韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

 

摘 要：基于車(chē)間用電設備的電能管理系統架構思路及實(shí)施方法，從硬件和軟件方面對此方法進(jìn)行了闡述。對車(chē)間舊設備改造以及新的電能管理系統提供一種思路和便捷的方法。 

關(guān)鍵詞：電能管理系統；多功能電力儀表；PLC；組態(tài)軟件

 

      目前，大多數車(chē)間的用電數據都是通過(guò)車(chē)間配電室成套開(kāi)關(guān)柜上的電力儀表進(jìn)行計量，往往一臺開(kāi)關(guān)柜所帶的用電設備很多，而電力儀表所計量的是多臺設備的總電能數據，計量并分析單臺設備的用電數據成為難題。本文提供了一種思路和方法，用于對車(chē)間的用電設備進(jìn)行低成本改造，僅需在設備端增加電流互感器和多功能電力儀表，與中控室的上位機組態(tài)軟件組成電能管理系統，用于對車(chē)間用電設備的用電檢測及耗電數據的記錄與分析，以便及時(shí)發(fā)現耗電多的設備和異常狀態(tài)的設備，為全廠(chǎng)的節電和管理者的決策管理提供數據支撐。本文介紹兩種方法組建車(chē)間設備電能管理系統。方法一：通過(guò)在設備端增加電力儀表及互感器，通過(guò)多功能電力儀表自帶的通訊口，一般為RS232或RS485接口，進(jìn)行組網(wǎng)通訊，實(shí)現電力數據的采集，通過(guò)上位機軟件實(shí)現電力數據的顯示和存儲。方法二:針對由PLC或其他可編程控制器控制的設備，利用控制器自帶的通訊接口與多功能電力儀表組網(wǎng)通訊，將電力儀表的數據讀入控制器，由控制器將電力數據發(fā)送位機, 在上位機上進(jìn)行顯示和存儲。方法二的特點(diǎn)：一是便于直接在控制器內進(jìn)行電力數據的換算計算;二是如果本地和遠程都有上位機，則可以實(shí)現本地與遠程數據的顯示和存儲。

 

      圖1所示為方法一對應的系統框圖。對每臺設備增加電流互感器和多功能電力儀表，通過(guò)多功能電力儀表采集設備的電流電壓，多臺多功能電力儀表通過(guò)RS485總線(xiàn)連接，接至串口服務(wù)器（串口轉以太網(wǎng)服務(wù)器），將串口服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)接至多網(wǎng)口交換機,再連接工控機。圖2為單臺多功能電力儀表電氣原理圖,負載為一臺變頻器驅動(dòng)的電機。三相電經(jīng)空開(kāi)接至變頻器輸入端，T1、T2、T3為電流互感器 ，接至該電力儀表的電流檢測輸入端。通過(guò)從三相母線(xiàn)上取電結點(diǎn)，再經(jīng)熔斷器接至該電力儀表電壓檢測輸入端。電力儀表的報警輸出立而口接中間繼電器KA1線(xiàn)圈，利用中間繼電器KA1的常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)實(shí)現過(guò)電壓過(guò)電流等實(shí)時(shí)報警功能。該電力儀表的RS458接口通過(guò)通訊線(xiàn)纜與其他多功能電力儀表的RS485接口連通，共同組成RS485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)MODBUS RTU協(xié)議實(shí)現數據的遠程通訊功能。

圖1 方法一系統框圖

      完成硬件布置后，需對軟件進(jìn)行設置。軟件設置包括對串口服務(wù)器進(jìn)行設置，設置好串口服務(wù)器的虛擬串口號、IP地址、通訊方式等；在組態(tài)軟件中建立與電力儀表對應的多臺通訊設備，并設置通訊方式、校驗方式、地址、波特率等,再建立相應寄存器變量，從而獲取電力儀表中的數據。在組態(tài)軟件界面中可對獲取到的數據進(jìn)行顯示并繪制成曲線(xiàn)、棒狀圖或餅狀圖等。電力儀表電氣原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 電力儀表電氣原理圖

 

