淺談電能管理系統(tǒng)在自來水廠中的應用

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

            摘要：企業(yè)電能管理系統(tǒng)是響應國家節(jié)能降耗和精細化能源管理號召的產(chǎn)物，旨在提高終端用電效率和改變用電方式，在滿足同樣用電功能的同時，實現(xiàn)用電和設備危險預警、減少電量消耗和電力需求，達到安全用電、節(jié)約資源和保護環(huán)境，實現(xiàn)“安全用電、經(jīng)濟用電、有序用電、智能用電"的用電目標。2014年10月在我第四水廠南站(即第七水廠)啟動電能管理系統(tǒng)科研項目，將廠區(qū)配電網(wǎng)建立7個監(jiān)測點，對電能量及電能指標進行集中管理。通過7個監(jiān)控點的采集，實現(xiàn)二十四小時在線監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)的讀取及故障異常報警功能，為安全用電、保障正常生產(chǎn)提供準確、有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，及時反饋現(xiàn)場電能指標信息;為在水廠推行該系統(tǒng)提供參借鑒。

        關(guān)鍵詞：電能管理安全用電在線實時量控

1電能管理系統(tǒng)功能

         該系統(tǒng)包括軟件平臺和硬件采集終端兩個部分，采集終端主要實現(xiàn)遠程抄表功能和防竊電功能，實時測現(xiàn)場電能監(jiān)測儀，采集終端直接將數(shù)據(jù)傳回服務器并把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，通過C/S或B/S方式可以進行查詢數(shù)據(jù)。概括來說，它主要具有以下幾方面功能:(見圖1)

圖1 北京自來水集團能效管理系統(tǒng)

          1.1在線實時監(jiān)控功能

（1）實現(xiàn)所轄區(qū)域主要用電設備的遠程用電數(shù)據(jù)(三相電流、線電壓、相電壓、電量、功率因數(shù)、頻率、負荷率、有功功率、無功功率、溫度)采集功能。

（2）能遠方設置采集終端設備參數(shù)，實現(xiàn)軟件自主凍結(jié)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動每5分鐘自動采取數(shù)據(jù)，以曲線、圖表方式展現(xiàn)。

（3）具備自動和人工實時召測功能。

（4）具備全部和分組以及單個主要設備抄錄功能。

（5）具有自動路由功能，完成用電終端通信。無需人工干預。

        1.2電能質(zhì)量實時監(jiān)控功能

（1）對企業(yè)電能質(zhì)量實行自動巡查，展現(xiàn)功率因數(shù)、線電壓偏差、相電壓偏差、線(相)電壓不平衡、電流不平衡、頻率偏差、電壓(電流)相位角、電壓(電流)諧波含有率、諧波畸變率等。

（2）對上述數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析;以圖表、曲線顯示展現(xiàn)，為電能管理者提供實時數(shù)據(jù)支持，便于掌控企業(yè)電能狀態(tài)及尋找用電短板。

         1.3異常報警功能

（1）為提高供電可靠性，系統(tǒng)自動采集電能指標異常事件(如頻率、溫度、電流越過上限、零線電流、諧波等指標考核)。

（2）實現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理，進行數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計并提交在線故障報警頁面，做到電力安全、可靠。安全就是*大的效益。

（3）實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的歷史(日、月、年)查詢、統(tǒng)計、分析;電量、電費的統(tǒng)計。(4)

（4）決策分析及報表功能。

        2電能管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

      “電能管理系統(tǒng)"由兩個部分組成，其一是電管理數(shù)據(jù)中心，是系統(tǒng)的核心部分;其二是配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。(見圖2)

圖2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

（1）電能管理數(shù)據(jù)中心是系統(tǒng)的核心，包括數(shù)據(jù)主站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理與信息發(fā)布系統(tǒng)，也就是我們通常所說的平臺。數(shù)據(jù)主站系統(tǒng):用戶接收配電系統(tǒng)傳感器采集的數(shù)據(jù)，并進行解析，*終將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫;同時向廠內(nèi)傳感器發(fā)布指令，請求所需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng):主要用于存儲電能指標數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的處理結(jié)果。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng):將采集到的電能數(shù)據(jù)加工成電能管理信息，系統(tǒng)融現(xiàn)代電能管理思想和電力技術(shù)為一體，相當于一個電力用戶的電能ERP。系統(tǒng)包括應用服務器、數(shù)據(jù)分析模型、信息展示模型、智能用電模型等。信息發(fā)布系統(tǒng):將水廠管理信息發(fā)布到Web服務器，相關(guān)人員通過登陸互聯(lián)網(wǎng)就可以獲取電能管理信息。系統(tǒng)包括Web服務器、Web應用、信息安全系統(tǒng)等。

