高能耗工業企業智能用電及能效管理系統解決方案
戴金花
江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇 江陰 201801
0 概述
建設智能用電及能效管理系統，實現對工礦企業用電及能源消耗狀況的全面監測、分析和評估，通過對能源消耗過程信息化、可視化管理，優化企業生產工藝用能過程，科學、合理地制定企業能耗考核標準和考核體系，有效提升企業能源效率管理水平。
中國經濟在持續高速增長的同時也伴隨著能源緊張和環境惡化的巨大壓力，而面對這一挑戰的最有效、經濟的辦法是在高能耗企業建設能耗監測、管理、控制系統，通過技術創新提高能源使用效率，幫助企業實現節能增效、清潔生產的目標。
據國外統計資料：工業企業每年10%以上能源損耗源于沒有能源監測及維護計劃，每年12%的能源損耗源于沒有能源管理及控制系統。歐美發達國家先進企業除了生產過程中廣泛采用計算機監測、控制系統（DCS，SCADA）外，能源數據的在線監測、分析和優化系統占有重要的位置。通過現代計算機技術、網絡通信技術和分布式控制技術，建立完善的能耗監測、管理體系，實現能源消耗動態過程的信息化、可視化、可控化，對企業生產過程中能源消耗的結構、過程及要素進行管理、控制和優化，提高能源使用效率。
1 智能用電及能效管理系統簡介
系統在線監測整個企業的生產能耗動態過程，收集生產過程中大量分散的用電、用水、用氣等能耗數據，提供實時及歷史數據分析、對比功能，以發現能源消耗過程和結構中存在的問題，通過優化運行方式和用能結構以及建立企業能耗評估、管理體系，提高企業現有供能設備的效率，實現節能增效、高效生產。
系統為用戶提供以下能耗數據和節能信息：①掌握企業耗能狀況：能源消耗的數量與構成、分布與流向；②了解企業用能水平：能量利用損失情況、設備效率、能源利用率、綜合能耗；③找出企業能耗問題：管理、設備、工藝操作中的能源浪費問題；④查清企業節能潛力：余能回收的數量、品種、參數、性質；⑤核算企業節能效果：技術改進、設備更新、工藝改革等的經濟效益、節能量；⑥明確企業節能方向：工藝節能改造、產品節能改造、制定技改方案、措施等。
2 系統功能
1）能源消耗過程的信息化、可視化
目前國內大多數企業是靠人工定時抄表的方式統計用電及能源消耗狀況，這種方式存在數據滯后、時效性差、數據單一等問題，不能及時掌握各生產環節和重點能耗設備的實時能耗數據。能效管理信息系統在線監測整個企業（集團）的生產能耗動態信息，并將這些能耗數據與相對應的設備、車間、班組生產數據相結合，現場運行管理人員可了解和掌握生產環節和重點設備的實時能耗狀況、單位能耗數據、能耗變化趨勢和實時運行參數等信息。
如圖：某工廠的工藝流程
圖1 水泥磨子系統生產流程單耗監測
2）能耗/能效信息統計、管理
系統自動生成的多種能耗信息統計圖形、曲線和報表，如以日、周、月、年為周期的電、水、氣、煤等能耗統計報表，報表類型分為全礦、車間、重要耗能設備三個層次，為用戶提供能源消耗結構和能源消耗成本分析依據，評估節能措施的效果和關聯影響。
系統提供綜合能耗/能效統計報表，采用菜單或光按鈕直接引導界面模式，圖形界面包括企業宏觀的能耗數據和相關信息，快捷、直觀反映企業、生產車間、班組和重要生產環節實時和歷史能耗/能效信息。
圖2 企業綜合能耗統計
3）歷史能耗數據對比、分析
系統具有強大的歷史能耗數據追溯和分析功能，企業能效管理及生產工藝分析人員可按不同需要靈活設置工作點參數，在不同時段下生成各種能耗數據報表與能耗曲線：如設備單耗、生產線和班組單耗等，用多種方法對主要能耗設備和生產線的能耗數據進行查詢和追溯，并可對多種參量的變化趨勢進行對比、分析，從而發現能源消耗結構和過程中存在的深層次問題，對企業能源消耗結構和方式的改進、優化提出方案和建議。
通過動態的單位產量能耗曲線和數據，可以直觀地比較企業生產能耗與國際、國內標準的差距，從而對生產、管理、工藝及時進行指導和調整，使企業生產過程的單位能耗和能源效率保持在科學、合理水平。
圖3 能耗參數對比、分析
4）電能質量及諧波監測、分析 電力電子技術在電氣化鐵路、電解工廠、電弧爐冶煉和電機變頻調速等領域的廣泛應用，在提高生產效率的同時也產生了大量的諧波污染電網，導致諧波和電能質量問題的發生。
用電及能效管理信息系統在線監測電能質量和諧波分量，通過諧波分量圖和趨勢圖，使用戶及時了解真實用電環境，避免諧波危害和電能質量問題的發生，同時降低供電系統諧波和無功損耗。通常購置諧波監測設備需要較大的投資，本系統能同時實現電能消耗狀況以及諧波監測、分析的雙重功能。
