摘要：文章通過對大樓配電設(shè)備現(xiàn)狀及電能管理系統(tǒng)的需求分析，提出了在大樓老舊配電設(shè)備中加裝 電能管理系統(tǒng)的方法，包括方案配置、計量點選擇、終端改造、數(shù)據(jù)通信、報表格式等。旨在供無計量 管理系統(tǒng)或僅有電力監(jiān)控系統(tǒng)的配電系統(tǒng)中加裝電能管理系統(tǒng)的用戶參考。
關(guān)鍵詞：電能管理系統(tǒng) 老舊大樓 配電設(shè)備
0 引言
電能管理系統(tǒng)是按用戶的需求，在用戶配電系統(tǒng)中附加的能夠?qū)ε潆娤到y(tǒng)中各種用電設(shè)備消耗的電 能進行實時采集和顯示、自動計算和處理、匯總分析 報告的自動化管理系統(tǒng) 。該系統(tǒng)可以對電能按照明 插座用電、動力用電、空調(diào)用電、特殊用電進行分項計量，為企、事業(yè)單位電能管理、節(jié)能提供依據(jù)。早期的用戶配電系統(tǒng)都不具備這樣的電能管理系統(tǒng)，雖 然近幾年安裝投運的配電系統(tǒng)不少已經(jīng)配備了電力 監(jiān)測系統(tǒng)，但仍與電能管理系統(tǒng)不盡相同，并不能達到對電能進行管理的目的。當今各種電能計量傳感器、儀表以及計算機網(wǎng)絡通訊的蓬勃發(fā)展，可以對上述兩種配電系統(tǒng)進行二次開發(fā)，增加電能管理系統(tǒng)。
1 電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能選擇
1.1 電能管理系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)和功能
電能管理系統(tǒng)通常采用分層分布式結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，即站控管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設(shè)備層，按功能 或區(qū)域進行劃分，模塊化設(shè)計。硬件系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
電能管理系統(tǒng)軟件是對現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)進行采 集與過程控制的專用軟件，特點是能以靈活多樣的“組態(tài)方式"而不是編程方式來進行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，只要將其預設(shè)置的各種軟件模塊進行簡單的“組態(tài)"，便可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能。通常包括：系統(tǒng)組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)存儲軟件、電能管理軟件、設(shè)備驅(qū)動軟件和網(wǎng)絡發(fā)布軟件。
2.2 電能管理系統(tǒng)的基本功能
2.2.1 用戶權(quán)限
為了保證電能管理系統(tǒng)穩(wěn)定運行，用戶權(quán)限管理應能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如配電回路名稱修改)?？梢远x不同級別用戶的登錄名、操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行維護管理通過可靠的保障。
2.2.2 人機交互
電能管理系統(tǒng)應具備友好的人機界面，能夠以配電一次系統(tǒng)圖的形式直觀顯示本項目配電線路的分布情況，同時將遠程采集的各回路的電參量信息(如電流、功率等)實時顯示在系統(tǒng)界面中 。配電系統(tǒng)維護人員在值班室內(nèi)通過瀏覽各系統(tǒng)界面，即可實時掌握現(xiàn)場配電工況。
2.2.3 電能統(tǒng)計報表
電能管理系統(tǒng)以豐富的數(shù)據(jù)報表體現(xiàn)計量體系 的完整性 。系統(tǒng)應具備各回路定時抄表匯總統(tǒng)計功 能，用戶可查詢自系統(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、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能追溯，維護計量體系的正 確性。
對于采用峰谷不同費率的用戶，電能管理系統(tǒng)應 為用戶提供綜合的電能和需量統(tǒng)計報表功能，包含不 同饋線的峰平谷用電量統(tǒng)計與記錄，從而為用電的合 理管理提供數(shù)據(jù)依據(jù) 。同時可對各回路進行日、月、 年報表的統(tǒng)計，減少配電系統(tǒng)維護人員電能統(tǒng)計的工 作時間，提高工作效率。
電能管理系統(tǒng)應該能按照分項計量的要求，對照 明插座用電、空調(diào)用電、動力用電及特殊用電分別進 行統(tǒng)計、匯總、報告。
2.2.4 越限、故障告警
電能管理系統(tǒng)可以根據(jù)項目具體情況對必要的計量對象配置告警功能，這類型含測量值(如電流、功率)越限、監(jiān)測設(shè)備通訊故障等。設(shè)定值應該 可以更具實際負載情況調(diào)整，系統(tǒng)響鈴時能夠進行信息提示，自動彈出畫面?？梢詫⑿畔⑼ㄟ^手機短信、郵件等方式通知相關(guān)人員(一般為可選配置)。
2.2.5 電能質(zhì)量監(jiān)測
電能管理系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測(需配置帶諧波監(jiān)測功能的儀表)。例如配電系統(tǒng)維護人員可以通過諧波分析界面掌握配電系統(tǒng)的諧波含量，及時采取相應的措施提高配電系統(tǒng)的可靠性，減少因諧波造成的供電事故的發(fā)生。
2.2.6 網(wǎng)絡發(fā)布功能
根據(jù)需要電能管理系統(tǒng)配置WEB信息系統(tǒng)功能，從而使得管理人員可以通過IE或其他瀏覽器，查 看 實 時 數(shù) 據(jù) 、監(jiān) 控 畫 面 、歷 史 數(shù) 據(jù) 等 遠 程 訪 問 功能。
2.2.7 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口
