上海夏普电器低压配电网络的改造及电能管理系统的实现

    摘要：本文介绍基于Acrel-3000电能管理组态软件和ACR120EFL多功能电力仪表设计并实现了一套分散式采集和集中控制管理的工厂电能管理系统。系统实现了微机在监控中心无人管理的功能，主机作为Web服务器，局域网用户只需使用IE浏览器即可对电能管理系统访问，提高了供电质量和管理水平，具有简明实用、投资少等优点。

    1   项目概述

    上海夏普电器是由上海广电(集团)公司、上海广电信息产业股份有限公司、日本夏普株式会社、日本三菱商式株式会社、日本夏普电子技术公司(美国销售公司)共同投资1.5598亿美元组建的综合家用电器合资企业。公司成立于一九九二年六月，地处上海浦东新区金桥出口加工区，是第一家入驻浦东的大型家电合资企业。

    上海夏普电器现在分为两个厂区，新厂主要生产洗衣机和冰箱等电器，老厂主要生产空调设备。原先厂区的配电室内安装的电力仪表主要为指针式，且多为电流和电压表，工厂对于所生产产品的耗能情况只是在总量上有个统计，而对于每个回路设备的耗能情况没有做到详细的统计，这对于工厂下一步推进企业节能降耗工作带来了诸多不便。通过这次对上海夏普电器公司各配电室内老式电力仪表的更新改造，拆除原先指针式电流电压表，安装上海安科瑞电气股份有限公司的ACR120EFL多功能电力仪表，使得工厂能够对全厂的产品耗能情况做到更加精细化的预算和管理，为企业的推进节能降耗打下基础。

    2 用户需求

    电能监测要求精确到办公区和每条生产线的主要用电设备，如生产线的注塑机、冷却泵、冲床和办公区的照明、热泵、电梯等设备。在时间上需要从年度到每季度、每月、每周、每天，将每个重要用电环节的电能消耗与产量产值的关系清晰呈现出来，并且与每条生产线、班组乃至个人的绩效考核结合起来，真正做到电能管理的精细化和全面化，将节能降耗工作落到实处。

    按照上海市电网两部制分时电价规定对全厂用电进行分时段计量。通过电能管理软件合理制定重要用电设备的用电计划，将设备用电计划落实到生产班组和个人。将计划用电界面通过工厂现有局域网进行Web发布，使得设备管理人员通过图表、曲线、报表等软件功能及时监测到设备运行和电能消耗情况，将节能意识从工厂管理层渗透到基层。

    3 设计方案

    3.1  主要设计参考标准

    DL 448-91     《电能计量装置管理规程》

    DL/T 814-2002    《配电自动化系统功能规范》

    DL/T448-2003          《电能计量装置技术管理规程》

    ISO/IEC11801        《国际综合布线标准》

    GBJ232-82             《电测量仪表装置设计技术规程》

    3.2  厂区配电回路电表改造平面图

    3.3  改造回路确定

    根据夏普工厂配电系统的现有情况和用户需求分析，确定需要进行改造的配电柜回路（部分）如下表：

    3.4  系统结构设计

    系统通过安装在工厂电网中主要受电点和枢纽配电柜中的电能监测仪表采集到配电网的各项电力参数信号，再将信号转换为数据传输到计算机中，计算机对数据进行存储、计算和分类存储到数据库中，然后通过计算软件将电能以报表、图表的形式进行展示。电能管理人员可通过计算机看到电能的输入、传输、消耗的全过程。

    整个电能管理系统采用分布式结构，按功能或区域进行划分，模块化设计。整个系统分为三层，即现场层、中间层、主控层。

    现场层主要任务是将现场的各种配电系统的运行参数进行采集和测量，并将采集和测量的各种数据传输给监控系统。中间层位于现场层与主控层之间，采用高性能、嵌入式通讯服务器。通讯服务器负责把现场层仪表采集的数据经过网络通信联接、数据交换上传到主控层，是主控层与现场层的桥梁。主控层主要设置工业计算机，是人机交互层。

    主要功能为：一次主接线图界面显示；事件记录，系统运行异常监测；故障报警及操作记录；电能报表查询与打印；系统负荷、用户权限管理等主要功能；当前月用电计划设定，超计划报警；功率越限报警。

    整个系统采用网络分布式结构，网络拓扑结构如下图。监控主机位于办公楼二楼的环境品质检测部，数据采集主要划分为三个区，洗衣机生产回路设备、冰箱生产回路设备和老厂空调生产回路设备。电力仪表的通讯为485总线结构，将信号通过屏蔽双绞线传输到数据采集器，数据采集器连入厂区的局域网中。

网络拓扑图

    间隔层主要的设备为： ACR120EFL网络电力仪表、开关量、模拟量采集模块和智能断路器等。这些装置分别对应相应的一次设备安装在电气柜内，这些装置均采用RS485通讯接口，通过现场MODBUS总线组网通讯，实现数据现场采集。

