安科瑞淺談電能管理系統在自來水廠中的應用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：企業電能管理系統是響應國家節能降耗和精細化能源管理號召的產物，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、節約資源和保護環境，實現“安全用電、經濟用電、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)啟動電能管理系統科研項目，將廠區配電網首批建立7個監測點，對電能量及電能指標進行集中管理。通過7個監控點的采集，實現二十四小時在線監測和歷史數據的讀取及故障異常報警功能，為安全用電、保障正常生產提供準確、有效的數據依據，及時反饋現場電能指標信息;為在水廠推行該系統提供參借鑒。
關鍵詞：電能管理安全用電在線實時量控
1電能管理系統功能
該系統包括軟件平臺和硬件采集終端兩個部分，采集終端主要實現遠程抄表功能和防竊電功能，實時測現場電能監測儀，采集終端直接將數據傳回服務器并把數據保存到數據庫，通過C/S或B/S方式可以進行查詢數據。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
1.1在線實時監控功能
（1）實現所轄區域主要用電設備的遠程用電數據(三相電流、線電壓、相電壓、電量、功率因數、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，實現軟件自主凍結數據，系統自動每5分鐘自動采取數據，以曲線、圖表方式展現。
（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電能質量實時監控功能
（1）對企業電能質量實行自動巡查，展現功率因數、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）對上述數據的統計、分析;以圖表、曲線顯示展現，為電能管理者提供實時數據支持，便于掌控企業電能狀態及尋找用電短板。
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）實現大數據處理，進行數據分析，統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）實現電能數據的歷史(日、月、年)查詢、統計、分析;電量、電費的統計。(4)
（4）決策分析及報表功能。
2電能管理系統拓撲結構
“電能管理系統”由兩個部分組成，其一是電管理數據中心，是系統的核心部分;其二是配電系統的數據采集系統。(見圖2)
圖2 系統邏輯結構圖
（1）電能管理數據中心是系統的核心，包括數據主站系統、數據庫系統和數據處理與信息發布系統，也就是我們通常所說的平臺。數據主站系統:用戶接收配電系統傳感器采集的數據，并進行解析，*終將數據存儲到數據庫;同時向廠內傳感器發布指令，請求所需要的數據。數據庫系統:主要用于存儲電能指標數據和數據處理系統的處理結果。數據處理系統:將采集到的電能數據加工成電能管理信息，系統融現代電能管理思想和電力技術為一體，相當于一個電力用戶的電能ERP。系統包括應用服務器、數據分析模型、信息展示模型、智能用電模型等。信息發布系統:將水廠管理信息發布到Web服務器，相關人員通過登陸互聯網就可以獲取電能管理信息。系統包括Web服務器、Web應用、信息安全系統等。
（2）數據采集系統:收集分布在七廠配電網中的電能數據，將電壓、電流、溫度的擬信號轉換成數字信號，將電能數據傳輸到數據主站;主要設備有電能監測儀、485通信服務器、485通信網絡、GPRS通信網絡等，系統將各種傳感器互聯成網絡與主站系統連接，組成上圖的下半部分。
3電能管理系統軟件
“電能管理系統”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，此系統可采取模塊化定制開發，可提供企業ERP系統接口。
“電能管理系統”的功能界面如下:(見圖3)
首頁面展示企業整體配電網運行環境和電能參數檢測配電網是否安全、可靠。顯示異常信息及報警功能，為企業用戶提供可靠的預測數據。
圖3 “電能管理系統”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域內電能的運動情況及各取樣點的實時電能指標，如:電量統計，總負荷，總功率因數，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計，通過該頁面可全面了解購入的電能在自己配電網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用電結構圖
反映了各用電點的用電結構，就是該監測點的生產、辦公、生活和其他用電的比例，通該圖表可客觀反映監測點用電結構的合理性并指導合理分配用電，使其用電加合理，有序。以下為圖例:(見圖5)
圖5 用電結構圖
3.3電力實時運行圖表
通過對電能數據的實時采集、分析和統計，從負荷、功率因數、電流、電壓方面，分別反映出用電點的電力指標、電能質量指標的變化情況和異常情況以及監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，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工作目標
第七水廠位于豐臺區馬家堡以西，日供水能力2.2萬立方米，保障南城東到方莊西到洋橋區域的供水壓力。在第七水廠建立電能管理體系，實現電能管理可測量，可評價，可考核，可持續改進，切通過數據說話，通過與自身歷史情況比較與能效標比較，實現“量控”。
5工作內容
第七水廠供電系統為10KV高壓兩路供電，共2臺SCB9-800/10變壓器，報裝容量850KVA。電能管理系統在第七水廠建立7個監測點，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。通過有線網絡通道對54個運行參數進行數據采集(電流、電壓、功率、溫度等)，然后通過無線GPRS把采集到的據傳輸到第四水廠服務器上，保存到oracle數據庫中，實現二十四小時在線監測和歷史數據的讀取及故障異常報警功能，采用B/S結構實現、電腦在任何地點登陸軟件系統。(見圖7)
圖7 第七水廠供電系統
6系統效果分析
6.1提高用電管理水平
管理系統可監測廠區用電負荷。根據管理系統平臺統計的數據，變壓器的負載率比較低(負荷分析)，廠區總的*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
從平臺運行數據顯示得知:第七水廠的峰、平、谷用電方式結合實際生產工藝及需求可考慮或改進是否有合理利用空間。北京現行電價政策為:峰電價:1.0044元/kWh、平電價:0.695元/kWh、谷電價:0.3946元/kWh。通過平臺預演優化功能如下:將高峰用電負荷轉移20%至谷電，將平段用電負荷轉移10%至谷電，電費降低17%。(見圖9)
圖9 平臺預演優化對比圖
6.1.2有序用電分析
通過平臺監測，可以發現動力用電為主的系統占得比例關系，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安全生產用電分析
6.2.1功率因素分析
