电力需求侧管理及智能电力监控技术在水泥行业错峰限电中的应用

    一、 行业用户用电特性分析

    水泥制造隶属于非金属矿物制造业目录下的水泥、石灰和石膏制造业，属于重工业，指以水泥熟料加入适量石膏或一定混合材料，经研磨设备（水泥磨）磨制到规定的细度制成水凝水泥的生产活动。

    该行业日趋大规模生产，其生产工艺流程极具普遍性，无外乎矿石开采、传输～矿石粉碎～回转旋窑烧制～熟料研磨～成品封装，生产性质为三班制连续作业。

    该行业一般都有110kV或220kV变电站（配保安电源）供电，有的还有余热自发电厂，变电站降压后供各分厂。其用电负荷较大，一般在8万千瓦左右乃至更大；生产性质一般为三班制连续作业。

    水泥行业用户设备分类表

    二、 行业用户参与错峰限电能力分析

    1. 该行业用电负荷大且为连续性负荷，不受时段、季节、气候影响。

    2. 该行业紧急错峰限电可快速停用水泥磨机、生料磨机等高耗电用电设备负荷，紧急错峰能力较强，但保窑负荷不能参与紧急错峰限电。

     3. 该行业用户阶段性错峰可以通过安排集中检修和减产等方式开展，如采用集中检修方式，只需保留保窑负荷以及部分生活照明灯等检修设备用电，一般为1000千瓦左右的检修负荷即可；如采用停产方式，可以逐步停开生产线，以降低生产负荷，达到错峰效果。

    三、 行业用户参与错峰限电技术方案

    （一） 缺口等级IV级参与方案

    1. 阶段性错峰：

    执行错峰指令时优先安排部分水泥磨机参与错峰。完成错峰指标的前提下，结合自身生产工艺流程可有选择地在不同时段释放部分设备负荷。

    2. 紧急错峰

    接到错峰指令后需快速投入可限负荷，优先安排空调照明设备，无法满足时安排部分水泥磨机参与错峰，然后根据指令逐步释放负荷恢复正常生产。

    （二） 缺口等级III级参与方案

    1. 阶段性错峰：

    在保证安全的前提下，在执行IV级方案的基础上，在错峰时段内全部水泥磨机和部分生料磨机参与错峰。完成错峰指标的前提下，结合自身生产工艺流程可有选择地在不同时段释放部分设备负荷。

    2. 紧急错峰

    1) 接到错峰指令后需快速投入可限负荷，然后根据指令逐步释放负荷恢复正常生产。

    2) 在执行IV级方案的基础上，接到错峰指令后需快速投入全部水泥磨机限负荷，然后根据指令逐步释放负荷恢复正常生产。

    （三） 缺口等级II级参与方案

    1. 阶段性错峰：

    1) 在保证安全的前提下，在执行III级方案的基础上，在错峰时段内全部水泥磨机、生料磨机以及矿山远距离传输带传送系统参与错峰。完成错峰指标的前提下，结合自身生产工艺流程可有选择地在不同时段释放部分设备负荷。

    2) 对于响应时间慢的矿山远距离传输带传送系统设备需提前做好参与错峰准备，保证所有可限负荷全额全时段参与错峰。

    2. 紧急错峰

    1) 接到错峰指令后需快速投入可限负荷，然后根据指令逐步释放负荷恢复正常生产。

    2) 在执行III级方案的基础上，接到错峰指令后快速投入全部水泥磨机、生料磨机，必要时停运回转旋窑主动力设备，启用辅助传输设备达到限负荷目的。然后根据指令逐步释放负荷恢复正常生产。

    （四） 缺口等级I级参与方案

    1. 阶段性错峰：

    1) 考虑到电力缺口较大，可以安排企业全厂检修，只保留检修设备所需的用电负荷。

    2) 在错峰时段内首先投入可限负荷高，响应时间快的水泥磨机、生料磨机以及回转旋窑主动力设备等可限负荷设备；同时逐步投入响应时间慢的矿山远距离传输带传送系统，保证所有可限负荷全部参与错峰。

