上海夏普電器低壓配電網(wǎng)絡(luò)的改造及電能管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

李功

上海安科瑞電氣有限公司，上海 嘉定

摘要：本文介紹基于Acrel-3000電能管理組態(tài)軟件和ACR120EFL多功能電力儀表設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套分散式采集和集中控制管理的工廠電能管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微機(jī)在監(jiān)控中心無人管理的功能，主機(jī)作為Web服務(wù)器，局域網(wǎng)用戶只需使用IE瀏覽器即可對(duì)電能管理系統(tǒng)訪問，提高了供電質(zhì)量和管理水平，具有簡明實(shí)用、投資少等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電能管理軟件；電力儀表；智能配電系統(tǒng)；節(jié)能；夏普電器；應(yīng)用

1   項(xiàng)目概述
    上海夏普電器是由上海廣電(集團(tuán))公司、上海廣電信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司、日本夏普株式會(huì)社、日本三菱商式株式會(huì)社、日本夏普電子技術(shù)公司(美國銷售公司)共同投資1.5598億美元組建的綜合家用電器合資企業(yè)。公司成立于一九九二年六月，地處上海浦東新區(qū)金橋出口加工區(qū)，是第一家入駐浦東的大型家電合資企業(yè)。

上海夏普電器現(xiàn)在分為兩個(gè)廠區(qū)，新廠主要生產(chǎn)洗衣機(jī)和冰箱等電器，老廠主要生產(chǎn)空調(diào)設(shè)備。原先廠區(qū)的配電室內(nèi)安裝的電力儀表主要為指針式，且多為電流和電壓表，工廠對(duì)于所生產(chǎn)產(chǎn)品的耗能情況只是在總量上有個(gè)統(tǒng)計(jì)，而對(duì)于每個(gè)回路設(shè)備的耗能情況沒有做到詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，這對(duì)于工廠下一步推進(jìn)企業(yè)節(jié)能降耗工作帶來了諸多不便。通過這次對(duì)上海夏普電器公司各配電室內(nèi)老式電力儀表的更新改造，拆除原先指針式電流電壓表，安裝上海安科瑞電氣股份有限公司的ACR120EFL多功能電力儀表，使得工廠能夠?qū)θ珡S的產(chǎn)品耗能情況做到更加精細(xì)化的預(yù)算和管理，為企業(yè)的推進(jìn)節(jié)能降耗打下基礎(chǔ)。

2   用戶需求

      電能監(jiān)測(cè)要求精確到辦公區(qū)和每條生產(chǎn)線的主要用電設(shè)備，如生產(chǎn)線的注塑機(jī)、冷卻泵、沖床和辦公區(qū)的照明、熱泵、電梯等設(shè)備。在時(shí)間上需要從年度到每季度、每月、每周、每天，將每個(gè)重要用電環(huán)節(jié)的電能消耗與產(chǎn)量產(chǎn)值的關(guān)系清晰呈現(xiàn)出來，并且與每條生產(chǎn)線、班組乃至個(gè)人的績效考核結(jié)合起來，真正做到電能管理的精細(xì)化和全面化，將節(jié)能降耗工作落到實(shí)處。

  按照上海市電網(wǎng)兩部制分時(shí)電價(jià)規(guī)定對(duì)全廠用電進(jìn)行分時(shí)段計(jì)量。通過電能管理軟件合理制定重要用電設(shè)備的用電計(jì)劃，將設(shè)備用電計(jì)劃落實(shí)到生產(chǎn)班組和個(gè)人。將計(jì)劃用電界面通過工廠現(xiàn)有局域網(wǎng)進(jìn)行Web發(fā)布，使得設(shè)備管理人員通過圖表、曲線、報(bào)表等軟件功能及時(shí)監(jiān)測(cè)到設(shè)備運(yùn)行和電能消耗情況，將節(jié)能意識(shí)從工廠管理層滲透到基層。

3     設(shè)計(jì)方案

3.1 主要設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)

l        DL 448-91                     《電能計(jì)量裝置管理規(guī)程》

l        DL/T 814-2002               《配電自動(dòng)化系統(tǒng)功能規(guī)范》

l        DL/T448-2003          《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》

l        ISO/IEC11801                   《國際綜合布線標(biāo)準(zhǔn)》

l        GBJ232-82             《電測(cè)量儀表裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》

3.2  廠區(qū)配電回路電表改造平面圖

3.3  改造回路確定

根據(jù)夏普工廠配電系統(tǒng)的現(xiàn)有情況和用戶需求分析，確定需要進(jìn)行改造的配電柜回路（部分）如下表：

3.4  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)通過安裝在工廠電網(wǎng)中主要受電點(diǎn)和樞紐配電柜中的電能監(jiān)測(cè)儀表采集到配電網(wǎng)的各項(xiàng)電力參數(shù)信號(hào)，再將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算和分類存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，然后通過計(jì)算軟件將電能以報(bào)表、圖表的形式進(jìn)行展示。電能管理人員可通過計(jì)算機(jī)看到電能的輸入、傳輸、消耗的全過程。