根據平臺數據分析，廠區供電供電公司考核標準為:0.9，實際平臺監測為:0.92。運行情況較好，供電局減免電費300元/月左右。(圖10)
圖10 三相功率因數記錄圖
6.2.2電流不平衡度分析
根據數據平臺分析可以得知，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。根據實際情況提出處理建議，并進行現場排查并處理，防范于未然，供水安全就是*大的效益。
6.2.3電能運行環境異常報告分析
根據平臺二十四小時對現場用電環境的實時檢測，自動生成異常報告文檔。為電能管理人員提供科學、有效、及時的數據，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80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構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，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、需求側管理等課題。
安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀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，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。
7.2應用場所
（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；
（2）商業建筑（商場、金融機構建筑等）；
（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；
（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（、車站、碼頭建筑等）。
7.3系統結構
7.4系統功能
7.4.1實時監測
系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態，以及有關故障、告警等信號。
7.4.2電能統計報表
系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線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，鼠標指針變為手形，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、總無功功率、總功率因數、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
系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、時間或選擇查詢新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。
7.4.5變壓器運行監視
系統對配電系統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，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
系統具有實時報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、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、功率因數越限等事件進行實時監測，并根據事件等級發出告警。系統報警時自動彈出實時報警窗口，并發出聲音或語音提醒。
7.4.7歷史事件查詢
系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
7.4.8電能質量監測
系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續性的監測，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測功能的電力儀表，不需要可刪除。
7.4.9遙控操作
系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、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，系統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實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。
7.4.10用戶權限管理
系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
7.4.11通訊狀態圖
系統支持實時監視接入系統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網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場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。
7.4.12視頻監控
視頻監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據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。
7.4.14 APP支持
電力運維支持“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、溫濕度、同比、環比、電能質量、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系統硬件配置清單
應用場合 型號 圖 片 功能
電能管理軟件 Acrel-3000WEB Acrel-3000WEB電能管理軟件全方監視用戶配電系統的運行狀態和電量數據，為用戶提供好的運維服務。平臺提供用戶概況、電力數據監測、電能質量分析、用電分析、日/月/年用能數據報表、異常事件報警和記錄、運行環境監測等功能，并支持多平臺、多終端數據訪問。
智能網關 Anet-2E8S1 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協議的數據接入，ModbusT-c(主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協議上傳，支持不同協議向多平臺轉發數據;輸入電源:AC/DC 22ov，導軌式安裝。
ANet-2E4SM 4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從）、104(主、從）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模塊）輸入電源:DC 12 V ~36 V .支持4G擴展模塊，485擴展模塊。
ANet-485 M485模塊:4路光耦隔離RS485
