安科瑞电能管理系统在工业中的应用
上海安科瑞电气股份有限公司 嘉定 201801
1 引言
电能消耗是工业生产成本中最重要的可控部分，合理安排电能分配及使用是降低企业成本的重要途径。中国的各类工业行业向来是用电大户，随着大家对生活品质要求的增加、工业化生产质量的提高、国外先进技术和成套设备的大量引进，中国的工业生产从过去的低速手工生产发展到高速全自动生产，对电能的消耗是越来越大，因此降低电能的损耗、合理调配电能将直接提高其生产效益。
近20年来，随着计算机和网络技术的不断发展，可靠性的不断提高，以及价格的大幅度降低，计算机在工业中的应用越来越普及，社会的网络化程度越来越高。可编程控制器(PLC)配合一个或多个计算机通过现场总线技术构成的逻辑控制管理系统被广泛地应用到各行各业。对于现今中国越来越多的具有通讯功能的电气产品，可直接接入现场总线系统中，由PLC直接安全、可靠、合理、优化地监管其停止、运转等，已达到更多地节省电能损耗。
本文以安科瑞公司的Acrel-3000电能管理软件，配合ACR220EL/ACR330ELH多功能测量仪表以及各种低压电器，结合TIP和TIA的核心理念，概述电能管理系统的作用与功能。
2 TIA和TIP是安科瑞面向市场的核心产品战略
2.1 全集成自动化(TIA)
是基于网络化的“平台”理念，通过共同的数据管理、共同的通信以及共同的工程设计环境，实现无缝的互操作性和透明性，是从设计和工程组态、安装与调试、运行、维护，直至现代化升级和改造的整个产品生命周期得以充分优化，成功的实现了整个自动化系统在生产过程中的横向和纵向的集成，进而确保减少工程成本，提高生产率，降低产品生命周期成本。
2.2 全集成能源管理(TIP)
是面向工业建筑、商业楼宇、基础设施以及民用建筑领域，针对配电系统的前期规划设计、系统装配、运行与维护，通过提供全系列高质量、模块化、集成化的节能配电产品和配电监控系统，优化配电系统的设计成本和运行维护成本，有利于运行管理人员利用系统提供的配电实时信息，合理安排设备调度停运、故障预维护、检修计划及电耗管理等，从而确保配电系统的安全、经济运行。
3 应用能源管理案例分析
3.1 监控设备选型
由于每个配电室大部分配电分路都需电能测量仪表进行监控，需要满足各种常规监控要求，而且还能采集谐波畸变率等，并能实现四遥功能，使得全面检测电能质量。所以我们选用ACR330ELH/ACR220EL多功能仪表配合带有通讯功能的断路器以及马达保护器等来进行监控线路情况。
因为ACR330ELH拥有精确而全面的测量功能，可提供所需的测量数据。与电源管理程序和程序块库相结合，安科瑞提供了一种创新和面向未来的解决方案，可使电能利用得到优化，在能源成本上达到高达20%的节约潜力。
1)高压回路或低压进线回路选ACR330ELH仪表
该表为电能质量分析仪表，主要功能有：LCD显示、全电参量测量(U、I、P、Q、PF、F、S)；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量(含负序电流)测量；4DI+3DO(DO3做过压、欠压、过流、不平衡报警)；RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约。外形尺寸：120×120mm，开孔尺寸：108×108mm。适用于高压重要回路或低压进线柜。
2)低压联络或出线回路选ACR220EL电力仪表
该表主要功能有：LCD显示、全电参量测量(U、I、P、Q、PF、F)；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议。外形尺寸：96×96mm，开孔尺寸：88×88mm。适用于低压联络柜、出线柜。
3)动力柜、照明箱选ACR120EL电力仪表或导轨式电表
ADL系列导轨式安装电能表包括单相复费率电能表和三相复费率电能表。该系列电能表体积小巧，外形美观，结构模数化，可安装于35mm标准导轨上。
ADL系列导轨式安装电能表支持一次接入和二次接入两种接线方式，不仅可用于低压配电柜，还可以用在终端配电箱，电流表最大规格为20(80)A。
ADL系列导轨式安装电能表不仅在外形和接线上具有灵活方便的特点，而且在功能和性能上也具有下述优点：
a. 计量正反向有功电量，功率潮流方向自动识别并指示，具有4费率及总电能计量功能。
b. 分时复费率功能，日时段可设4费率、8时段，时段内的最小时间单位为1min。
c. 按月冻结转存功能，可统计上上月、上月及本月的总用电量和分时电量，用于月用电费的结算及监测用电情况。
d. 实时监测功能，测量显示电压、电流、频率、功率、功率因数。
e. 输出接口。带光电隔离的电量脉冲数据输出接口，可用于校表和实现DCS(集散控制系统)远传，RS485通讯接口可以实现远程抄表和负荷监测。
3.2电能管理需求分析及系统构成