整個(gè)電能管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，按功能或區(qū)域進(jìn)行劃分，模塊化設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)分為三層，即現(xiàn)場(chǎng)層、中間層、主控層。

現(xiàn)場(chǎng)層主要任務(wù)是將現(xiàn)場(chǎng)的各種配電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集和測(cè)量，并將采集和測(cè)量的各種數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)。中間層位于現(xiàn)場(chǎng)層與主控層之間，采用高性能、嵌入式通訊服務(wù)器。通訊服務(wù)器負(fù)責(zé)把現(xiàn)場(chǎng)層儀表采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)接、數(shù)據(jù)交換上傳到主控層，是主控層與現(xiàn)場(chǎng)層的橋梁。主控層主要設(shè)置工業(yè)計(jì)算機(jī)，是人機(jī)交互層。

主要功能為：一次主接線圖界面顯示；事件記錄，系統(tǒng)運(yùn)行異常監(jiān)測(cè)；故障報(bào)警及操作記錄；電能報(bào)表查詢與打印；系統(tǒng)負(fù)荷、用戶權(quán)限管理等主要功能；當(dāng)前月用電計(jì)劃設(shè)定，超計(jì)劃報(bào)警；功率越限報(bào)警。

整個(gè)系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)分布式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖。監(jiān)控主機(jī)位于辦公樓二樓的環(huán)境品質(zhì)檢測(cè)部，數(shù)據(jù)采集主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)區(qū)，洗衣機(jī)生產(chǎn)回路設(shè)備、冰箱生產(chǎn)回路設(shè)備和老廠空調(diào)生產(chǎn)回路設(shè)備。電力儀表的通訊為485總線結(jié)構(gòu)，將信號(hào)通過屏蔽雙絞線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器連入廠區(qū)的局域網(wǎng)中。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

間隔層主要的設(shè)備為： ACR120EFL網(wǎng)絡(luò)電力儀表、開關(guān)量、模擬量采集模塊和智能斷路器等。這些裝置分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的一次設(shè)備安裝在電氣柜內(nèi)，這些裝置均采用RS485通訊接口，通過現(xiàn)場(chǎng)MODBUS總線組網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集。

通訊層主要為：通訊服務(wù)器，其主要功能為把分散在現(xiàn)場(chǎng)采集裝置集中采集，同時(shí)遠(yuǎn)傳至站控層，完成現(xiàn)場(chǎng)層和站控層之間的數(shù)據(jù)交互。

站控層：設(shè)有高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)、顯示器、UPS電源、打印機(jī)、報(bào)警蜂鳴器等設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)安裝在計(jì)算機(jī)上，集中采集顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，以人機(jī)交互的形式顯示給用戶，同時(shí)用戶可以通過系統(tǒng)軟件發(fā)送指令至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。

ACR120EFL網(wǎng)絡(luò)電力儀表采用RS485接口和MODBUS-RTU通訊協(xié)議，RS485采用屏蔽線傳輸，一般都采用二根連線，接線簡單方便；通訊接口是半雙工通信即通信的雙方都可以接收、發(fā)送數(shù)據(jù)但是在同一時(shí)刻只能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾能力增強(qiáng)，總線上允許連接多達(dá)32個(gè)設(shè)備，最大傳輸距離為1.2km。

3.5  電能管理軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)平臺(tái)采用Acrel-3000電能管理組態(tài)軟件。該組態(tài)軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電力參數(shù)進(jìn)行采集與過程控制的專用軟件，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，比如在分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，所有應(yīng)用（例如趨勢(shì)曲線、報(bào)警等）對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的引用方法與引用本地?cái)?shù)據(jù)完全相同，通過“組態(tài)”的方式可以縮短自動(dòng)化工程師的系統(tǒng)集成的時(shí)間，提高集成效率。

該系統(tǒng)實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)了各類用電設(shè)備的一次系統(tǒng)圖顯示、各回路實(shí)時(shí)電參量遙測(cè)、重要回路電能報(bào)表、以及進(jìn)線回路的負(fù)荷用電趨勢(shì)、重要回路的分合閘報(bào)警、用戶權(quán)限管理等功能，軟件運(yùn)行界面見下圖。

上圖為動(dòng)力房BT1、AT1變壓器室低壓一次配電示意圖，功能有電量遙測(cè)主要監(jiān)測(cè)運(yùn)行設(shè)備的電參量，其中包括：三相線電壓，電流，功率，電能等電參量及配出回路的三相電流；遙信功能實(shí)現(xiàn)顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，主要包括：開關(guān)的分、合閘運(yùn)行狀態(tài)和通訊故障報(bào)警；斷路器變位時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶及時(shí)處理故障。

