1. 概述

　　電能消耗是工業(yè)生產(chǎn)成本中重要的可控部分，合理安排電能分配及使用是降低企業(yè)成本的重要途徑。中國(guó)的各類工業(yè)行業(yè)向來(lái)是用電大戶，隨著大家對(duì)生活品質(zhì)要求的增加、工業(yè)化生產(chǎn)質(zhì)量的提高、國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和成套設(shè)備的大量引進(jìn)，中國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)從過(guò)去的低速手工生產(chǎn)發(fā)展到高速全自動(dòng)生產(chǎn)，對(duì)電能的消耗是越來(lái)越大，因此降低電能的損耗、合理調(diào)配電能將直接提高其生產(chǎn)效益。

　　近20年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，可靠性的不斷提高，以及價(jià)格的大幅度降低，計(jì)算機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越普及，社會(huì)的網(wǎng)絡(luò)化程度越來(lái)越高。可編程控制器（PLC）配合一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)成的邏輯控制管理系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)。對(duì)于現(xiàn)今中國(guó)越來(lái)越多的具有通訊功能的電氣產(chǎn)品，可直接接入現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，由PLC直接安全、可靠、合理、優(yōu)化地監(jiān)管其停止、運(yùn)轉(zhuǎn)等，已達(dá)到更多地節(jié)省電能損耗。

　　圖1 TIP解決方案概覽

　　2. 電能管理系統(tǒng)架構(gòu)

　　信息化電能管理系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì)思想，整個(gè)系統(tǒng)大體分為三層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，PLC數(shù)據(jù)處理層和運(yùn)行監(jiān)控層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 電能管理系統(tǒng)架構(gòu)

　　2.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

　　在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，通過(guò)PROFIBUS總線，集成具有通信功能的智能線路保護(hù)設(shè)備和測(cè)量設(shè)備。如SENTRON 3WL和3VL系列斷路器；SIMEAS-P多功能測(cè)量設(shè)備和電能表；SIMOCODE智能電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)裝置；SIPROTEC中壓綜合繼電保護(hù)裝置；ET200S數(shù)據(jù)采集與控制裝置等。

　　2.1.1 中壓綜合繼電保護(hù)

　　中壓綜合繼電保護(hù)裝置SIPROTEC系列是一種集保護(hù)、測(cè)量、控制、故障錄波、顯示和通信于一體的綜合繼電保護(hù)裝置，其主要功能如下：

　　保護(hù)功能：過(guò)流、速斷、接地、零序電流、中性點(diǎn)接地過(guò)流、過(guò)負(fù)荷、負(fù)序過(guò)流（不平衡電流保護(hù)）、過(guò)/欠電壓、重合閘、溫度保護(hù)等。可以靈活的應(yīng)用于中壓系統(tǒng)的饋線保護(hù)，變壓器保護(hù)，以及中壓系統(tǒng)中大量應(yīng)用的電機(jī)保護(hù)。

　　測(cè)量功能：電壓、電流、功率、電能、頻率、功率因數(shù)、諧波含量等。

　　控制功能：分/合閘，重合閘控制報(bào)警等。無(wú)論是遠(yuǎn)方還是就地控制，通過(guò)密碼權(quán)限管理，保證系統(tǒng)和人員的安全。

　　監(jiān)視功能：有LCD屏幕顯示測(cè)量數(shù)據(jù)等。

　　邏輯編程功能：綜合保護(hù)裝置中內(nèi)置有CFC邏輯編程功能，可以為不同的應(yīng)用場(chǎng)合提供靈活的調(diào)整和運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)告警以及聯(lián)閉鎖等功能。

　　靈活豐富的通訊功能：保護(hù)裝置集成了IEC 60870-5-103, Profibus, Modbus, DNP3.0, IEC 61850等規(guī)約。

　　2.1.2 低壓重要饋線回路監(jiān)控

　　針對(duì)重要的低壓饋線回路，比如變壓器低壓側(cè)出線、低壓母聯(lián)等，西門(mén)子提供了SENTRON 3WL系列斷路器方案。SENTRON 3WL采用了一致的模塊化結(jié)構(gòu)，通過(guò)3WL內(nèi)部的系統(tǒng)總線能夠和電子脫扣器ETU45B、ETU55B和ETU76B連接通信，通過(guò)和COM15通信模塊實(shí)現(xiàn)了Profubus通信能力。