    2. 紧急错峰

    在执行II级方案的基础上接到错峰指令后需快速投入水泥磨机、生料磨机以及回转旋窑主动力设备等可限负荷设备限制负荷，然后根据指令逐步释放负荷恢复正常生产。

    四、 行业用户参与错峰限电风险及注意事项

    1. 停用熟料和原料粉磨系统风险及注意事项

    必须提前准备，待所有料排尽后，才能够停机，否则将导致提升机重载情况下无法开机，或者传输斜槽内由于被粉料堵塞，导致再次开机后系统较长时间无法正常传输粉料。准备时间一般需要10分钟。

    2. 矿山远距离传输带传送系统

    必须提前准备，待传送带上所有矿料排尽后，才能够停机，否则将导致提传输带重载情况下无法再次开机。准备时间由传输距离决定，一般不少于30分钟。

    3. 回转旋窑不能够急停，在主动力设备停止后10分钟内要启用回转旋窑辅助传动装置。否则由于回转旋窑长度达到数十米，在急停的情况下将导致窑体变形，内部耐火砖松动脱落，熟料硬化后堵塞窑体等后果。满料情况下需要较长时间（72小时）才能将料排空。

    因此，该行业参与错峰不宜采用强制拉电或遥控设备控制限电，企业应制定有效内部应急预案，主动配合错峰实施，杜绝恶性事故发生，既主动担负社会责任又将损失降到最低。

    新生产线10kV配电系统接线方式为三相四线，两路进线之间设有母联。总降配电系统一次图如下：

    5.2需求分析

    中材萍乡水泥新线先期针对总降变电所各回路进行电度计量，视生产线使用情况决定是否将电能管理系统扩大至生产线各10kV配电系统，新线0.4kV配电系统设计中不做计量功能。

    10kV总降配电室有10kV开关柜27台，其中19个回路需要做电度计量，而两台主变10kV和110kV侧及110kV总进线这5个回路需要单独做电度计量。

    3个备用回路将来可能改成余热利用发电，需计量反向电度。

    用户每两小时做一次生产用电量记录，按照每天早中晚三班进行考核，早班时间为8：00am~4:00pm，中班为4:00pm~12:00pm，夜班为0：00am~8:00am。每周将总降变电所数据与生产线配电室数据比对一次，每月与供电局提供的耗电数据比对，以此作为考核各班组产能能耗的依据。

    5.3 系统结构

    整个系统采设计了一套Acrel-3000电能管理系统，采用分层分布式结构，即现场设备层、网络管理层、监控管理层，如图1所示:

    本项目中，通过在总降10kV开关柜上安装安科瑞电气股份有限公司ACR320E系列多功能电力仪表来实现变电所各回路电度计量。另由珠海万利达在总降二楼中控室使用与开关柜同型号仪表组电度表屏用以计量新线110kV进线、1#2#主变高压侧及低压侧的正向有功、无功电度。此外，在原料磨、水泥磨、窑头、窑尾、石灰石破碎等处生产线配电室10kV开关柜上也装有ACR320E系列仪表。电能管理系统先期只将总降配电室和中控室的多功能仪表进行后台组网，即现场设备层由总降配电室和中控室内所有ACR320E系列仪表组成。现场仪表采用屏蔽双绞线RVVSP2*1.0作为RS485总线的传输介质，每一根485总线上挂接的仪表设备数量不超过20台，线路总长不超过100米，以此保证数据链路的稳定性。本项目中，24块仪表分成2路，即配电室的19台仪表和中控室的5台仪表分别通过一根485总线与后台系统通讯。

    因先期系统较小，通讯管理层设备选取了Korenix所产的4口串口服务器Jetport5604I，可以同时集成4路RS485总线并带有光电隔离功能。串口服务器安装在中控室网络机柜中，通过工业以太网TCP/IP协议与站控管理层连接，以太网传输介质为超五类STP屏蔽线。本项目中预留了工业网络交换机以备今后系统扩容。

