電能計量管理系統在工業節能改造中的應用

孟慶鋒 張敬敏 尤章金

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

據統計，我國工業能耗占全國能源消費總量70%左右。與國外能源消費構成相比，我國工業能耗比重明顯偏高，其中原因之一就是能耗計量水平落后，信息化水平低等。在節能改造中，計量是標準，統計是基礎，如何提高能耗計量和統計水平，對能耗進行科學的管理，是企業制定和實施節能技術方案的一個必備步驟。

在企業的所有能耗中，電能占有很大的比重。在日益激烈的市場競爭中，如何對企業電能消耗進行精確的計量，并對電能消耗進行合理有效的統計管理是企業降低電能消耗、減少企業運行成本的前提。

1 系統總體結構

該系統根據管理體制可分為系統管理層、通信鏈路層及現場設備層構成。系統結構圖如圖1所示。

1.1 系統管理層

系統管理層所包含的設備有：中控室內的電能計量管理計算機一臺、數據庫服務器、激光打印機一臺、短信報警裝置一臺、及網絡設備等。如果對系統性能要求較高，可設置兩臺電能計量管理服務器互為熱備。

圖1 電能計量管理系統結構圖

1）電能計量管理計算機

該計算機是由高配置的商用計算機及相關的外設組成。在這臺計算機中運行著電能計量管理軟件包和辦公軟件。通過該計算機調用數據庫服務器中存儲的運行狀態及參數；自動生成符合業主要求格式的各種 Excel報表和曲線；具備統計分析功能，如計算電壓合格率、負荷率及分時段用電量等；允許業主方便易行地進行采樣時間間隔修改等設定值的修改；出現能耗超限或其它告警事件時，自動報警并實時記錄。

2）數據庫服務器

該服務器是由具有RAID功能的高配置服務器及相關的外設組成。在這臺服務器中運行著電能計量管理軟件包和數據庫軟件。通過該服務器采集并存儲下屬的變電站和開閉站的所有變、配電設備的運行狀態及參數。

3）激光打印機

在系統管理層設有一臺激光打印機，可對報表、曲線及報警記錄進行打印。

4）短信報警裝置

該裝置內插有手機卡，通過串口與電能計量管理計算機相連。支持自定義的短信和報警短信，自定義短信中可包含變量實時數值。短信發送的觸發方式可以有：時間觸發、事件觸發、短信觸發。收到特定格式短信，可修改變量數值，最多可支持16個短信接受者。

1.2 通信鏈路層

電能計量管理系統的通訊網絡分兩類：一類是中控室、各變電站以及各開閉站間的通信，采用以太網方式，通信介質采用光纖或電纜；另一類是各變電站以及各開閉站內的通信，采用RS485方式，協議為 MODBUS或其他現場總線協議，通信介質為雙絞屏蔽電纜。

1.3 現場設備層

現場設備層由串口聯網服務器、智能電力儀表、電流互感器等現場監測、轉換裝置組成?，F場監測模塊將采集到的信號和參數通過MODBUS-RTU協議或其它協議傳至串口聯網服務器，串口聯網服務器這些信號和參數再通過 TCP/IP協議與數據庫服務器通信。

1）串口聯網服務器的主要性能

（1）自適應10/100Mbps的以太網接口，內嵌1500V電磁隔離，支持TCP/IP等協議。

（2）2/4個RS485接口，帶15kV ESD保護，支持MODBUS-RTU協議，每個接口最多連接31臺MODBUS-RTU設備。

2）智能電力儀表的主要性能

（1）測量三相相電流、中線電流、三相相電壓、線電壓、頻率、功率因數、有功功率、無功功率、有功電度、無功電度等運行參數。

（2）測量2～31次諧波含有率、K系數、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度等電能質量參數。

（3）兩個DI輸入點，可以用來監測斷路器狀態和故障等信號。

（4）測量精度：電壓/電流/頻率0.2%，其他參數0.5%，諧波分量1.0%。

（5）帶光隔的RS485接口，具有15kV ESD保護，支持MODBUS-RTU協議。

2 軟硬件設計及實現

2.1 硬件部分

電能計量管理系統是通過將企業原有的傳統計量裝置更換為智能電力儀表，在必須進行計量但沒有計量裝置的地方加裝智能電力儀表，采用網絡和工業現場總線的通信方式實時采集電能數據，然后對采集到的數據根據電能的主要用途進行統計分析。因為牽扯到在已有的設備上進行改造，所以應在盡可能不改變既有配電設備原狀的前提下，構建具有遙測、計量及管理功能的電能計量管理系統。

2.2 軟件部分

1）能源數據的采集存儲

對所消耗的電能進行準確的、連續不斷的采集和定時存儲。同時，還應采集室內外溫度、濕度、自然光照度等與此相關的數據，保證系統所提供數據的有效性，使節能對策能建立在確實可靠的基礎上，而不是猜測上。出現能耗超限或其他告警事件時，自動報警并實時記錄。不允許存在不受監控的能源黑洞。

2）能源消耗量統計分析

對采集到的電能進行分類分項計量，將采集數據進行數據挖掘，可按部門、區域、耗能設備類別等進行統計分析，并以 Excel圖表的形式為管理者提供專業的數據服務。系統可為管理者提供分部門、分區域、分耗能設備類別的日、月、季、年、任意時間段的能耗圖表、財務圖表；以及根據使用單位要求定做的能耗圖表和財務圖表等。為節能減排工作提供科學的數據依據和決策支持。

3）電能消耗量預測

結合歷史數據分析，可以預測未來一個生產周期的負荷與能耗，還可以預測停產日的電能消耗量，為企業生產調度管理者制定企業產品的產量計劃和電能消費計劃提供依據。

圖2 電能消耗的Excel報表曲線

4）建立電能管理信息門戶

電能計量管理系統利用自身掌握的各種信息，通過內部局域網向每個用戶或部門提供其能源、資源消耗量的報表、曲線，使他們能及時了解自己不同時段各種能源、資源的消耗以及室溫的變化等情況，具有權限的相關管理單位還可以通過 Internet網絡，對能源數據進行監測，對數據圖表下載，使他們能及時了解企業電能的消耗情況。

3 應用實例

電能計量管理系統在某飛機維修公司進行了示范應用。該公司的中低壓供配電柜都是 19世紀 60年代的設備，系統實施前，該公司主要依靠專職人員，采用手工錄入的方式來實現電能計量和管理，不利于企業能源管理。如今，在企業個節能改造中，通過將傳統的計量裝置更換為智能電力儀表，在必須進行計量但沒有計量裝置的地方加裝智能電力儀表，采用光纖網的方式，建立了電能計量管理系統，提高了企業電能管理水平，為企業實現了節能增效。

表1為任一時段的用電負荷分析，該表調取存儲的電能數據自動生成，如表所示，將企業電能分為生產、辦公、廠務、餐廳等6大項，統計各項所消耗電能及在總電能中占的比例，并根據尖峰平谷計算出電費。

4 結論

節能是當今企業普遍關注的熱點問題之一，電能計量管理系統正是基于智能電能儀表，為企業節能改造開發的。該系統已在多個項目中投入使用，并且運行使用狀況良好，深得用戶好評。

表1 用電負荷分析