（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):收集分布在七廠配電網(wǎng)中的電能數(shù)據(jù)，將電壓、電流、溫度的擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，將電能數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)主站;主要設備有電能監(jiān)測儀、485通信服務器、485通信網(wǎng)絡、GPRS通信網(wǎng)絡等，系統(tǒng)將各種傳感器互聯(lián)成網(wǎng)絡與主站系統(tǒng)連接，組成上圖的下半部分。

        3電能管理系統(tǒng)軟件

       “電能管理系統(tǒng)"軟件功能主要包括，電能在線(實時)管理、用電分析、輔助決策、有序用電、設備運行管理等主要功能組成，此系統(tǒng)可采取模塊化定制開發(fā)，可提供企業(yè)ERP系統(tǒng)接口。

       “電能管理系統(tǒng)"的功能界面如下:(見圖3)

        首頁面展示企業(yè)整體配電網(wǎng)運行環(huán)境和電能參數(shù)檢測配電網(wǎng)是否安全、可靠。顯示異常信息及報警功能，為企業(yè)用戶提供可靠的預測數(shù)據(jù)。

圖3 “電能管理系統(tǒng)"的功能界面

        3.1電能運行圖

       電能運動圖反映當前配用電區(qū)域內(nèi)電能的運動情況及各取樣點的實時電能指標，如:電量統(tǒng)計，總負荷，總功率因數(shù)，負荷率，三相電流、電壓、零線電流以及所帶負載的用電實時統(tǒng)計，通過該頁面可全面了解購入的電能在自己配電網(wǎng)中的傳遞與運動情況。以下為圖例:(見圖4)

圖4 電能運行圖

         3.2用電結(jié)構(gòu)圖

反映了各用電點的用電結(jié)構(gòu)，就是該監(jiān)測點的生產(chǎn)、辦公、生活和其他用電的比例，通該圖表可客觀反映監(jiān)測點用電結(jié)構(gòu)的合理性并指導合理分配用電，使其用電更加合理，有序。以下為圖例:(見圖5)

圖5 用電結(jié)構(gòu)圖

          3.3電力實時運行圖表  

         通過對電能數(shù)據(jù)的實時采集、分析和統(tǒng)計，從負荷、功率因數(shù)、電流、電壓方面，分別反映出用電點的電力指標、電能質(zhì)量指標的變化情況和異常情況以及監(jiān)測點的電量消耗情況，為電能管人員提供用電安全的標準以及檢修的依據(jù)，做到安全用電，防范于未然。以下為圖例:(見圖6)

圖6 電力實時運行圖表

        4第七水廠電能管理系統(tǒng)工作目標

      第七水廠位于豐臺區(qū)馬家堡以西，日供水能力2.2萬立方米，保障南城東到方莊西到洋橋區(qū)域的供水壓力。在第七水廠建立電能管理體系，實現(xiàn)電能管理可測量，可評價，可考核，可持續(xù)改進，切通過數(shù)據(jù)說話，通過與自身歷史情況比較與能效標比較，實現(xiàn)“量控"。

        5工作內(nèi)容

        第七水廠供電系統(tǒng)為10KV高壓兩路供電，共2臺SCB9-800/10變壓器，報裝容量850KVA。電能管理系統(tǒng)在第七水廠建立7個監(jiān)測點，分別為413(辦公照明總)、414-1(1"配水機電源)、414-2(2*配水機電源)、423-1(3"配水機電源)、423-2(熱泵)401(進線)、402(進線)對電能量及電能指標進行集中管理。通過有線網(wǎng)絡通道對54個運行參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集(電流、電壓、功率、溫度等)，然后通過無線GPRS把采集到的據(jù)傳輸?shù)降谒乃畯S服務器上，保存到oracle數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)二十四小時在線監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)的讀取及故障異常報警功能，采用B/S結(jié)構(gòu)實現(xiàn)手機、電腦在任何地點登陸軟件系統(tǒng)。(見圖7)

圖7 第七水廠供電系統(tǒng)

      6系統(tǒng)效果分析

       6.1提高用電管理水平

管理系統(tǒng)可監(jiān)測廠區(qū)用電負荷。根據(jù)管理系統(tǒng)平臺統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，變壓器的負載率比較低(負荷分析)，廠區(qū)總的*大負荷率為:54.12%(平均負荷/*大荷)。

