孟慶鋒 張敬敏 尤章金

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

據統(tǒng)計，我國工業(yè)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(yè)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(jié)能改造中，計量是標準，統(tǒng)計是基礎，如何提高能耗計量和統(tǒng)計水平，對能耗進行科學的管理，是企業(yè)制定和實施節(jié)能技術方案的一個必備步驟。

在企業(yè)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(yè)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(tǒng)計管理是企業(yè)降低電能消耗、減少企業(yè)運行成本的前提。

1 系統(tǒng)總體結構

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

1.1 系統(tǒng)管理層

系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)及參數；自動生成符合業(yè)主要求格式的各種 Excel報表和曲線；具備統(tǒng)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(yè)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(tài)及參數。

3）激光打印機

在系統(tǒng)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(fā)送的觸發(fā)方式可以有：時間觸發(fā)、事件觸發(fā)、短信觸發(fā)。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(tǒng)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(xié)議為 MODBUS或其他現場總線協(xié)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(jiān)測、轉換裝置組成?，F場監(jiān)測模塊將采集到的信號和參數通過MODBUS-RTU協(xié)議或其它協(xié)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(xié)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(xié)議。

（2）2/4個RS485接口，帶15kV ESD保護，支持MODBUS-RTU協(xié)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(jiān)測斷路器狀態(tài)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(xié)議。

2 軟硬件設計及實現

2.1 硬件部分

電能計量管理系統(tǒng)是通過將企業(yè)原有的傳統(tǒng)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)。

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(xù)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(tǒng)所提供數據的有效性，使節(jié)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(jiān)控的能源黑洞。

2）能源消耗量統(tǒng)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(qū)域、耗能設備類別等進行統(tǒng)計分析，并以 Excel圖表的形式為管理者提供專業(yè)的數據服務。系統(tǒng)可為管理者提供分部門、分區(qū)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(jié)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(yè)生產調度管理者制定企業(yè)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(tǒng)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(jiān)測，對數據圖表下載，使他們能及時了解企業(yè)電能的消耗情況。

3 應用實例

電能計量管理系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)能源管理。如今，在企業(yè)個節(jié)能改造中，通過將傳統(tǒng)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(tǒng)，提高了企業(yè)電能管理水平，為企業(yè)實現了節(jié)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(yè)電能分為生產、辦公、廠務、餐廳等6大項，統(tǒng)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(jié)能是當今企業(yè)普遍關注的熱點問題之一，電能計量管理系統(tǒng)正是基于智能電能儀表，為企業(yè)節(jié)能改造開發(fā)的。該系統(tǒng)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