韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

 

摘 要：文中從電氣設計角度說(shuō)明了電能管理系統的實(shí)施方案，以南京凱盛國際工程有限公司設計的某5000t/d水泥生產(chǎn)線(xiàn)中電能管理系統的應用，介紹系統在實(shí)際運行中所實(shí)現的功能和效果。此系統對于工廠(chǎng)的節能降耗和提高自動(dòng)化管理水平，起到了非常積極的作用，獲得良好的使用效果和經(jīng)濟效益。 

關(guān)鍵詞：電能管理系統；電氣設計；水泥生產(chǎn)線(xiàn)；節能降耗

 

      水泥企業(yè)作為傳統的高能耗高污染企業(yè)，節能減排一直是其轉型改革的重點(diǎn)。隨著(zhù)智能制造概念的提出，加快推動(dòng)新一代信息技能和制造技術(shù)融合發(fā)展，使得水泥工廠(chǎng)的信息化技術(shù)不斷提高。在新型水泥工廠(chǎng)中，電能采集使用智能化電表，傳輸信號由傳統的4～20mA信號更換為ModBus總線(xiàn)通訊，可傳輸的數據更多，并且有效保證了數據的實(shí)時(shí)性和準確性。電能管理系統將采集到的數據進(jìn)行記錄存儲，通過(guò)數據的計算、分析、查詢(xún)和整合，以報表和圖形的方式展示給生產(chǎn)管理者。本文以國內某5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)為例，介紹電能管理系統在水泥廠(chǎng)中的設計實(shí)施及應用。

 

      本項目是從石灰石破碎至水泥磨的整個(gè)水泥熟料工藝生產(chǎn)線(xiàn)。全廠(chǎng)共設計150多塊智能電表，分布在石灰石破碎電氣室、原料處理電氣室、原料磨電氣室、窯尾電氣室、窯頭電氣室、煤磨電氣室和水泥磨電氣室共七個(gè)電氣室中。智能電表采用標準ModBus-RTU總線(xiàn)通訊，將數據傳輸至DCS系統。電能管理系統通過(guò)OPC協(xié)議與DCS控制系統通訊，獲取相關(guān)數據，進(jìn)行數據存儲，通過(guò)數據的計算、分析、查詢(xún)和整合，以報表和圖形的形式展示給生產(chǎn)管理層，管理層通過(guò)對數值的對比分析，獲取不同工況或不同的操作方式產(chǎn)生的能耗差別，去指導生產(chǎn)從而達到節能降耗的目的。

 

2 電氣設計 

2.1　電表設計

      根據工藝生產(chǎn)車(chē)間分布，全廠(chǎng)設七個(gè)電氣室，電表根據對應設備或電源所屬車(chē)間，統一安裝在各電氣室中。電表的主要目的是為計算電耗參數提供數據，因此，電表的設計應滿(mǎn)足工廠(chǎng)生產(chǎn)時(shí)所需的各項電耗指標。以原料磨電氣室為例，高壓總進(jìn)線(xiàn)柜設計一塊電表，用來(lái)測量整個(gè)原料磨車(chē)間的總用電量。車(chē)間內重要設備如原料磨主電機、高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機等單獨設計電表，用來(lái)計算單個(gè)設備的電耗。車(chē)間照明、檢修電源和維修用電動(dòng)葫蘆等統一設置一塊電表，在計算生產(chǎn)電耗時(shí)，可以將這類(lèi)數據減去。其它電氣室也遵循這一原則來(lái)設計。

2.2　電表選型

      根據國家標準《電力裝置的電測量?jì)x表裝置設計規范》，電表應按其所計量對象的重要程度和計量電能的多少分類(lèi)。如表1所示，水泥廠(chǎng)的電表準確度應不低于三類(lèi)標準。中性點(diǎn)有效接地系統的電表應采用三相四線(xiàn)的接線(xiàn)方式，中性點(diǎn)非有效接地系統的電表宜采用三相三線(xiàn)的接線(xiàn)方式。根據電能管理系統以及水泥廠(chǎng)DCS控制系統的需求，多功能電表可測量各種常用電力參數、有功電能、無(wú)功電能，并具有數字通訊、越限報警、監測開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電能脈沖輸出和模擬量輸出等功能，能夠完成工控系統不同PLC，工業(yè)控制計算機通信軟件的組網(wǎng)。