　　2.1.3 低壓一般饋線回路監(jiān)控

　　針對(duì)一般饋線回路，比如，一般的低壓出線回路，西門(mén)子提供了SENTRON 3VL系列斷路器方案。SENTRON 3VL通過(guò)COM10通信模塊或者SEMEAS P表實(shí)現(xiàn)了Profibus通信。和SEMEAS P表組合的SENTRON 3VL斷路器能夠完成如下4遙功能：

　　狀態(tài)量：開(kāi)關(guān)分/合信號(hào)，脫扣信號(hào)，帶脫扣原因、操作電流和時(shí)標(biāo)的脫扣信號(hào)，告警信號(hào)，帶時(shí)標(biāo)的告警信號(hào)。

　　模擬量：電壓，電流，有功，無(wú)功，視在功率，功率因素，系統(tǒng)頻率，相角，有功電度，無(wú)功電度，電壓和電流的不平衡度，以及諧波測(cè)量和電壓和電流的波形畸變THD.

　　遠(yuǎn)程分/合斷路器。

　　遠(yuǎn)程參數(shù)整定能力。

　　另外，也可以采用智能I/O模塊采集斷路器3VL的模擬量和狀態(tài)量以及實(shí)現(xiàn)斷路器3VL分/合控制。

　　2.1.4 電動(dòng)機(jī)回路監(jiān)控

　　電動(dòng)機(jī)（Motors）是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備，它是利用通電線圈在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象制成，分布于各個(gè)用戶處，電動(dòng)機(jī)按使用電源不同分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，電力系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)大部分是交流電機(jī)，可以是同步電機(jī)或者是異步電機(jī)（電機(jī)定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不保持同步速）。電動(dòng)機(jī)主要由定子與轉(zhuǎn)子組成。通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力運(yùn)動(dòng)的方向跟電流方向和磁感線（磁場(chǎng)方向）方向有關(guān)。電動(dòng)機(jī)工作原理是磁場(chǎng)對(duì)電流受力的作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　針對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)與智能控制，西門(mén)子提供了SIMOCODE-DP解決方案。SIMOCODE-DP系統(tǒng)能夠保護(hù)額定電流范圍從0.25至820A的單相或者三相電機(jī)等電氣設(shè)備，具有過(guò)載、不平衡電流、相線故障、接地故障、轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能。通過(guò)以下兩種途徑可以實(shí)現(xiàn)SIMOCODE-DP的在線修改參數(shù)、診斷和調(diào)試。

　　2.2 PLC數(shù)據(jù)處理層

　　PLC = Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。是工業(yè)控制的部分。

　　PLC數(shù)據(jù)處理層位于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和運(yùn)行監(jiān)控中心層之間，主要完成上下層之間的網(wǎng)絡(luò)連接轉(zhuǎn)換和信息的處理交換。通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，把采集的數(shù)據(jù)傳送到PLC數(shù)據(jù)處理層，對(duì)數(shù)據(jù)作規(guī)范化預(yù)處理，處理的數(shù)據(jù)與時(shí)標(biāo)相對(duì)應(yīng)，并可在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中儲(chǔ)存一周。PLC獲取和處理的數(shù)據(jù)有選擇性地上傳到控制中心，以便于集中監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)工況信息；同時(shí)，下達(dá)來(lái)自于控制中心的遙控和遙調(diào)信息給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的各類智能設(shè)備及儀表。通過(guò)組態(tài)編程，PLC能夠自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的智能設(shè)備。

　　2.3 運(yùn)行監(jiān)控中心層

　　操作與監(jiān)控中心硬件配置根據(jù)用戶的實(shí)際需求，可以配置出靈活豐富、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，比如，考慮冗余情況，配置主備數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、主備前置機(jī)、操作員工作站、WEB服務(wù)器等，基于控制中心系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)還可以配置不同的網(wǎng)段。監(jiān)控中心軟件由WinCC開(kāi)發(fā)出友好的人機(jī)界面。配電實(shí)時(shí)工況信息以曲線、表格以及參數(shù)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，也可顯示整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)對(duì)重要的信息進(jìn)行存盤(pán)歸檔，同時(shí)，提供靈活豐富的報(bào)表功能，用戶可以依據(jù)實(shí)際需求靈活自定義報(bào)表。因此，管理人員在控制中心利用透明化的能源管理來(lái)進(jìn)行有效地分析和決策，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、省電、降低運(yùn)行成本。