      對于PLC控制的設備，利用PLC的通訊端口，與多臺多功能電力儀表建立通訊，通過(guò)PLC讀取電力儀表的電壓電流等數據，同時(shí)PLC分別與現場(chǎng)觸摸屏和中控室的工控機建立通訊，可將電流電壓等數據進(jìn)行本地觸摸屏的顯示和存儲以及遠程工控機上的顯示和存儲。圖3為方法二對應的系統框圖。利用PLC的RS485接口與多臺電力儀表組網(wǎng) 通訊,PLC的另一個(gè)RS485通訊口與現場(chǎng)觸摸屏連通，通過(guò)PLC的以太網(wǎng)口和中控室工控機通訊。利用PLC的兩個(gè)RS485口通訊，須注意其主從關(guān)系：PLC相對于多功能電力儀表，PLC為主站，電力儀表為從站;PLC相對于觸摸屏, PLC為從站, 觸摸屏為主站。

圖3 方法二系統框圖

 

      采用SMART 200 PLC編寫(xiě)梯形圖子程序[2],對兩臺多功能電力儀表通過(guò)MODBUS RTU通訊協(xié)議實(shí)現電力數據的讀取，PLC作為MODBUS RTU的主站，兩臺電力儀表作為從站。圖4為程序段一，第一個(gè)掃描周期先對各狀態(tài)位復位，然后調用MBUS_CTRL指令完成初始化，設置好通訊模式、波特率、校驗方式、端□號、超時(shí)時(shí)間等。

圖4 程序段一

      圖5程序段二首先對第一臺電力儀表調用MBUS_MSG指令啟動(dòng)對從站的請求并處理響應。設置好從站的地址、讀寫(xiě)模式、需要讀取的寄存器起始地址、需要讀取的寄存器數量以及PLC內部存儲數據的V寄存器地址指針。每隔0.5s對兩臺電力儀表進(jìn)行一次數據讀取。

圖5 程序段二

      圖6 程序段三在對第一臺電力儀表數據完成讀取后 ，再對第二臺電力儀表進(jìn)行數據讀取。同樣調用MBUS_MSG指令完成讀取。當子程序編與完成后，在PLC的主程序中調用該子程序即可。

圖6 程序段三

      以上選用了較為常用的SMART 200 PLC作為主控制器，通過(guò)梯形圖編程實(shí)現與兩臺多功能電力儀表的通訊。不同品牌的PLC實(shí)現與電力儀表通訊所調用的指令不同，但原理相似，可參考本例實(shí)現其他品牌PLC對電力儀表的數據讀取。

 

      電力儀表內部會(huì )對功率和電度數進(jìn)行計算，可直接在電力儀表上查看功率和電量, 或將該數據通訊位機查看。對于有些感性負載，電力儀表內部算法依照的功率因數往往與負載不匹配,其計算出的功率和電量也與實(shí)際有較大誤差。針對此缺點(diǎn)，可以在上位機上根據電壓電流等數據通過(guò)軟件編程 ，計算出實(shí)時(shí)功率（有功功率）和累計電度數(有功電量），與電力儀表的內部數據進(jìn)行對比。觸摸屏和組態(tài)軟件一般都有循環(huán)執行策略(腳本），可根據公式(1)和公式(2), 利用上位機定時(shí)循環(huán)執行腳本程序，對功率和電量進(jìn)行計算。

例如通過(guò)力控組態(tài)軟件對三相電爐的功率和電量進(jìn)行計算，根據負載的類(lèi)型、接線(xiàn)方法,選擇合適的功率因數，編寫(xiě)如下程序：

//有功功率計算(單位kW)

區域1單元1\PowerZ1.PV=區域1單元1\Z1_UaH.PV*區域1\單元1\Z1_laH.PV/1000+區域1\單元1\Z1_UbH.PV* 區域1單元1\Z1_lbH.PV/1000+區域1\單元1\Z1_UcH.PV*區域1單元1\Z1cH.PV/1000;

區域1單元1\PowerZ2.PV=區域1單元1\Z2_UaH.PV*區域1\單元1\Z2_laH.PV/1000+區域1\單元1\Z2_UbH.PV* 區域1單元 1\Z2_lbH.PV/1000+區域1\單元1\Z2_UcH.PV*區域1單元1\Z2_lcH.PV/1000;

