智能低压电能在线管理系统在企业动力分厂设计与应用

摘 要：动力分厂的低压电能是电力管理的关键内容，能够帮助管理人员详细了解电力资源分配情况，分析其合理性，对各项电力设备的耗能情况予以评估。但是传统计量模式及管理模式均具有一定局限性，在复杂环境下检测的数据也具有及时性不佳、准确性待提升等弊端，因此不利于电能合理管控，探究更加智能的管理系统成为重要工作内容。本项目中智能低压电能在线管理系统的设计意在实现管理的智能化和数字化，提升管理质量，文章详细介绍了系统设计的各项参数及应用优势，能够在很大程度上保证电能系统的稳定运行，同时实现节能降耗。。 

关键词：动力分厂；智能低压电能在线管理系统；节能降耗

 

       动力分厂在企业中发挥关键作用，为总、分公司提供动力支持，其中的低压配电室管理又在其中占据重要位置。当前如何提升低压配电室电能管理质量已成为各个企业需面临的主要难题，也是合理分配企业电能资源、提升企业综合竞争力的核心所在。在企业发展规模不断扩大、市场竞争愈发激烈的影响下，实现低压电能智能化、信息化管控已成为必然。

 

       动力分厂主要的任务是为全厂提供充足电能，服务范围不仅包括总公司，还包括下属分公司。当前低压配电室的电能计量系统计量方式一般为针电能表、机械电能表或者电子式直读表，虽具有数据测量功能，但是不支持数据实时上传，且系统内设备繁多。传统计量方式下统计周期长、工作量大，数据分析的准确性将受到较大影响，无法帮助管理人员有效衡量厂区用电情况。不仅如此，部分计量使用仪用变压器安装，存在一定安全隐患，可能影响设备的稳定运行。本项目的智能低压电能在线管理系统意在通过智能管理的构建提升厂区电能管理质量，提升设备自动化、智能化水平，对区域电能使用情况予以有效统计和监控，促使厂区节能降耗，为设备升级提供充分且科学的数据参考。

 

2.1　服务范围

     （1）总公司。总公司共有低压配电室23个，更换的导轨式电能表、多功能测控电表、仪用变压器、无线采集器分别为474台、62台、1422台、23台，此外应将电能管理系统安装于整流所主控室，并安装一台无线采集器。

     （2）分公司。分公司共有低压配电室24个，更换的导轨式电能表、多功能测控电表、仪用变压器、无线采集器分别为171台、59台、513台、23台，此外与总公司相同，应将电能管理系统安装于整流所主控室，安装一台无线采集器。此外，总公司及分公司各低配室内需要于母联柜、低压进线柜面板处安装多功能测控电表，馈出柜则配置导轨式三相电能表及一次电流互感器。整流所主控室操作台则要配备服务器主机，于其中安装电能计量监控系统软件。由于部分分公司未实现5G网络覆盖，此部分公司使用通讯光纤传输信号。

2.2　系统组网方式

       低压配电室安装的多功能测控表可以将测得的数据通过有线或无线方式上传至无线采集器；导轨式三相电能表可以将测得的数据通过LoRa无线方式上传至无线采集器。总公司及分公司低配室无线采集器均可使用5G网络实现数据传输，汇总至整流所主控室服务器。但是需要注意的是，电能计量管理系统需提前预约接口供集控系统平台使用。

 

3.1　导轨式三相电能表

    （1）使用环境。相对湿度则要求在无冷凝环境下处于5%至95%。

    （2）安装要求。在符合低压开关柜位置及尺寸的基础上选择标准导轨式安装。

    （3）电磁兼容性及防护等级。设备需在高湿度、腐蚀气体、强电磁感染环境下工作，因此元件需采用防潮、防腐、稳定性强的工艺进行制造。此外，电磁兼容性需在EMC3级以上、防护性能需在IP52级以上。

    （4）液晶显示。导轨式三相电能表需安装液晶显示屏，且满足高清晰度、高亮度、带背光支持的特点，用以显示电压、电能、功率因素、电流以及DI状态等各项数据。

    （5）测量功能。此电能表能够测量的参数较多，其中主要包括三相电流、三相电压、双向有功功率及电度、双向无功功率及电度、功率因数、电压不平衡度、零序电流、15min需量等。

