浅谈配电能效管理系统在水泥工厂的应用
摘要：介绍了电能管理系统在越南西宁水泥厂的应用配置与系统的功能特点，将智能的电能仪表通过总线通讯到DCS系统中，并经其转换到生产管理系统中，*实现了管理与控制的有机结合，将电能管理提高到一个新的阶段。
关键词：电能管理；总线桥；DCS；管理系统
0前言
水泥企业是用能大户，以吨水泥电耗90kWh测算，电力成本占成品比例高达24%，降低电费成本对于经济生产和节能减排都具有重要意义。目前大部分水泥厂均已经建立了能源管理机制，但电能的计量还是以人工抄表为主，对于现代化的企业管理已十分滞后。
在越南西宁水泥厂根据EPC合同配置了电能管理系统，这套系统涉及自动化控制的四个层次，即现场设备层、过程控制层、过程操作层和工厂管理层，提高了企业的管理水平和经济效益。
1电能管理系统的构成
1.1一次检测仪表
选用智能型的具有通讯功能的电力监测仪表，不仅有电流、电压、功率、电量、功率因数等多种检测功能，同时还具有MODBUS通讯数据远传通讯功能。电能仪表型号为PD194Z系列电量表。同时还将ABBREX521系列中压综合保护器接入系统，采集馈电与控制回路的电能电量和其他电能信息以及中压真空断路器的运行状态等。通讯网络为MODBUSRTU，介质为RS485双绞线，传输速率设定为9600bps（可更高）。节点平均数量为10~20个。节点为中压柜的进馈电回路以及重要的低压进馈电回路。
1.2现场通讯网络
现场仪表的通讯网络为MOD-BUS，而DCS底层网络为PROFIBUSDP，不能直接将电能信息读入DCS系统。为了顺利接收MODBUS总线的通讯数据，系统配置了总线桥，型号为PB-B-MODBUS。其在PROFI-BUSDP总线一侧做PROFIBUS从站；在MODBUS一侧既可做MOD-BUS主站，也可以做MODBUS从站。为了顺利读取MODBUS总线数据，其在MODBUS一侧设置为MODBUS主站。在MODBUS侧可以连接多个子站，并读取不同子站的不同地址。对于同一子站同时还可以配置不同的数据地址进行多次读取。接口通过PROFIBUS通信数据区和MOD-BUS数据区的数据映射实现PROFI-BUS和MODBUS的数据透明通信。PROFIBUS从站采用PROFIBUS-DP/V0协议，波特率自适应，*波特率12M；输入/输出数量可自由设定，*PROFIBUS输入/输出为232bytes；MODBUS主站支持01H、02H、03H、04H、05H、06H、0FH、10H号功能，能够顺利读取现场的电能表计和中压综保的数据，并具有写入功能。
1.3数据采集与处理部分
这部分内嵌至DCS系统内部，利用DCS系统的强大功能，对现场仪表的通讯数据进行处理。通过GSD文件将总线桥的驱动导入DCS系统中，从而根据设备的不同地址读取相应的电流、电量、功率、功率因数以及中压断路器的运行、保护状态等等。现场数据经总线桥读入DCS系统后，将相应的数据显示在用户界面上（HMI）。同时根据实时产量可计算出实时电耗，供操作员操作参考。
1.4上层通讯网络
上层通讯网络负责DCS系统与管理系统的通讯。将电能数据存储于管理系统的数据库，同时将生产数据也一并存储于数据库，以便进行累积以及单位能耗的计算。DCS系统与管理系统通讯接口采用OPC。通讯为高速以太网。
1.5管理系统与关系数据库
由于DCS系统处理历史数据的能力有限，电能管理系统的数据*终存储于外部的数据库中，以便长期保存和比较与统计。关系数据库采用微软的SQLserver。同时根据系统情况配置的数据服务器.