　　3.電能管理系統(tǒng)特點(diǎn)

　　增加了從電源設(shè)備到各類終端負(fù)載電能消耗透明度，優(yōu)化運(yùn)行成本。

　　可依據(jù)電能需求模式和要求，更，有效和經(jīng)濟(jì)地購(gòu)買(mǎi)電能。

　　采用分析診斷，定向服務(wù)/維護(hù)等手段，優(yōu)化開(kāi)關(guān)設(shè)備的性能和用電負(fù)荷。

　　系統(tǒng)為開(kāi)放式和模塊化結(jié)構(gòu)，故系統(tǒng)的集成，組態(tài)，擴(kuò)展更靈活。

　　4.電能管理主要功能

　　信息化電能管理解決方案是根據(jù)配電系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的研究而提出的。它能分析電能分配與各類負(fù)載消耗電能的全過(guò)程。目的就是從能源消費(fèi)的觀點(diǎn)管理和配置配電系統(tǒng)，降低運(yùn)行費(fèi)用。不論是工業(yè)廠房還是商業(yè)建筑，基本追求的目標(biāo)是合理、有效和經(jīng)濟(jì)地使用電能，減少電能的消耗，限度地降低電能的費(fèi)用。

　　4.1 集中監(jiān)視和透明化管理

　　通過(guò)集中監(jiān)視，系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)在線的能源消耗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可按不同的區(qū)域不同的時(shí)間生成用電報(bào)表，自動(dòng)計(jì)算單位能耗，有利于改進(jìn)成本。通過(guò)靈活的負(fù)荷曲線，除了能夠獲取實(shí)時(shí)負(fù)荷外，還能進(jìn)行歷史趨勢(shì)分析，有效地優(yōu)化重要負(fù)荷的能耗。工礦企業(yè)的操作員通過(guò)視窗人機(jī)界面對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行可視性操作和有效地管理如圖3.每一臺(tái)線路保護(hù)開(kāi)關(guān)均可以在控制室（或本地）進(jìn)行分合操作?？梢暬倪h(yuǎn)程操作毫無(wú)疑問(wèn)地增加了系統(tǒng)和操作人員的安全性。當(dāng)我們制定預(yù)防性的維護(hù)和檢修計(jì)劃工作同時(shí)，可依據(jù)操作信息及列表文件提供的有價(jià)值信息，有效地為每一臺(tái)開(kāi)關(guān)裝置和設(shè)備組織有針對(duì)性的維護(hù)和檢修工作。例如，開(kāi)關(guān)操作信息清單詳細(xì)記錄了設(shè)備的操作次數(shù)以及保護(hù)動(dòng)作，故障切斷電源的次數(shù)，同時(shí)給出了下次應(yīng)進(jìn)行維護(hù)和檢修的時(shí)間和內(nèi)容。開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置必須進(jìn)行檢修時(shí)，可以通過(guò)SMS方式直接把維護(hù)和檢修的時(shí)間和內(nèi)容傳輸給維護(hù)人員，今后，也可以通過(guò)WAP（網(wǎng)上協(xié)議）來(lái)傳送。預(yù)防性的維護(hù)和檢修計(jì)劃意味著能保證連續(xù)供電，減少了昂貴的停電時(shí)間。

　　圖3 運(yùn)行監(jiān)控和整定

　　4.2 負(fù)荷管理

　　與供電局簽訂的供電合同中的有關(guān)電耗指標(biāo)，可以通過(guò)軟件的"負(fù)荷管理"功能優(yōu)化如圖4.通過(guò)實(shí)時(shí)的負(fù)荷曲線和歷史負(fù)荷曲線趨勢(shì)分析，可消除或避免高峰用電，或不履行供電合同而招致的罰款。按負(fù)荷重要性的列表文件管理負(fù)荷，通過(guò)自動(dòng)控制，切換或卸負(fù)荷等手段，使系統(tǒng)按合同的電耗指標(biāo)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　圖4 負(fù)荷管理