ANet-M4G M4G模塊:支持4G全網通
35kV/10kV/6kV微機保護裝置 AM6系列 35kV及以下配電系統線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監測/PT并列、母聯/備自投等保護。
35kV/10kV/6kV弧光保護 ARB5-M 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，弧光保護〈8組）、失靈保護(4組）、TA斷線監測（4組）、非電量保護、裝置故障告警
ARB5-E 擴展單元，可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號
ARB5-S 弧光探頭，建議安裝地點包括（但不限于）斷路器室、電纜室、母線室，可面板開孔安裝，亦可支架式安裝。弧光探頭的檢測范圍是一個角度為180°，半徑0.5m的扇形區域。
35kV/10kV/6kV進線柜電能質量在線監測 APView500 裝置1024點波形采樣，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿足110kV及以下供電系統電能質量監測的要求。
35kV/10kV/6kV間隔智能操控、節點測溫 ASD500 液晶屏顯示一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫濕度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕、預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4~20mA輸出
35kV/10kV/6kV傳感器 ATE400 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125℃，測量精度±1℃;傳輸距離空曠150米
35kV/10kV/6kV間隔電參量測量 APM830 三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos） ，零序電流In，四象限電能，實時及需量，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD顯示
高壓重要回路
或低壓進線柜 APM810 三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序電流In，四象限電能，實時及需量，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類型及外部事件（SOE)各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO，RS485/Modbus，LCD顯示
AEM96 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率)﹔電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級
ADW300/4G 三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量;電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量;電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量當月及上三月的電壓、電流、功率;需量及上十二月歷史需量記錄;事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄;支持4路開關量輸入、2路開關量輸出;支持4路測溫;支持1路剩余電流測量;支持本地顯示及按鍵設置;有功電能精度1級。通訊方式:支持RS485通訊、Lora無線通訊、4G通訊;WIFI通訊
0.4kV出線 AEM72 三相電參量U、I、P、0、s、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）﹔電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級.無功電能精度2級
DTSD1352 三相電參量u、I、P、Q、s、PF、F測量，分相正向有功電能統計，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計﹔紅外通訊;電流規格:經互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(80)A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級。
ACR120EL LCD顯示、全電參量測量(U、1、P、Q、PF、F);四象限電能計量;RS485/Modbus;可選復費率電能統計、需量統計;4DI+2DO;RS485通訊接口、Modbus 協議
照明箱 DDSD1352 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;紅外及RS485通訊;電流規格:10(60）A，有功電能精度1級，無功精度2級;可選配復費率
DDS1352 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;RS485通訊;電流規格:10(60)A，有功電能精度1級，無功精度2級;尺寸:1P
電流互感器 AKH-0.66/K型 開口式電流互感器
8小結
（1）通過電能平臺數據統計可對現場用電數據的實時采集，如果發現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上節省投入。
（3）目前廠區功率因數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不高的實際情況，可檢測現有電容補償是否過補償或欠補償的問題，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）根據廠區實際的生產時間及工藝，建議合理利用現行電價政策。采取“移峰填谷”、“錯峰填谷”等方式降低企業生產成本。
（5）根據現有監測數據情況，現有兩臺變壓器采取一臺運行，一臺備用的情況，同時發現所帶負荷不高的情況下，可采取一臺變壓器帶三臺配水機，這樣做節約生產成本。對夏季應對管網壓力低，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。可考慮采取在以后改造中降低變壓器容量。隨著系統的長期運行，針對系統提供的異常報警及檢測出的相關問題，提供優化用電結構或生產工藝，提供相關的制度保障，預測用電環境的變化趨勢用以指導生產運行。
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[7]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
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