電能管理系統(tǒng)軟件應具備多種標準的接口和協(xié)議的接入，如支持485總線，多種不同的通信協(xié)議如Mobus-RTU、Mobus/TCP、IEC103、IEC104 等，同時具備后期對非標準規(guī)約協(xié)議的開發(fā)接入，使得所有智能設(shè)備都能無縫連接到后臺系統(tǒng)中來。同時系統(tǒng)支持工業(yè)OPC接口與其他系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))進行數(shù)據(jù)共享。以上功能可以根據(jù)自身項目特點和要求進行必要的取舍。
3. 項目的方案
本項目的基本目標是實現(xiàn)電能的分項計量，自動抄表、顯示負荷曲線、任意歷史數(shù)據(jù)查閱、任意時間段報告生成，數(shù)據(jù)上報上級機關(guān)(在上級機關(guān)未確定好傳輸協(xié)議前，本系統(tǒng)預留接口)。加裝電能管理系統(tǒng)本身就是為了通過系統(tǒng)的管理找到電能使用不合理的環(huán)節(jié)，實施節(jié)能改造、行政干預達到節(jié)能的目的。本項目中涉及的配電設(shè)備比較老舊，繼續(xù)使用的年限不會太久，不計成本對現(xiàn)有配電設(shè)備進行較大的改造，將電能管理系統(tǒng)做的大而 全顯然是不經(jīng)濟的。因此本系統(tǒng)應簡潔經(jīng)濟、施工簡單，盡可能不對現(xiàn)有設(shè)備做大的改動。
通過廣泛的市場調(diào)研，選擇了產(chǎn)品豐富、軟硬件齊全的 Acrel 品牌。
軟件功能：保留了用戶權(quán)限、人機交互、電能統(tǒng)計 報表(根據(jù)本項目特殊要求定制)、越限故障告警、電能質(zhì)量檢測等基本功能；考慮到本系統(tǒng)建成后由專門人員管理，為降低造價舍去了網(wǎng)絡發(fā)布功能，為今后向上級機關(guān)上報電能數(shù)據(jù)系統(tǒng)預留了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口。
計量點：低壓進線計量 4個、低壓出線計量 41個， 為區(qū)分不同種類的用電設(shè)備在部分終端計量 12個， 計量點位如圖 1所示。
4 方案實施
4.1 站控管理層
站控管理層是針對配電網(wǎng)絡的管理人員，該層直接面向用戶。該層也是系統(tǒng)的上層部分，主要是由電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備組成。硬件包括工控機、打印機、UPS等；軟件包括：系統(tǒng)組態(tài)軟件、 數(shù)據(jù)存儲軟件、電能管理應用軟件。站控層設(shè)備安裝于配電房值班室。
4.2 組網(wǎng)及通信
網(wǎng)絡通信層主要是由通信管理機、接口轉(zhuǎn)換器件及總線網(wǎng)絡等組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，不同的接口轉(zhuǎn)換器件提供了 RS232，RS422，RS485，SPABUS等及以太網(wǎng)等各種接口，組網(wǎng)方式靈活，支持點對點的通信、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡、以太網(wǎng)等類型的組態(tài)網(wǎng)絡。
本項目通信管理機采用NPORT5410串口服務器，可讓4個RS485串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，提供簡單方便的聯(lián)網(wǎng)方式，不但可以保證現(xiàn)有的硬件資源，更確保未來網(wǎng)絡的擴充可能性。
所有計量終端經(jīng)485總線分組連接串口服務器。1#變、2#變相關(guān)終端各自分為一組，經(jīng)電纜溝分 別接到串口服務器，占兩個口。3#變、4#變相關(guān)計量終及樓層分散計量終端分為一組，占用串口服務器一 個口，剩余一個口留作將來擴展。
考慮到各樓層計量終端比較分散，有的樓層目前沒有需要計量的終端，但可能以后會有計量需求，因此串口服務器的485總線從主站經(jīng)電纜溝、電井一直 敷設(shè)到各樓層，在樓層電井處裝設(shè)無線收發(fā)器，樓層分散終端計量表計與電井中無線收發(fā)器采用無線通 信，避免了在樓層中敷設(shè)485總線的麻煩。
4.3 現(xiàn)場設(shè)備層
為了滿足測量要求并盡可能少的改動原配電設(shè)備，就要根據(jù)不同的計量點選取不同的計量表計，采取不同的改裝方法對終端設(shè)備進行改裝，本項目涉及終端改裝主要有以下幾種情形。
4.3.1 進線計量
低壓進線端原配電設(shè)備有指針式電表：三相電流、三相電壓、有功功率、功率因數(shù)改造方法是在每個進線柜增加一只 ACR 網(wǎng)絡電力儀表[3]，可以測量三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、四象限電能、諧波，帶485通信、開關(guān)量輸入輸出。改裝方法：將原配電柜電壓表替換成新裝表、利用原配電柜二次線路，改裝工作量少
4.3.2 低壓出線柜出線計量
本項目中低壓出線會路有兩種：一種是面板有3只指針式電流表(對應于 ABC三相電流互感器)的回路，另一種是面板上只有一只指針式表電流表(對應一相電流互感器)的回路。
針對上面這種情況，可以采用PZ80L多功能測量儀表改裝[3]，與原6L2電流表相同開孔尺寸，可以測量：三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、四象限電能，帶485通信、開關(guān)量輸入輸出。改裝方法：將原配電柜B相電流表替換成新裝表、利用原配 電柜二次線路，改裝工作量非常少。
針對后面這情況，可以采用 AEW100無線計量模塊[ 4]，該模塊自帶三相開口互感器，可測量：三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、正反向有功無功電能 、諧波，帶485及470MHz無線通信?？刹煌ｋ姼难b：將三相開口互感器分別固定于三相電纜，利用自身緊固螺釘穿刺取電，急速完成。
在配電柜中安裝的表計，無論是面板表還是AEW100計量模塊，通信線都采用雙絞線，簡單可靠。
4.3.3 樓層分散終端計量
對于樓層配電箱空間比較大的終端，采用AEW100無線計量模塊，改裝方法同低壓配電柜出線回路一樣，但無須連接485通信線。