圖4 供電網絡中諧波分量圖
3 系統架構及工作原理
系統主要由數據采集層、數據傳輸網絡、能效管理系統軟件三部分組成。
1）數據采集層：通過安裝在能耗監測儀表箱（柜）中的帶數字接口的智能電力儀表，實施對負荷用電量的實時監測。監測數據包括：電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、有功無功電能、諧波、環境與開關狀態、事件記錄等用電參數。監測對象包括：電力需求側中低壓饋線回路、主要耗能機電設備、廠房（生活區）其他耗能設施。同時也可以對用水量、用氣量、熱量、投料量、產量等，通過電子式流量表、電子式熱量表、電子皮帶秤、地秤等現場智能數據采集，根據現場條件和系統應用的要求，采集的數據也可以取自用戶的其他智能系統的數據接口。
2）數據傳輸網絡：通過在能耗監測儀表箱（柜）中安裝的能耗智能數據網關，實時采集能耗計量儀表的數據，并且通過TCP/IP網絡傳輸到能耗監控中心。無需遠距離布線，施工簡單可靠。瑞申智能數據網關提供多種接入方式，目前支持RS-485/RS-232總線、光纖、工業以太網、433M無線、GSM/GPRS/CDMA網絡傳輸等多種方式。
3）用電及能效管理系統軟件：完成數據采集、校驗、分析、處理、輸出、系統維護、授權使用權限分級控制等；并可將現場運行的重要數據、報警信息、故障信息等傳送到企業決策人員。
圖5 用電及能效管理信息系統架構
4 計量及監控產品配置
電力儀表主要用于電網，特別是用戶端低壓的電參數測量、電能計量、故障診斷、電氣控制、報警、保護等功能；電能表用于電網各個環節、用戶與用戶之間的電能結算，附帶有電參數測量，無診斷、控制和保護等功能。
（1）高壓回路或低壓進線回路選ACR330ELH儀表
該表為電能質量分析儀表，主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數、電話波形因子、電流K系數、電壓與電流不平衡度計算；電網電壓電流正、負、零序分量（含負序電流）測量；4DI+3DO（DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報警）；RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T645規約。外形尺寸：120×120mm，開孔尺寸：108×108mm。適用于高壓重要回路或低壓進線柜。
（2）低壓聯絡或出線回路選ACR220EL電力儀表
該表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；4DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協議。外形尺寸：96×96mm，開孔尺寸：88×88mm。適用于低壓聯絡柜、出線柜。
（3）動力柜、照明箱選ACR120EL電力儀表或導軌式電表
ACR120EL電力儀表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；2DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協議。外形尺寸：開孔尺寸80×80mm，開孔尺寸72×72mm。適用于動力柜。
DTSD1352導軌式電表主要功能：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；電流規格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數。適用于動力柜。
DTSF1352導軌式電表主要功能：電流規格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復費率電能統計、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數。適用于用于耗能設備進行計量。
照明箱DDSF1352電表主要功能：電流規格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復費率電能統計、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選。外形尺寸：76×89×74mm，4模數。適用于照明箱的電流、電壓測量；單相電能計量。