    （6）I/O输入输出。开关量输入、输出接点需在2路以上，可实现现场断路器分合闸。

    （7）通讯。配置LoRa无线通信接口，用以将采集的数据传输至电能管理系统主机，同时刷新开关量变位及系统实时数据；配置RS-485通讯口，用以作为备用通信接口。

    （8）事件记录。事件记录功能的配备可用于管理人员后期查询报警、开关量变位等各项数据，记录条目在32条以上，停电后自动保存数据。

    （9）需量。电能表可自行计算正向有功、无功功率实时需量等。

    （10）谐波分析。谐波分析功能的配备能够对电流谐波总畸变率、回路电压等实施监测，分次谐波数据应在31次以上。

    （11）定值越限。电能表支持电气量越限报警功能，可采用相电压越上限及越下限、电流越上限及越下限、线电压越上限及越下限、总功率因数越上限及越下限、线电压越上限及越下限等，另外越限报警事件需在6组以上，越限后系统自动开启继电器出口。

3.2　多功能测控电表

    （1）安装要求。在符合低压开关柜位置及尺寸的基础上选择标开孔嵌入式安装。

    （2）I/O输入输出。多功能测控电表需配备开关量输入接点4路以上、开关量输出接点2路以上，可实现现场断路器分合闸。

    （3）通讯。多功能测控电表配置RS-485通讯口，用以将采集的数据传输至电能管理系统主机，同时刷新开关量变位及系统实时数据。事件顺序记录分辨率应为1ms。

    （4）其他。多功能测控电表使用环境、电磁兼容性及防护等级、液晶显示、测量功能、事件记录、需量、谐波分析、定值越限等均与导轨式三相电能表配置相同。

3.3　无线采集器

    （1）使用环境及防护等级。无线采集器使用环境及防护等级、电磁兼容性等与导轨式三相电能表相同。

    （2）通信参数。以太网参数：配置4个以上标准RJ45型以太网接口，另外内部建立1.5kV磁隔离保护。串口通信参数：配置8个以上RS485接口，另外内部建立3kV磁隔离保护、防静电保护、防雷保护、静电保护。

    （3）网络要求。无线采集器需支持5G网络。

    （4）LoRa通信参数。32个以上通信信道，工作频段为470~510MHz，主要采用LoRa调制方式，但是同时也支持包括FSK、GFSK在内的传统调制方式。空旷条件下极限通信距离为3000m。

    （5）数据采集功能。8个以上RS-485接口、以太网接口及LoRa接口。采集方式可分为实时采集（对各电表数据通过在线轮询法实时采集）、指令采集（接收到数据中心命令后立刻采集）和定时自动采集（依据预先设置的时间定时采集）。

    （6）数据转发功能。配备8个以上转发通道，相互独立，同时配套转发规约、通信地址以及端口。

    （7）数据存储。采集器支持15d以上数据存储，且在出现故障或者断电时能够实现数据的自动保存，当服务器恢复后可将保存的数据上传至后台服务器数据库，保证数据不丢失。

    （8）透明传输功能。要求配备集成串口服务器功能，以此对智能终端设备与主站的数据交流予以控制。

    （9）逻辑可编程功能。能够通过逻辑运算、算术运算进一步分析遥测、电能等数据，并将计算成果分享至主站，还可使用运算结果遥控出口；二次逻辑编程有利于预期输出结果的实现。

    （10）系统校时功能。可显示时钟并支持SNTP对时、主站通信对时，误差控制在0.5s/d以下。

    （11）输入输出功能。系统输入信号4路以上，24V额定电压，10ms事件分辨率；系统输出信号2路以上，分别为常开DO、常开常闭Alarm，人员可以利用软件对常开DO进行设置，作为常规DO用以逻辑控制输出。

3.4　服务器

    （1）处理器。总公司、分公司均配置塔式服务器，处理器型号为至强E-2225G，3.7GHz CUP频率。

    （2）内存容量。服务器内存容量为16GB。

    （3）硬盘容量。服务器硬盘为SATA可扩展，容量为2TB，扩展后可达32TB。

    （4）USB。同时配置USB2.0、USB3.0，数量分别为4个、6个。

    （5）内置硬盘托架。配置6个内置硬盘托架支持大存储容量。

    （6）操作系统。操作系统选择Win10中文标准版。

    （7）4个DIMM插槽，支持DDR4内存容量。

    （8） 液 晶 显 示 器 。 显 示 器 分 辨 率 为1920*1080，面板尺寸32英寸，60Hz刷新率，5ms响应时间。另外配置VGA接口和HDMI接口。 

 

4.1　电力监控功能

    （1）数据采集与处理。本项目可准确采集、处理多种能源及生产数据，且数据稳定、可靠、及时，使用专门数据库储存数据，期限在3年以上，系统支持设备为5000个以上。电能计量监控系统软件中的采集程序可同时进行多设备采集，实现分布式数据采集，另外可就地前置，与实时监控主机，独立运行，一旦监控主机发生故障不会对采集程序造成影响。该软件系统同时支持主备冗余机制，程序间需实现无缝切换，间隔时间在8s以下。数据采集程序还可以对数据予以统计、分析、修正，同时拥有自我保护机制，即在系统通信中断后仍可通过智能装置中数据的读取恢复重要信息。