    站控管理层主要设备是DELL的工作站、山特1KVA的塔式UPS电源以及惠普的A4幅面打印机，操作系统软件Windows XP SP3，电能管理系统软件为Acrel-3000系列产品。

    本项目全部设备均使用有线式连接，通讯组网施工于新线生产线启动前完成，在试运行期间完成系统调试，电能管理系统于2011年12月与生产线同时投运。

    5.4系统功能

    数据采集与管理

    配电需要的数据采集主要通过ACR320E网络多功能仪表、PT、CT等装置，将现场各用电设备的运行参数，包括：电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、有功电度等遥测信息及断路器分合闸状态等遥信状态进行采集。仪表均通过485总线连接至智能通讯服务器，并通过以太网接口接入至电能管理主机ACR320E网络多功能仪表采用RS485接口和MODBUS-RTU通讯协议，RS485采用屏蔽线双绞线传输，接线简单方便；通讯接口是半双工通信，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。

    信息处理

    对信号采集系统所采集实时数据进行统计、分析、计算，将数据进行定时存储。对同用电单位不同时期、不同用电单位同一时期用电量进行统计；作为电费的管理平台，与实际发生电费进行比较；根据移动油机发电量，对消耗燃油进行估算。

    清晰的反映全厂各个部门的用电构成，建立标杆部门，通过与标杆部门的比较，发现偷电、漏电、长明灯、未使用设备下电等环节；对不同的节能方案节能效果的评估，有利于有针对性地选择节能措施，还可以作为合同能源管理项目的计量系统；

    电能报表实现了实现了所有电能数据的按时间查询，分为分钟、小时、日、月年等五种类型；

    电能汇总表，所有监控设备电能汇总，按时间段查询，自动计算任意时段用电量；

    打印及导出，所有报表及界面均可打印，或以EXCEL、WORD格式导出；

    用电趋势

    负荷趋势曲线提供了某一段时间内该回路的负荷趋势，方便管理员掌握用电设备的运行状况，通过对历史数据的分析，可为今后新增部门和设备提供科学的用电量估算；通过分析大楼内每个设备的用电量和设备的品牌、型号、使用年限等设备详细信息来评估设备用电是否合理；通过大楼内各部门用电同比、环比的报表分析，得出各设备用电是否合理； 对某一节能设备或技术在使用一定时间后，评测的节能效率是否与当初的预计一致。用电趋势如图4所示：

    六、主要监控产品

    （1）高压回路或低压进线回路选ACR330ELH仪表

    该表为电能质量分析仪表，主要功能有：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量；4DI+3DO（DO3做过压、欠压、过流、不平衡报警）；RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约。外形尺寸：120×120mm，开孔尺寸：108×108mm。适用于高压重要回路或低压进线柜。

    （2）低压联络或出线回路选ACR220EL电力仪表

    该表主要功能有：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议。外形尺寸：96×96mm，开孔尺寸：88×88mm。适用于低压联络柜、出线柜。

    （3）低压出线柜选ARD系列

    该表测量三相电流、定值查询、定值整定、过载、断相（不平衡）、堵转、欠载、外部故障、阻塞、欠压等保护功能、8DI+4DO、电能管理、漏电保护、SOE记录、多种起动模式、RS485通讯接口、MODbus协议/Profibus-DP协议可选。

    （4）节能产品可选导轨表或APF有源滤波装置

    照明箱DDSF1352电表主要功能：电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：76×89×74mm，4模数。适用于照明箱的电流、电压测量；单相电能计量。

    ARD

    DTSF1352导轨式电表主要功能：电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：126×89×74mm，7模数。适用于照明箱的三相电能计量。

    DTSD1352导轨式电表主要功能：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：126×89×74mm，7模数。适用于动力柜。

    ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。

    七、设备清单

    参考文献：

    [1]安科瑞电气股份有限公司系统解决方案.2013.1版.

    [2]水泥行业错峰限电技术指导.<

作者简介：

徐霜，女，本科，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电力监控与电能管理系统，Email: acrelxs@163.com 手机：18321975993  电话：021-69158261