2.3　數據采集

      電表采用ModBus總線(xiàn)串聯(lián)，經(jīng)過(guò)ModBus-RTU協(xié)議傳送至DCS控制系統?？紤]到通訊速率、現場(chǎng)安裝條件易擾性和保證數據實(shí)時(shí)性等因素，在設計時(shí)一條總線(xiàn)配置20多塊電表。如窯頭站一共有38塊電表，分配成兩條ModBus總線(xiàn)連接至DCS系統。由于單條總線(xiàn)通訊量少，總線(xiàn)距離短，很大地提高了通訊系統的抗干擾性，而且在后期維護中，對單個(gè)電表的更換和維修，也不會(huì )影響到整個(gè)站的數據通訊。DCS系統負責采集電表傳輸的各項數據，經(jīng)過(guò)數據轉換和編程工作，在監控畫(huà)面上實(shí)時(shí)顯示各設備的電流、功率等運行參數，并且通過(guò)OPC標準協(xié)議可為第三方電能管理系統共享數據。

 

3 功能效果

       以南京凱盛國際工程有限公司自主開(kāi)發(fā)的水泥工廠(chǎng)電能管理系統為例，詳細介紹其主要功能和運行效果。通常來(lái)說(shuō)，水泥工廠(chǎng)電能績(jì)效指標，包括廠(chǎng)區內各關(guān)鍵設備電耗、工序電耗、綜合電耗、單位熟料發(fā)電量、單位煤耗發(fā)電量等[1]。根據這些關(guān)鍵指標，結合生產(chǎn)過(guò)程中影響各指標的重要因素，電能管理系統通過(guò)內部分析計算，以報表和圖表形式，發(fā)布電能統計報告，并針對各工藝車(chē)間段，各主要設備，各班次提供能耗分析，從而幫助工廠(chǎng)管理人員及時(shí)發(fā)現能耗異常，解決問(wèn)題，降低生產(chǎn)成本。表2為熟料燒成工藝車(chē)間的月電耗報表，圖１為原料磨車(chē)間及相關(guān)設備的電耗柱狀圖。電能分析管理主要包括以下幾方面：（1）用電量管理：系統自動(dòng)統計各工藝段以及整個(gè)工廠(chǎng)的用電量，當總用電量到達上，系統會(huì )自動(dòng)發(fā)出預警，生產(chǎn)管理者可以根據預警信息，選擇相應的措施，保證用電量控制在要求范圍內。（2）電能異常管理：長(cháng)期記錄連續正常生產(chǎn)時(shí)的各項數據，智能分析并建立一整套電能消耗規則，當出現電能使用異常情況時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)發(fā)出預警，并標識出與此異常相關(guān)的設備，幫助管理者和操作人員及時(shí)調整生產(chǎn)參數，保證生產(chǎn)的正常和連續性。（3）重要設備負荷管理：全廠(chǎng)重要的大型電機設備，例如窯尾排風(fēng)機、高溫風(fēng)機等，通過(guò)采集電機的各項運行數據，建立一套以負荷率和運轉率為基礎的數據模型，以直觀(guān)的圖形展現給生產(chǎn)管理者，對今后的生產(chǎn)改造具有積極的指導意義。目前該套系統已在生產(chǎn)線(xiàn)成功投入運行，其實(shí)際運行效果主要體現在以下幾個(gè)方面：（1）通過(guò)對生產(chǎn)數據的采集、分析和量化，客觀(guān)呈現了各生產(chǎn)環(huán)節的能耗情況，為全廠(chǎng)的進(jìn)一步節能降耗措施，提供了科學(xué)、實(shí)際的指導作用。（2）可定制的各種數據報表和圖形界面，自動(dòng)生成和推送，替代了傳統的人工抄寫(xiě)記錄工作，節約了人工成本，也提高了數據的準確性和實(shí)時(shí)性。（3）智能化分析和預警，實(shí)時(shí)地標識出能耗異常情況以及相關(guān)的設備，保證了正常連續的生產(chǎn)，避免因設備或者工藝原因造成生產(chǎn)損失。（4）提高了操作人員的工作效率，通過(guò)長(cháng)期大量的生產(chǎn)數據采集和分析，得出參數模型，人工與自動(dòng)化相結合，使生產(chǎn)長(cháng)期保持高效、穩定地狀態(tài)。 