某公司厂房共有一期配电房1个、二期配电房2个，提供全厂的生产、照明、空调用电及其它用电等。原有配电系统只在全厂总进线回路上装有电力部门的电度表，管理者只能从每个月电力部门提供的用电总数值得知本月电量能耗，至于电能都用在了什么地方，有没有电能浪费，节能措施有没有收到应有的效果，企业管理者不是很清楚。亟待一个合理的电能考核机制来实现电能的科学管理。
针对以上问题，并根据客户要求，对原有配电系统进行了改造，改造后的Acrel-3000电能管理系统，不仅能实现对各配电回路的远程监控和集中管理，而且还实现了根据各监控设备进行分类电能统计、复费率电能统计、8小时班组能耗统计、日能耗统计和月耗电能统计，自动计算出单位产量能耗用电，为科学地节能管理提供了依据。
3.2.1 项目分析
该电能管理系统是在原有变配电柜基础上增加带通讯接口的电能表，将电量参数远传至监控中心，从而实现集中远程监控和管理的一个低压配电改造项目。
要实现对每一台机器用电量的统计，及对每一出线回路电能数据的采集，必须在每一出线回路安装一块电能计量表，但目前市场上的电能计量表普遍采用传统的壁挂式安装方式，体积大，安装不方便。该公司原有配电系统的配电柜均为抽屉柜，在原有抽屉柜面板上已经安装了电流表和信号指示灯，安装空间非常狭小，不可能在抽屉面板上增加任何传统的电能表。抽屉内部安装的元器件已非常紧密，再安装传统电能表或数字式电力网络仪表都是不可能的。
如果从每个回路互感器引出测量线路，重新制作新电表箱放置在配电柜旁边，将电能表集中安装在电表箱里呢？这种方法会使电表箱到配电柜的线缆特别多，鉴于该公司厂房配电回路数较多，安装接线比较麻烦，且以后的检修维护也会比较困难，增加如此多的电缆线和新增加的电表箱也会增加了用户的经济成本，因此这种方法是不可取的。
综合考虑仪表安装、调试及后期维护等多种因素，最终选用ADL系列导轨式安装电能表。该系列仪表可以很方便地安装在配电柜背面的导轨上，不需要对配电柜重新开孔，也不用将大量的电缆引出到新的电表箱中，安装方便又节约了大量电缆和电表箱的成本，而且这种一对一式的测量，对于将来系统的检修维护也是非常清晰方便的。
ADL系列导轨式电能表均带有标准的RS485通讯接口，采用Modbus RTU国际标准通讯协议，通过仪表的通讯接口将仪表组网，最终实现在监控中心进行集中监控和管理。
3.2.2 系统构成
该电能管理改造系统采用分层分布式计算机网络结构，即间隔层、通讯层和站控层，如图1所示。
图1 电能管理系统结构示意图
仪表之间采用屏蔽双绞线进行总线型连接，通过通讯扩展卡进入监控主机。图2所示为ADL仪表通讯电缆接线示意图。通过对配电系统的二次设备进行组网，经由通讯网络到达监控主机，将分散的配电所的现场设备连接为一个整体。
图2 ADL仪表通讯电缆接线示意图
监控中心配置监控计算机、打印机、UPS电源及必要的辅助设备，Acrel-3000电能管理软件完成对各台电能表的远程采集和数据的集中处理。
3.3 软件实现及系统功能
3.3.1 软件实现
上位机软件采用Acrel- 3000组态软件，通过软件进行设备配置、数据库变量配置、界面设计等，完成了在上位机软件监控及电能管理的功能。
3.3.2 系统功能
整个系统实现了对一期配电房和二期配电房所有回路电能的采集和统计，远程自动抄表、电能统计等功能，包括：
a. 远程电量参数测量，包括实时电能、分摊电能、总电能以及按各监控设备统计电能。
b. 运行状态监测，通讯异常报警提示。
c. 用户管理，不同用户权限具备不同操作功能，各级权限具有口令修改操作功能和权限防误功能。
d. 电能报表，实现了所有电能报表的按时间查询，分为分钟、小时、班组、日、月五种类型，包括总、尖、峰、平、谷复费率电能及用电量。
e. 电能柱形图，任意回路电能实时电能柱形图显示，包括总、尖、峰、平、谷电能。
f. 汇总表，所有监控设备电能汇总，按时间段查询，自动计算任意时段用电量。
g. 单位能耗，自动计算单位产量能耗，并可打印及导出。单位产量能耗计算界面如图3所示。
h. 打印及导出，所有报表及界面均可打印，或以EXCEL、WORD格式导出。
图3 单片能耗报表
4 结束语
该系统已调试完毕并验收，目前已成功投入运行，系统软件画面刷新时间小于1s，遥信处理准确率大于99.9％，整个系统运行安全、稳定，极大地方便了用户的使用。
ADL导轨式电能表的应用对于准确计量电能、节省安装空间、节约工程成本，均具有现实意义，对比传统的壁挂式电度表，其体积小巧、外形简洁、接线方式灵活、安装方便，为电能管理系统的改造简单化、集中化提供了方便。
该系统完全按照客户要求对各个监控设备进行分别计算，计算共同设备的电能分摊数及单位产量能耗数，并做了分钟、小时、日、月4种类型报表。方便的电能数据库报表极大地减少了用户进行电能抄表人力的投入，为管理者进行内部计量考核提供了直观的依据，为进一步的节能管理及节能措施的实施打下了基础。
参考文献：
[1]上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2011.10版.
[2]西门子电能管理系统在工业中的应用产品手册
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