1.6数据报表和HMI人机界面
成品数据以EXCEL格式和ASPWEB发布的形式提供给相关人员或部门，同时在DCS系统中也有相应的链接，使操作员也能够查询到电能信息，可以方便地进行查询和报表输出，为生产决策提供依据（见图1）。
2系统的主要功能
（1）根据需要实时读取并记录电力仪表的电流、电压、功率、电量、功率因数等多种检测数据。
（2）实时计算并显示石灰石、生料、熟料、水泥等产品的单位电耗。
（3）计算各生产车间、工序的生产、消耗日、月等电量。
（4）图形报表的生成和报表的定时输出。
（5）历史报表的调用。
3电能管理系统的特点
（1）*实现了电力仪表的自动化管理。
（2）和传统的电力系统电能管理比较，引入了生产产量，能够实时计算生产电耗。
（3）与DCS系统融合，不再是孤立的后台保护系统，充分利用了DCS系统的强大功能，减少了系统的硬件投资。
（4）总线技术的应用，使通讯和电气接线更加便捷，也大大节约了安装成本。
（5）可以轻松地实现数据对比，从而有效地进行避峰节能，降低生产成本。
（6）OPC技术的应用实现了通用数据库与DCS系统的双向通讯系统，既可以读取DCS生产的实时数据，也可以将管理系统数据送入DCS系统。
4安科瑞电能管理系统
4.1概述
用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，*推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。
Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升*提供准确的数据支撑。
4.2应用场所
（1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；
（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；
（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；
（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；
（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据*等）；
（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。
5系统结构
6系统功能
6.1实时监测
系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。
6.2电能统计报表
系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。
6.3详细电参量查询
在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相有功功率、无功功率、功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。
6.4运行报表
系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、*时间或选择查询*近更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。
6.5变压器运行监视
系统对配电系统进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。
6.6实时报警
系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等*发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。
6.7历史事件查询
系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
6.8电能质量监测
系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。
6.9遥控操作
系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。
6.10用户权限管理
系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同*别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
6.11通讯状态图
系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。
6.12视频监控
视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。
6.13用户报告
用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。
6.14APP支持
电力运维手机支持“监控系统"、“设备档案"、“待办事项"、“巡检记录"和“缺陷记录"五大模块，支持一次图、需量、极值、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。
7系统硬件配置
应用场合 | 型号 | 图片 | 功能 |
电能管理软件 | Acrel-3000WEB |
| Acrel-3000WEB电能管理软件全方监视用户配电系统的运行状态和电量数据，为用户提供更好的运维服务。平台提供用户概况、电力数据监测、电能质量分析、用电分析、日/月/年用能数据报表、异常事件报警和记录、运行环境监测等功能，并支持多平台、多终端数据访问。 |
智能网关 | Anet-2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPCUA等协议的数据接入，ModbusT-c(主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持不同协议向多平台转发数据;输入电源:AC/DC22ov，导轨式安装。 |
ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104(主、从）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模块）输入电源:DC12V~36V.支持4G扩展模块，485扩展模块。 | |
ANet-485 | M485模块:4路光耦隔离RS485 | ||
ANet-M4G | M4G模块:支持4G全网通 | ||
35kV/10kV/6kV微机保护装置 | AM6系列 |
| 35kV及以下配电系统线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等保护。 |
35kV/10kV/6kV弧光保护 | ARB5-M |
| 主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，弧光保护<8组）、失灵保护(4组）、TA断线监测（4组）、非电量保护、装置故障告警 |
ARB5-E | 扩展单元，*多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号 | ||
ARB5-S |
| 弧光探头，建议安装地点包括（但不*于）断路器室、电缆室、母线室，可面板开孔安装，亦可支架式安装。弧光探头的检测范围是一个角度为180°，半径0.5m的扇形区域。 | |
35kV/10kV/6kV进线柜电能质量在线监测 | APView500 |
| 装置1024点波形采样，集谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体，能够满足110kV及以下供电系统电能质量监测的要求。 |
35kV/10kV/6kV间隔智能操控、节点测温 | ASD500 |
| 液晶屏显示一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温湿度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮、预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4~20mA输出 |
35kV/10kV/6kV传感器 | ATE400 |
| 合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃;传输距离空旷150米 |
35kV/10kV/6kV间隔电参量测量 | APM830 |
| 三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos），零序电流In，四象限电能，实时及*需量，本月和上月极值，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示 |
高压重要回路 或低压进线柜 | APM810 |
| 三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序电流In，四象限电能，实时及*需量，本月和上月极值，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE)各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示 |
AEM96 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31次分次谐波及谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率)﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S*,无功电能精度2* | |
ADW300/4G |
| 三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及畸变测量当月及上三月的电压、电流、功率极值记录;*需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持4路开关量输入、2路开关量输出;支持4路测温;支持1路剩余电流测量;支持本地显示及按键设置;有功电能精度1*。通讯方式:支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯;WIFI通讯 | |
0.4kV出线 | AEM72 |
| 三相电参量U、I、P、0、s、PF、F测量，正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31次分次谐波及谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S*.无功电能精度2* |
DTSD1352 |
| 三相电参量u、I、P、Q、s、PF、F测量，分相正向有功电能统计，正反向有功电能统计，正反向无功电能统计﹔红外通讯;电流规格:经互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功电能精度0.5S*，无功电能精度2*。 | |
ACR120EL |
| LCD显示、全电参量测量(U、1、P、Q、PF、F);四象限电能计量;RS485/Modbus;可选复费率电能统计、*需量统计;4DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus协议 | |
照明箱 | DDSD1352 |
| 单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;红外及RS485通讯;电流规格:10(60）A，有功电能精度1*，无功精度2*;可选配复费率 |
DDS1352 |
| 单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;RS485通讯;电流规格:10(60)A，有功电能精度1*，无功精度2*;尺寸:1P | |
电流互感器 | AKH-0.66/K型 |
| 开口式电流互感器 |
8结语
采用总线桥技术，将两种不同的总线通讯连接到一起，将现场的多功能电力仪表接入DCS系统，通过DCS系统的强大处理功能进行数据转换和通讯处理，再通过OPC技术将电能数据预生产数据传送到管理系统数据库中，为生产管理提供了实时和准确的信息，是传统的人工抄表和单一的电力后台软件不可比拟的。融合的电能管理系统势必成为电能管理和DCS系统集合的新趋势，为工厂的节能减排和绿色生产提供有力的技术支持.
参考文献：
[1]PD194Z系列液晶多功能网络电力仪表用户手册[K].江苏:江阴长江斯菲尔电力仪表有限公司.
[2]PB-B-MM_V3X产品手册现场总线PRO-FIBUS（）技术资格*
[3]OPCDataAccessCustomInterfaceStandardVersion2.0
[4]邹建.深入浅出SQLserver2000开发、管理及应用实例[M].北京:人民邮电出版社，2011.
[5]艾军.电能管理在水泥厂的应用
[6]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.
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