//有功電量(單位KWh)

區域1\單元1\EnergyZ1.PV=區域1\單元1\Ener-gyZ1.PV+區域1\單元1\PowerZ1.PV/3600;

區域1\單元1\EnergyZ2.PV=區域1\單元1\Ener-gyZ2.PV+區域1\單元1\PowerZ2.PV/3600;

循環(huán)策略設置為：每循環(huán)2s,進(jìn)行一次實(shí)時(shí)功率計算；每循環(huán)3s,將計算出的實(shí)時(shí)功率除以 

3600并進(jìn)行累加得到電度數。因大多負載不是恒功率運行,如果需提高計算精度，可減小循環(huán)時(shí)間，即提高采樣次數。

 

      在上位機可通過(guò)表格、曲線(xiàn)、棒狀圖、餅狀圖等形式對數據進(jìn)行記錄和顯示。圖7為利用力控組態(tài)軟件繪制的電力儀表盤(pán)界面，直觀(guān)地顯示了電力實(shí)時(shí)數據,并通過(guò)表格控件實(shí)現實(shí)時(shí)數據查看和歷史數據查詢(xún)的功能。圖8為電力數據實(shí)時(shí)曲線(xiàn)和歷史曲線(xiàn)查詢(xún)界面。圖9為用電量餅圖和棒狀圖分析界面。

圖7 電力儀表盤(pán)界面

圖8 歷史曲線(xiàn)界面

圖9 餅圖和棒圖界面

 

      在施工中,多功能電力儀表的通訊線(xiàn)纜須使用屏蔽雙絞線(xiàn),且屏蔽層單端可靠接地。盡量避免通訊線(xiàn)纜與動(dòng)力線(xiàn)纜在同一線(xiàn)槽或橋架敷設，可將通訊線(xiàn)纜穿KGB線(xiàn)管單獨敷設且將線(xiàn)管單端可靠接地。對于某一區域的多臺用電設備，將其分別對應的多臺電力儀表通過(guò)RS485總線(xiàn)進(jìn)行菊花鏈拓撲結構連接,即手拉手連接方式，接至串口轉以太網(wǎng)服務(wù)器,然后由串口服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)連接至中控室交換機。建議屏蔽雙絞線(xiàn)總長(cháng)不易過(guò)長(cháng)，如果總長(cháng)超過(guò)30 m加一個(gè)串口服務(wù)器，通過(guò)增加以太網(wǎng)總線(xiàn)的長(cháng)度,減少RS485總線(xiàn)長(cháng)度來(lái)保證數據傳輸的速度和穩定性。注意互感器和電力儀表連線(xiàn)時(shí)勿在負載帶電運行的同時(shí)將電流互感器進(jìn)行開(kāi)路接線(xiàn)。多臺電力儀表通過(guò)RS485總線(xiàn)組網(wǎng)時(shí)注意網(wǎng)路終端的電力儀表是否需要加終端電阻。

 

7.1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。

7.2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）。

7.3系統結構

7.4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。

7.5系統硬件配置

 

      本文結合工程實(shí)際提供了一種建立電能管理系統的思路和方法,可在車(chē)間用電設備的控制箱內加裝電流互感器和多功能電力儀表,通過(guò)現場(chǎng)敷設通訊線(xiàn)纜將車(chē)間的用電設備進(jìn)行組網(wǎng)，結合上位機組態(tài)軟件建立電能管理系統。如果在電能管理系統的基礎上再添加用水、用氣等能耗數據則可組成車(chē)間能源管理系統,將獲得的電力數據上傳云端或與MES系統、ERP 系統對接?？傊?，電能管理系統是組建數字化工廠(chǎng)、智慧工廠(chǎng)的一部分。

 

【1】侯冉，徐春風(fēng).基于多功能電力儀表的車(chē)間設備電能管理系統設計

【2】多功能網(wǎng)絡(luò )電力儀表使用手冊[2].鄭州凌鑫電力科技有限公司

【3】SIMATIC S7 S7-200 SMART 系統手冊,V2.4,03/2019[Z].西門(mén)子(中國)有限公司.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

 

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理研究發(fā)展。