    （2）实时监控报警。监控设备的主要任务就是在运行异常时发出报警信号，通过语音报警、监控画面推送、闪烁提示等实现监控的有效执行。

    （3）事件记录查询。告警发生时电能计量监控系统软件将会实时弹出警告画面，详细展示日期、时间、告警类型并定位告警部位且按照事件将会进行分级报警，显示不同的颜色和特征值，有利于人员进行针对性处理。告警信息及处理结果将自动储存至相关数据库，同时支持事件查询，人员可在软件内按照时间、关键词等进行快速检索。

    （4）趋势曲线分析。软件具有历史数据分析功能，可以详细、智能分析历史数据，类型多样，包括棒图分析、曲线分析等，同时支持多种视图类型。

    （5）故障录波分析功能。故障录波分析模块可正确读取故障波形文件并进行计算和分析，显示变化趋势，波形分析界面能直观查询故障量相关参数，可展示矢量图形，同时能够实现波形数据导出、PNG图片输出。

    （6）标准报表模板。系统支持报表统计，系统内所有设备的电能信息均可统计在程序内并通过报表形式分析和传输，同时支持对比统计、自定义计算、手动修改数据、自定义表格形式、信息查询、Excel格式转化、数据的二次处理等功能，人员可以进行报表打印，可以发送至邮箱。

4.2　电能管理

    （1）电能计量管理。支持自定义设置电能计量点周期，可根据实际所需周期选择电能用量的统计分析；支持自定义时间段统计报表的显示和输出；可进行同比、环比、统计排名，支持多节点分析。

    （2）需量管理。支持需量计算功能，经监控详细了解各设备需量变化趋势，以此分析月度基本电费，了解设备运行过程中的可优化之处并予以调整。需量计算可帮助管理人员有效识别耗电源，对于降低能耗、控制波峰电价用电、减少用电费用有重要现实意义。所有分析的参数可通过棒图、曲线图等形式显示，同时管理者可经Web管理界面查询。需量计算功能下系统可设置多级需量限值超约预警，以此电能管理质量和效率。

4.3　系统维护功能

     为系统设置安全权限，用户角色不同，可按照自身权限大小使用口令登录系统，对系统实施不同操作，操作记录将由数据库保存；软件可按照企业管理组织结构对访问权限予以针对性设置，按权限对访问范围和节点予以分配，另外支持设置分层分级用户群组。

4.4　数据库维护和管理

     系统兼容性强，支持数据库连接，配备主备数据库同步机制，以此实现数据库合并。数据库维护便捷，可方便地进行数据备份和还原，同时人员可以归档管理数据，后期也可查询和导出维护记录。

4.5　扩展功能

     监控系统需具有通信接口扩展功能，便于各项设备的接入以及集成数据的交互，同时支持二次开发。支持标准规约设备、非标准规约设备的接入，另外支持标准下的远传规约转发数据。

 

5.1概述

       用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

      Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

5.2应用场所

     （1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

     （2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

     （3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

     （4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

     （5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视等）；

     （6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

5.3系统结构

 

5.4系统功能

1）实时监测

     系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

 

2）电能统计报表

     系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

 

 

3）详细电参量查询

      在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

 

4）运行报表

     系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

 

5）变压器运行监视

      系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

 

6）实时报警

     系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

 

7）历史事件查询

     系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

 

8）电能质量监测

      系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

 

9）遥控操作

     系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

 

10）用户权限管理

       系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

 

11）通讯状态图

       系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

 

12）视频监控

        视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

 

13）用户报告

       用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

 

14）APP支持

       电力运维手机支持“监控系统"、“设备档案"、“待办事项"、“巡检记录"和“缺陷记录"五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

 

5.5系统硬件配置

 

6 结语

      动力分厂智能低压电能在线管理系统能够实现总公司、分公司电能管理的信息化及自动化水平，提升人员工作质量，可以助管理者详细准确地了解厂区范围内电能使用情况，合理分配能源、及时发现问题，对于节能降耗、促使企业可持续健康发展有关键现实意义，还有利于提升企业综合竞争力。

【1】孙艳坤，刘康，孙伟，鲍学超，钱景磊，郑子龙，动力分厂智能低压电能在线管理系统设计与应用研究.

【2】石炳君.机关大楼老旧配电设备加装电能管理系统的方法[J].江苏科技信息,2020,37(12):60-65.

【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05