5 技術特點
1）以設備為對象構建的內置實時關系數據庫：這種結構化、對象化的實時數據庫相比較傳統的平面數據庫，大大提高了數據檢索和訪問的速度及效率；
2）靈活的進程調度管理技術：進程調度管理功能可以把大量的數據采集和處理任務分布到不同的服務器上運行來實現負載均衡。支持在線組態，在不影響操作的情況下，允許全部或部分應用程序進行修改；
3）系統的集中管理和維護：有權限的用戶，可以在EMIS系統中任意一臺服務器或工作站上修改系統配置，在提交以后系統自動同步數據庫的配置；
4）網絡體系架構：基于先進的網絡體系架構，支持多層次網絡冗余及故障切換。增強的Web功能和Internet/Intranet瀏覽器技術，直接支持多文檔；
5）支持多種通信協議：I/O通信冗余，直接讀取現場數據采集設備存儲的數據，同時具備良好的開放性和靈活性。支持RS-232/422/485、Ethernet、Can、LonWorks、MODBUS等多種通信協議和標準；網絡通信采用標準的NetBIOS，支持IPX/SPX、TCP/IP等協議；
6）支持多種關系數據庫：包括Oracle、SQL Server、dBASE等；實時數據庫內置多種功能模塊，可實現累計、統計、控制、線形化、PID控制、各種運算等功能。通過高效的壓縮技術和海量的存儲技術，可以處理10萬點以上的數據；
7）豐富的圖形開發工具以及優化設計的圖庫：新增更多的矢量子圖，使工程畫面制作更加豐富、靈活；提供面向對象編程方式，內置間接變量、對象變量、模板變量，方便構造強大的企業級運行系統；
8）開放性：全面支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX標準，提供OLE、COM、DCOM、動態鏈接庫等多種接口，以便用戶利用各種常用開發工具（如：VC++、VB等）進行深層的二次開發。
6 應用案例
廣達電腦成立于1988年，是目前全球第一大筆記本電腦研發設計制造公司。以領先群倫的技術與堅強優越的研發團隊，屹立于高科技市場領導者地位；除了在筆記本電腦的領域中維持高成長、高品質與高評價之外，更將觸角延伸到企業網路系統、家庭娛樂產品、行動通訊產品、車用電子產品以及數碼家庭產品等市場，積極拓展產業整合布局。2006年榮登美國「財富雜志(Fortune)」評定為全球五百大企業。2011年廣達電腦入住重慶，建成了一個擁有七棟大樓（每棟十層，每層35個房間），員工總人數以萬計的重慶廣達制造城。
安科瑞電氣股份有限公司于2011年承接了重慶廣達生活服務區一期能耗監測系統的設計與實施。系統采用Acrel-5000型能耗監測系統，實現了對生活服務區內用電量和用水量的在線監測（其中電力儀表2000只、水表5000只），方便了對該建筑群能耗的管理。
重慶廣達生活服務區能耗監測系統采用網絡分布式結構，整個系統包括該建筑群的七個子系統和中心監控室的一個總監控系統。冷/熱水表數據和電表數據當地采集完成后集中傳至中心監控室。 分控中心和中心監控室之間用光纖網絡進行通訊。每個子系統采用五臺通訊管理機，其中三臺通訊管理機采集樓內每戶的冷/熱水表數據，另外兩臺采集樓內電表的數據。
系統主要實現的監控功能：
1. 界面開發設計成美觀大方的圖形，設備拓撲關系可自動生成并根據設備帶電狀態動態著色。
2. 可查看各宿舍的當前電能值和當前冷/熱用水量。
3. 具備遠程抄表功能，可查詢到任意時刻某一回路的詳細電參量。
4. 具有用電量和用水量的報表查詢功能，支持日報、月報和年報的查詢及打印。
5. 具有Web訪問功能，接入局域網的計算機可以打開IE瀏覽器瀏覽軟件界面。
6 結語
節能工作不僅是對某個設備和工藝的改造，而是對企業全系統用能過程的優化，采用能效管理信息系統可以對企業能源效率水平進行全面監測、分析和評估，找出生產過程中能耗問題根源所在，科學、合理地制定生產工藝流程、建設能耗考核標準和體系，有針對性地制定節能改造方案，是企業節能增效工作的基礎和技術方向。
參考文獻
[1]安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2011.10版.
作者簡介：
戴金花，女，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司工程師，研究方向為智能配電及能效管理系統，
技術交流：15052183915 QQ:1990381446 Email: ACRELDJH@163.com
