)電能管理系統定期推送工廠(chǎng)各區域用電信息，使各員工了解工作區域用電情況，形成良性節能降耗意識，促進(jìn)節能降耗目標實(shí)現；

（3）建設智慧電能管理系統，其輸出的能效數據信息可為企業(yè)生產(chǎn)計劃評估、成本評估及設備養護等企業(yè)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)提供決策數據支持；

（4）通過(guò)分析歷史用電數據，合理規劃生產(chǎn)及用電計劃，通過(guò)峰、谷、平錯峰用電，可以有效降低同等用電量需求下的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本；

3 智慧電能管理系統設計思路

3.1 總體實(shí)施思路

擬通過(guò)構建電能采集監控系統，對廠(chǎng)區內配電設備(如：變壓器、一級配電柜、二級配電柜)、常用廠(chǎng)務(wù)設施(螺桿冷水機組、冷卻水機組、空調機 組、空壓機等)、生產(chǎn)設備(自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、測試設備)、發(fā)電設備（燃料電池測試臺架）、照明配電柜、辦公用電配電柜進(jìn)行電能信息采集監控。

1) 根據工廠(chǎng)生產(chǎn)計劃，分解大功率供用電設備、生產(chǎn)線(xiàn)、區域照明、管理區域用電計劃，并對階段目標完成情況進(jìn)行評估考核；

2) 根據實(shí)際生產(chǎn)需要，結合大功率設備用電趨勢及峰、谷、平電價(jià)，調整生產(chǎn)計劃執行策略，逐步合理優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)能源使用效率。

3) 通過(guò)監控各用電設備的電壓、電流、功率因數等信息，完成能源信息統計、能源趨勢分析及異常類(lèi)信息告警；

3.2 電能采集網(wǎng)絡(luò )建設

3.2.1 核心構思

1）采用互聯(lián)網(wǎng)+模式建立“電能管理員、用電設備、采集設備、采集云服務(wù)"物聯(lián)；

2）采用成熟云平臺、大數據基礎服務(wù)框架技術(shù)應對海量遠程采集設備數據接入，保障服務(wù)的高可用與并發(fā)性；

3）采用云平臺及移動(dòng)端技術(shù)，依托能效行業(yè)化管理經(jīng)驗，為客戶(hù)提供有效便利的能效管理工具。

4）系統架構圖

3.2.2系統的通信網(wǎng)絡(luò )

1）模塊選型采用成熟工業(yè)化數據采集通信模塊，支持RJ45、串口，ModBus及ModBus-RTU等多種通信協(xié)議數據轉發(fā)；

2）具備遠程參數配置與固件升級功能，操作簡(jiǎn)易。

3.2.3 系統的計量網(wǎng)絡(luò )

1）遵循能源流向規律，逐層設立計量點(diǎn)位、形成完善的計量網(wǎng)絡(luò )；

2）通過(guò)構建區域用電模型，掌握區域用電構成；

3）表計選型采用成熟工業(yè)化智能電能數據采集計量表計、支持雙向計量、計量精度高，具備遠程數據串口采集通信，支持ModBus及DL/T-2007通 信協(xié)議；

4）采用din導軌式掛扣設計，工程安裝快捷。

3.3 電能監控系統信息化實(shí)施

3.3.1 實(shí)施策略

1）提出、構建并實(shí)施電能采集系統方案；

2）采集、分析能源構成、數據，提出能效改進(jìn)建議；

3）建立階段能效改進(jìn)目標、系統實(shí)施；

4）能效改進(jìn)策略實(shí)施階段結果對比評估。

3.3.2 系統各功能定義

4 智慧電能管理系統的具體應用

4.1 電能查詢(xún)

可以遠程查詢(xún)每個(gè)計量表的數據，根據需要自動(dòng)存儲表碼讀數，保存周期可以自由選擇，解決了人工抄表會(huì )產(chǎn)生的漏抄、錯抄、抄表時(shí)間過(guò)長(cháng)、抄表過(guò)程不安全的問(wèn)題。實(shí)現數據分析的智能化，自動(dòng)化，可根據需要選擇生成不同類(lèi)型的月度能耗報表。

4.2 能耗分析

分析企業(yè)的峰、谷、平用電量信息，為能耗重點(diǎn)監管企業(yè)提供生產(chǎn)計劃排產(chǎn)決策依據，大限度降低用電成本；另外還可以通過(guò)監控設備的功率因素，為無(wú)功功率的就地補償提供設計依據。

4.2電流電壓異常報警功能

通過(guò)在當設備層配電柜安裝智能電表，實(shí)時(shí)監測設備的運行電壓、電流數據，當監測到異常電流、電壓時(shí)，可通過(guò)手機APP向電能管理者推送報警信息，及時(shí)發(fā)現設備或供電線(xiàn)路潛在的故障。

4.3 發(fā)電功率動(dòng)態(tài)調整功能

對于一些燃料電池生產(chǎn)廠(chǎng)房，測試燃料電池的過(guò)程中有電能發(fā)出，目前主流的設計是自發(fā)自用。通過(guò)配置智慧能源管理系統，實(shí)時(shí)監測發(fā)電功率及用電功率，同步調節發(fā)電功率及用電負荷之間的比例，使兩者處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，減少余電上網(wǎng)對電網(wǎng)系統的沖擊。

5 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

5.1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。

5.2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）。

5.3系統結構

5.4系統功能

5.4.1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。

5.4.2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。

5.4.3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)。

5.4.4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、規定時(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。

5.4.5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。

5.4.6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。

5.4.7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。

5.4.8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。

5.4.9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。

5.4.10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。

5.4.11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。

5.4.12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。

5.4.13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。

5.4.14 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。

5.5系統硬件配置清單

6結語(yǔ)

本文通過(guò)闡述了智慧電能管理系統的總體設計思路及主要應用，以實(shí)際的例子說(shuō)明了智慧電能管理系統具體的應用形式，其主要意義在于能夠實(shí)時(shí)對工廠(chǎng)的電能各項數據進(jìn)行監控，及時(shí)發(fā)現異常電能數據并提前采取應對策略，幫助企業(yè)提升節約能源意識，充分利用峰、谷、平電價(jià)開(kāi)展生產(chǎn)活動(dòng)，降 低用電成本，助力國家“碳達峰、碳中和"戰略的實(shí)現。

【參考文獻】

徐會(huì )詠.智慧能源管理系統建設方案. 能源研究與管理 2020（4）.

謝堯鐘.智慧電能管理的設計與應用                

安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊 2022.05版