圖上各個(gè)斷路器圖形，如果是紅色說明此分支斷路器合閘母線有電，如果是綠色說明斷路器分閘母線無電。

通過詳細(xì)電參量界面，可查看各回路設(shè)備的實(shí)時(shí)詳細(xì)電參數(shù)，如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等，使用戶在監(jiān)控值班室內(nèi)就可實(shí)時(shí)觀察到每一個(gè)用電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。如上圖所示。

在電流功率趨勢(shì)曲線界面，可以查看某一具體用電設(shè)備的電流趨勢(shì)曲線和功率趨勢(shì)曲線，通過電流趨勢(shì)曲線用戶可以查看到某段時(shí)間內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行最大電流以及該峰值電流的發(fā)生時(shí)刻，還可查看到該段時(shí)刻內(nèi)三相電流的平均值，為設(shè)備的維護(hù)和制定合理的用電計(jì)劃提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。運(yùn)行界面如下圖所示。

    通過匯總圖表分析功能，用戶可以查看設(shè)定時(shí)間段內(nèi)分類匯總的空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)的匯總用電量，并以柱狀圖或者餅圖的方式直觀顯示出來。也可以更進(jìn)一步的查看各分類用電設(shè)備中每一臺(tái)設(shè)備的任意時(shí)段用電量，并以柱狀圖顯示，確定高耗能設(shè)備。

本軟件還根據(jù)客戶的要求和使用習(xí)慣設(shè)計(jì)了計(jì)劃用電功能。在計(jì)劃用電界面顯示了各個(gè)回路當(dāng)月實(shí)時(shí)用電量，用戶可以對(duì)本月各個(gè)設(shè)備制定計(jì)劃用電量，如超出設(shè)定的計(jì)劃值就會(huì)彈出報(bào)警窗口提示用戶。進(jìn)度條顯示了本月實(shí)時(shí)用電數(shù)達(dá)到計(jì)劃用電數(shù)的百分比，讓用戶能隨時(shí)掌握每臺(tái)設(shè)備的用電情況。通過該界面還可以對(duì)每個(gè)回路的功率上限進(jìn)行設(shè)定，超過這個(gè)設(shè)定值會(huì)彈出報(bào)警窗口提示用戶，通過報(bào)警查詢功能可以查看歷史報(bào)警記錄。界面如下圖。

系統(tǒng)特點(diǎn)

畫面顯示直觀，數(shù)據(jù)刷新快，同時(shí)系統(tǒng)操作簡便，用戶不需復(fù)雜的配置即可使用，系統(tǒng)功能模塊豐富，各種功能可根據(jù)用戶的需求靈活配置，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)快捷方便，能夠滿足以后的系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)容。

4          運(yùn)行效果

系統(tǒng)自2011年7月正式投入運(yùn)行，經(jīng)過一個(gè)月的數(shù)據(jù)采集通過電能管理軟件分析，發(fā)現(xiàn)工廠有28%的電能消耗在22臺(tái)空壓機(jī)和29臺(tái)注塑機(jī)上，且這些機(jī)器的電能消耗76%是在峰時(shí)段內(nèi)發(fā)生的。工廠環(huán)境品質(zhì)管理部門根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)調(diào)整班組生產(chǎn)計(jì)劃，優(yōu)化生產(chǎn)線工藝流程，成功的使得空壓機(jī)、注塑機(jī)的電能消耗70%發(fā)生在平時(shí)段和谷時(shí)段。僅此一項(xiàng)在2011年9月至12月間就為工廠節(jié)約電能支出約6萬元。夏普電器電能管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)總計(jì)花費(fèi)51萬元，自運(yùn)行以來保守計(jì)算月節(jié)約電能支出1.5萬元，投資回報(bào)期為34個(gè)月。

總的來說電能管理系統(tǒng)和安科瑞網(wǎng)絡(luò)電力儀表的綜合應(yīng)用，具有實(shí)施簡明，投資少等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以方便和實(shí)時(shí)地監(jiān)控配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的用電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，免去工作人員到現(xiàn)場(chǎng)記錄的繁瑣工作，系統(tǒng)對(duì)各種用電設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行管理分析，便于維護(hù)人員明確設(shè)備狀況，制定詳細(xì)的設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，減少工作人員，提高效率。同時(shí)，根據(jù)建立的電能計(jì)量體系，可以了解、分析工廠生產(chǎn)總體能耗，提出降耗計(jì)劃，采取節(jié)能降耗措施，逐步提高用電效率。

參考文獻(xiàn)

任致程、周中編著  電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南 中國電力出版社 2007.4