 

圖1　車(chē)間及設備電耗柱狀圖

 

4.1概述

       用戶(hù)端消耗著(zhù)整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶(hù)端智能化用電管理對用戶(hù)可靠、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務(wù)體系，推廣用戶(hù)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(shí)現電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向良性互動(dòng)。用戶(hù)端急需解決的研究?jì)热葜饕ǎ合冗M(jìn)的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶(hù)用電管理系統、需求側管理等課題。

       Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對用戶(hù)端用電情況進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)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(diǎn)或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

4.2應用場(chǎng)所

       （1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

       （2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機構建筑等）；

       （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè )場(chǎng)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、電視等）；

       （6）交通運輸建筑（機場(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）。

4.3系統結構

4.4系統功能

      1）實(shí)時(shí)監測

      系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

 

      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(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況，即該節點(diǎn)進(jìn)線(xiàn)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(shí)可分析追溯，維護計量體系的正確性。

 

 

      3）詳細電參量查詢(xún)

      在配電一次圖中，當鼠標移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標指針變?yōu)槭中?，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(wú)功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢曲線(xiàn)及24小時(shí)電壓趨勢曲線(xiàn)。

 

      4）運行報表

      系統具有實(shí)時(shí)電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢(xún)界面中能夠自定義需要查詢(xún)的參數、時(shí)間或選擇查詢(xún)更新的記錄數據等，并通過(guò)報表方式顯示出來(lái)。用戶(hù)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(hù)要求導出PDF格式文件。

 

      5）變壓器運行監視

      系統對配電系統總進(jìn)線(xiàn)、主變壓器、重要負荷出線(xiàn)的運行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監視，用曲線(xiàn)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(shí)掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

 

      6）實(shí)時(shí)報警

      系統具有實(shí)時(shí)報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報警窗口，并發(fā)出聲音或語(yǔ)音提醒。

 

      7）歷史事件查詢(xún)

      系統能夠對遙信變位，保護動(dòng)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(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

 

      8）電能質(zhì)量監測

      系統可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量進(jìn)行持續性的監測，運行維護人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)線(xiàn)、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(shí)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。

 

      9）遙控操作

      系統支持對斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)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(dòng)生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時(shí)間、操作類(lèi)型等。實(shí)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。

 

      10）用戶(hù)權限管理

      系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)的操作（如配電回路名稱(chēng)修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)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。

 

      11）通訊狀態(tài)圖

      系統支持實(shí)時(shí)監視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構；可在線(xiàn)診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò )異常時(shí)能自動(dòng)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(shí)時(shí)掌握現場(chǎng)各設備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

 

      12）視頻監控

      視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

 

      13）用戶(hù)報告

      用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)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(jìn)行統計分析。

 

      14）APP支持

      電力運維手機支持“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(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)等。

 

4.5系統硬件配置

 

 

      電能管理系統的成功運行，提高了水泥工廠(chǎng)的自動(dòng)化、智能化和信息化水平。企業(yè)人員在熟悉使用系統的過(guò)程中，也在不斷提升自身的管理水平和生產(chǎn)水平，通過(guò)實(shí)時(shí)的能耗分析和預警，達到了節能降耗的目標，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。目前，新型智慧型工廠(chǎng)的設計方案已普遍采用此類(lèi)系統，相信這類(lèi)系統也會(huì )逐漸應用在今后傳統工廠(chǎng)的節能改造項目中，并且為各個(gè)水泥廠(chǎng)帶來(lái)越來(lái)越多的經(jīng)濟效益。。

 

【1】諸曉進(jìn)，吳行秋.水泥項目電能管理系統的基本設計與實(shí)現.

【2】俞岳燦.信息化在水泥廠(chǎng)電能管理方面的幾點(diǎn)應用[J].水泥工程，2013（6）：84-86.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05