由于某些室內(nèi)配電箱，如模數(shù)化 PZ30配電箱，不具備安裝AEW100的空間，可以采用 DTSD+AEW110的組合。DTSD是導軌式計量表，可以測量：三相電 流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、正反向有功無功電能，帶485通信 、開關(guān)量輸入輸出。 AEW110是一個無線收發(fā)器，可以將DTSD 電表的數(shù)據(jù)無線發(fā)送到電井中的AEW110。本樓層電井中的 AEW110可以無線接收本樓層所有無線終端的數(shù)據(jù)，使本樓層所有分散安裝的AEW100、DTSD甚至其他具有485通信的終端進行無線組網(wǎng)，不需要敷設(shè)雙絞線至電井中的485總線現(xiàn)場設(shè)備層與站控管理層之間的通信連接如圖 3所示。
圖3 網(wǎng)絡拓撲
4.4 電能報表
4.4.1 常規(guī)電能報表
常規(guī)的電能報表內(nèi)容與配電系統(tǒng)一致，顯示全大樓總用電量、每臺變壓器總用電量，每個低壓出線回路用電量，通過本報表可以進行總表分表校驗。
4.4.2 分項電能報表
表 1 的格式是按用電種類分項計量的報表，表中數(shù)據(jù)為通過軟件對相關(guān)表計數(shù)據(jù)進行計算所得。
4.4.3 內(nèi)部考核用電能報表
表 2 是按大樓管理部門要求分類統(tǒng)計的報表格式，便于內(nèi)部用電管理和節(jié)能考核，表中數(shù)據(jù)為通過軟件對相關(guān)表計數(shù)據(jù)進行計算所得。需要指出的是，三種報表格式均需在軟件中定制。
5 安科瑞電能管理系統(tǒng)
5.1概述
用戶端消耗著整個電網(wǎng)百分之八十的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)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。
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，節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。
5.2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)用衛(wèi)生、體育建筑等）；
（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視等）；
（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。
5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5.4系統(tǒng)功能
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。
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。
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。
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)、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。
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，確保供電可靠。
6）實時提醒
系統(tǒng)具有實時提醒功能，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)提醒時自動彈出實時提醒窗口，并發(fā)出聲音提醒。
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)事件和提醒進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
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。
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(shè)備的支持。
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(shè)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）。可以定義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。
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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
12）畫面監(jiān)控
畫面監(jiān)控展示了當前實時畫面（畫面直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)畫面信息。
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。
14）APP支持
電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)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(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
6.系統(tǒng)硬件配置
7 結(jié)語
電能管理系統(tǒng)的作用是通過對用電設(shè)備消耗的電能進行分項計量以達到對內(nèi)部電能消耗進行深入監(jiān)測管理進而節(jié)能增效的目的。電能管理系統(tǒng)是依附于配電系統(tǒng)的，因此加裝電能管理系統(tǒng)首先對配電設(shè)備現(xiàn)狀以及系統(tǒng)終要達到的要求進行細致的分析，才能明確方案配置，進而選定計量點、 對終端設(shè)備進行適宜的計量改造，通過必要的網(wǎng)絡通 信實現(xiàn)對各回路電能的實時采集、分項統(tǒng)計分析、報 告，終達到管理的目的。
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