　　4.3 成本管理

　　成本管理如圖5所示，自動(dòng)采集電能消耗的定量信息，與各類負(fù)荷相對(duì)應(yīng)。這意味著，每一個(gè)負(fù)載均建立獨(dú)立賬戶，從該賬戶中很快地得到耗電量，電費(fèi)等詳細(xì)的表格數(shù)據(jù)信息，同時(shí)，還能夠統(tǒng)計(jì)成本帳單中能源中斷供應(yīng)的時(shí)間和百分比。

　　圖5 成本管理

　　4.4 電能質(zhì)量

　　大量工業(yè)要求連續(xù)可靠供電，盡可能地減少電網(wǎng)對(duì)用戶的干擾，要求提供合格的電能也越來(lái)越被廣大的低壓用戶采納。有關(guān)電能質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)陸續(xù)出版，電能的質(zhì)量指標(biāo)如"供電電壓的允許偏差","公用電網(wǎng)諧波","三相電壓允許的不平衡度"以及"電壓波動(dòng)和閃變"等，必將是電力公司與用戶簽訂供電合同的主要內(nèi)容之一。

　　電能質(zhì)量不合格（或不符合要求）通常指供電電壓的幅值變化，波形畸變和頻率偏移等超過(guò)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)。不合格的電能質(zhì)量有時(shí)還表現(xiàn)為功率因數(shù)低，無(wú)功損耗大或供電可靠性差等。

　　西門(mén)子斷路器3WL的增強(qiáng)型測(cè)量功能模塊F05能夠測(cè)量配電系統(tǒng)的29次諧波，同時(shí)，還具有瞬態(tài)波形記錄功能。通過(guò)諧波測(cè)量，不但能夠分析電網(wǎng)質(zhì)量，而且還可能找到故障失常的原因，以便于減少或者消除失?，F(xiàn)象。和斷路器3VL通信的SEMEAS P表同樣具有21諧波測(cè)量功能。圖6為SEMEAS P表測(cè)量的諧波顯示。功率因數(shù)的監(jiān)測(cè)管理，有助于在不同的區(qū)域自動(dòng)或者手動(dòng)投切電容器組，提高功率因數(shù)。因此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的諧波測(cè)量以及瞬態(tài)波形記錄，在控制中心能夠?qū)@些測(cè)量值以及事件進(jìn)行系統(tǒng)地分析，有利于發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中存在的問(wèn)題以及采取相應(yīng)的措施，來(lái)提高電能質(zhì)量和用電水平。

　　圖6 諧波顯示

　　5.應(yīng)用

　　信息化電能管理系統(tǒng)以Profibus總線將現(xiàn)場(chǎng)各類設(shè)備采集的信息上傳到PLC,同時(shí)，PLC和控制中心之間通過(guò)Profinet實(shí)現(xiàn)通信，快速交換信息，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的分層分布式配電電能管理系統(tǒng)。圖7為北京西門(mén)子大樓配電系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)采用Siemens WinCC作為上位監(jiān)控軟件，在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)電能管理功能。Siemens PLC作為各個(gè)監(jiān)控分區(qū)的中央控制器，通過(guò)Profibus總線，利用COM15通信模塊實(shí)現(xiàn)斷路器3WL的4遙功能；同樣，使用SIMEAS P表和斷路器3VL組合也實(shí)現(xiàn)4遙功能，從而全面實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓系統(tǒng)的一體化綜合監(jiān)控，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、接線圖顯示、參數(shù)設(shè)置、事件報(bào)警記錄、曲線棒圖、報(bào)表打印、故障智能分析及與上級(jí)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)等基本功能和其它電能管理功能。

　　圖7 北京西門(mén)子大樓配電原理圖

　　6.小結(jié)

　　信息化電能管理系統(tǒng)是西門(mén)子全集成電能管理的重要組成部分。它采用分層分布式設(shè)計(jì)思想，為工礦企業(yè)、商業(yè)大樓等用戶提供了配電系統(tǒng)的透明化監(jiān)控，通過(guò)負(fù)荷管理、成本管理、電能質(zhì)量分析等手段為管理人員提供了豐富的決策參考信息，有利于管理人員對(duì)能源管理進(jìn)行正確的分析和作出明智的決策，有效地優(yōu)化和控制能源消耗，終實(shí)現(xiàn)節(jié)能、省電、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。