圖8 峰、谷、平用電分析

6.1.1峰、谷、平用電分析 

從平臺運行數(shù)據(jù)顯示得知:第七水廠的峰、平、谷用電方式結(jié)合實際生產(chǎn)工藝及需求可考慮或改進是否有合理利用空間。北京現(xiàn)行電價政策為:峰電價:1.0044元/kWh、平電價:0.695元/kWh、谷電價:0.3946元/kWh。通過平臺預演優(yōu)化功能如下:將高峰用電負荷轉(zhuǎn)移20%至谷電，將平段用電負荷轉(zhuǎn)移10%至谷電，電費降低17%。(見圖9)

圖9 平臺預演優(yōu)化對比圖

6.1.2有序用電分析

         通過平臺監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)動力用電為主的系統(tǒng)占得比例關(guān)系，例如:“413照明"用電日均達到100kWh左右，占1"變壓器總用電量10%左右。

6.2安全生產(chǎn)用電分析

6.2.1功率因素分析

      根據(jù)平臺數(shù)據(jù)分析，廠區(qū)供電供電公司考核標準為:0.9，實際平臺監(jiān)測為:0.92。運行情況較好，供電局減免電費300元/月左右。(圖10)

圖10 三相功率因數(shù)記錄圖

6.2.2電流不平衡度分析

       根據(jù)數(shù)據(jù)平臺分析可以得知，電流不平衡度*大值達到多少，以及可能會帶來電氣火災和電能浪費兩大問題。根據(jù)實際情況提出處理建議，并進行現(xiàn)場排查并處理，防范于未然，供水安全就是*大的效益。

6.2.3電能運行環(huán)境異常報告分析

       根據(jù)平臺二十四小時對現(xiàn)場用電環(huán)境的實時檢測，自動生成異常報告文檔。為電能管理人員提供科學、有效、及時的數(shù)據(jù)，使其快捷的排查故障。

7 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

7.1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(gòu)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(nèi)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(cè)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。

7.2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(gòu)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）。

7.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7.4系統(tǒng)功能

7.4.1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(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

7.4.2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(nèi)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。

7.4.3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)槭中危髽藛螕艨刹榭丛摶芈吩敿氹妳⒘?，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。

7.4.4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)、某一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。

7.4.5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。

7.4.6實時報警

        系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、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。

7.4.7歷史事件查詢

        系統(tǒng)能夠?qū)b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。

7.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測

       系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)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。

7.4.9遙控操作

       系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、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(quán)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(nèi)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(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

7.4.10用戶權(quán)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(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)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(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

7.4.11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(jié)構(gòu)；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。

7.4.12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(nèi)視頻信息。

7.4.13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。

7.4.14 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(zhì)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。

7.5系統(tǒng)硬件配置清單

9.小結(jié)

（1）通過電能平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計可對現(xiàn)場用電數(shù)據(jù)的實時采集，如果發(fā)現(xiàn)了電流不平衡的問題等用電問題，應加大檢測力度，通知維修人員，核查現(xiàn)場負載情況并解決此問題，排除安全隱患。

（2）有針對性的治理用電上的短板，以在解決問題的基礎(chǔ)上節(jié)省投入。

（3）目前廠區(qū)功率因數(shù)較高且能滿足供電公司的考核標準的情況下，針對終端設備的功率因數(shù)不高的實際情況，可檢測現(xiàn)有電容補償是否過補償或欠補償?shù)膯栴}，以提高整體標準，達到減免電費的目的。同時可考慮采取針對具體的設備進行就地補償以此提高設備使用壽命。

（4）根據(jù)廠區(qū)實際的生產(chǎn)時間及工藝，建議合理利用現(xiàn)行電價政策。采取“移峰填谷"、“錯峰填谷"等方式降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

（5）根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，現(xiàn)有兩臺變壓器采取一臺運行，一臺備用的情況，同時發(fā)現(xiàn)所帶負荷不高的情況下，可采取一臺變壓器帶三臺配水機，這樣做節(jié)約生產(chǎn)成本。對夏季應對管網(wǎng)壓力低，配水設備可能超負荷運行問題，選擇合理的運行方式可以保證供水安全?？煽紤]采取在以后改造中降低變壓器容量。隨著系統(tǒng)的長期運行，針對系統(tǒng)提供的異常報警及檢測出的相關(guān)問題，提供優(yōu)化用電結(jié)構(gòu)或生產(chǎn)工藝，提供相關(guān)的制度保障，預測用電環(huán)境的變化趨勢用以指導生產(chǎn)運行。

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作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事企業(yè)能源管控研究發(fā)展。