    通讯层主要为：通讯服务器，其主要功能为把分散在现场采集装置集中采集，同时远传至站控层，完成现场层和站控层之间的数据交互。

    站控层：设有高性能工业计算机、显示器、UPS电源、打印机、报警蜂鸣器等设备。监控系统安装在计算机上，集中采集显示现场设备运行状况，以人机交互的形式显示给用户，同时用户可以通过系统软件发送指令至现场设备，实现远程遥控功能。

    ACR120EFL网络电力仪表采用RS485接口和MODBUS-RTU通讯协议，RS485采用屏蔽线传输，一般都采用二根连线，接线简单方便；通讯接口是半双工通信即通信的双方都可以接收、发送数据但是在同一时刻只能发送或接收数据，数据最高传输速率为10Mbps。RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰能力增强，总线上允许连接多达32个设备，最大传输距离为1.2km。

    3.5  电能管理软件设计

    软件开发平台采用Acrel-3000电能管理组态软件。该组态软件是对现场电力参数进行采集与过程控制的专用软件，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如趋势曲线、报警等）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以缩短自动化工程师的系统集成的时间，提高集成效率。

    该系统实施后，实现了各类用电设备的一次系统图显示、各回路实时电参量遥测、重要回路电能报表、以及进线回路的负荷用电趋势、重要回路的分合闸报警、用户权限管理等功能，软件运行界面见下图。

    上图为动力房BT1、AT1变压器室低压一次配电示意图，功能有电量遥测主要监测运行设备的电参量，其中包括：三相线电压，电流，功率，电能等电参量及配出回路的三相电流；遥信功能实现显示现场设备的运行状态，主要包括：开关的分、合闸运行状态和通讯故障报警；断路器变位时会发出报警信号，提醒用户及时处理故障。

    图上各个断路器图形，如果是红色说明此分支断路器合闸母线有电，如果是绿色说明断路器分闸母线无电。

    通过详细电参量界面，可查看各回路设备的实时详细电参数，如电压、电流、功率、功率因数、电能等，使用户在监控值班室内就可实时观察到每一个用电设备的运行参数。如上图所示。

    在电流功率趋势曲线界面，可以查看某一具体用电设备的电流趋势曲线和功率趋势曲线，通过电流趋势曲线用户可以查看到某段时间内的设备运行最大电流以及该峰值电流的发生时刻，还可查看到该段时刻内三相电流的平均值，为设备的维护和制定合理的用电计划提供了可靠的数据依据。运行界面如下图所示。

    通过汇总图表分析功能，用户可以查看设定时间段内分类汇总的空调、冰箱和洗衣机的汇总用电量，并以柱状图或者饼图的方式直观显示出来。也可以更进一步的查看各分类用电设备中每一台设备的任意时段用电量，并以柱状图显示，确定高耗能设备。

    本软件还根据客户的要求和使用习惯设计了计划用电功能。在计划用电界面显示了各个回路当月实时用电量，用户可以对本月各个设备制定计划用电量，如超出设定的计划值就会弹出报警窗口提示用户。进度条显示了本月实时用电数达到计划用电数的百分比，让用户能随时掌握每台设备的用电情况。通过该界面还可以对每个回路的功率上限进行设定，超过这个设定值会弹出报警窗口提示用户，通过报警查询功能可以查看历史报警记录。界面如下图。

系统特点

    画面显示直观，数据刷新快，同时系统操作简便，用户不需复杂的配置即可使用，系统功能模块丰富，各种功能可根据用户的需求灵活配置，系统的设计快捷方便，能够满足以后的系统升级扩容。

    4 运行效果

    系统自2011年7月正式投入运行，经过一个月的数据采集通过电能管理软件分析，发现工厂有28%的电能消耗在22台空压机和29台注塑机上，且这些机器的电能消耗76%是在峰时段内发生的。工厂环境品质管理部门根据分析结果及时调整班组生产计划，优化生产线工艺流程，成功的使得空压机、注塑机的电能消耗70%发生在平时段和谷时段。仅此一项在2011年9月至12月间就为工厂节约电能支出约6万元。夏普电器电能管理系统的实现总计花费51万元，自运行以来保守计算月节约电能支出1.5万元，投资回报期为34个月。

    总的来说电能管理系统和安科瑞网络电力仪表的综合应用，具有实施简明，投资少等显著优点，可以方便和实时地监控配电系统的运行状态，对现场的用电设备进行统一管理，免去工作人员到现场记录的繁琐工作，系统对各种用电设备的历史运行数据和状态进行管理分析，便于维护人员明确设备状况，制定详细的设备维护计划，减少工作人员，提高效率。同时，根据建立的电能计量体系，可以了解、分析工厂生产总体能耗，提出降耗计划，采取节能降耗措施，逐步提高用电效率。

    参考文献

    任致程、周中编著  电力电测数字仪表原理与应用指南 中国电力出版社 2007.4<