電力儀表在工廠車間設(shè)備電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：基于車間用電設(shè)備的電能管理系統(tǒng)架構(gòu)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。對車間舊設(shè)備改造以及新的電能管理系統(tǒng)提供一種思路和便捷的方法。 

關(guān)鍵詞：電能管理系統(tǒng)；多功能電力儀表；電能質(zhì)量監(jiān)測；實(shí)時(shí)報(bào)警；實(shí)時(shí)監(jiān)測

      目前，大多數(shù)車間的用電數(shù)據(jù)都是通過車間配電室成套開關(guān)柜上的電力儀表進(jìn)行計(jì)量，往往一臺開關(guān)柜所帶的用電設(shè)備很多，而電力儀表所計(jì)量的是多臺設(shè)備的總電能數(shù)據(jù)，計(jì)量并分析單臺設(shè)備的用電數(shù)據(jù)成為難題。本文提供了一種思路和方法，用于對車間的用電設(shè)備進(jìn)行低成本改造，僅需在設(shè)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(jī)組態(tài)軟件組成電能管理系統(tǒng)，用于對車間用電設(shè)備的用電檢測及耗電數(shù)據(jù)的記錄與分析，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)耗電多的設(shè)備和異常狀態(tài)的設(shè)備，為全廠的節(jié)電和管理者的決策管理提供數(shù)據(jù)支撐。本文介紹兩種方法組建車間設(shè)備電能管理系統(tǒng)。方法一：通過在設(shè)備端增加電力儀表及互感器，通過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(xiàn)電力數(shù)據(jù)的采集，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)讀入控制器，由控制器將電力數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī), 在上位機(jī)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(nèi)進(jìn)行電力數(shù)據(jù)的換算計(jì)算;二是如果本地和遠(yuǎn)程都有上位機(jī)，則可以實(shí)現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的顯示和存儲。

      圖1所示為方法一對應(yīng)的系統(tǒng)框圖。對每臺設(shè)備增加電流互感器和多功能電力儀表，通過多功能電力儀表采集設(shè)備的電流電壓，多臺多功能電力儀表通過RS485總線連接，接至串口服務(wù)器（串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)服務(wù)器），將串口服務(wù)器通過以太網(wǎng)接至多網(wǎng)****換機(jī),再連接工控機(jī)。圖2為單臺多功能電力儀表電氣原理圖,負(fù)載為一臺變頻器驅(qū)動的電機(jī)。三相電經(jīng)空開接至變頻器輸入端，T1、T2、T3為電流互感器 ，接至該電力儀表的電流檢測輸入端。通過從三相母線上取電結(jié)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(bào)警輸出立而口接中間繼電器KA1線圈，利用中間繼電器KA1的常開或常閉觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)過電壓過電流等實(shí)時(shí)報(bào)警功能。該電力儀表的RS458接口通過通訊線纜與其他多功能電力儀表的RS485接口連通，共同組成RS485總線網(wǎng)絡(luò)，通過MODBUS RTU協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通訊功能。

圖1 方法一系統(tǒng)框圖

      完成硬件布置后，需對軟件進(jìn)行設(shè)置。軟件設(shè)置包括對串口服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)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(yīng)的多臺通訊設(shè)備，并設(shè)置通訊方式、校驗(yàn)方式、地址、波特率等,再建立相應(yīng)寄存器變量，從而獲取電力儀表中的數(shù)據(jù)。在組態(tài)軟件界面中可對獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并繪制成曲線、棒狀圖或餅狀圖等。電力儀表電氣原理圖見圖2。

圖2 電力儀表電氣原理圖

      對于PLC控制的設(shè)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PLC讀取電力儀表的電壓電流等數(shù)據(jù)，同時(shí)PLC分別與現(xiàn)場觸摸屏和中控室的工控機(jī)建立通訊，可將電流電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行本地觸摸屏的顯示和存儲以及遠(yuǎn)程工控機(jī)上的顯示和存儲。圖3為方法二對應(yīng)的系統(tǒng)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(xiàn)場觸摸屏連通，通過PLC的以太網(wǎng)口和中控室工控機(jī)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(tǒng)框圖

      采用SMART 200 PLC編寫梯形圖子程序[2],對兩臺多功能電力儀表通過MODBUS RTU通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)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(fù)位，然后調(diào)用MBUS_CTRL指令完成初始化，設(shè)置好通訊模式、波特率、校驗(yàn)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(diào)用MBUS_MSG指令啟動對從站的請求并處理響應(yīng)。設(shè)置好從站的地址、讀寫模式、需要讀取的寄存器起始地址、需要讀取的寄存器數(shù)量以及PLC內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀取。

圖5 程序段二

      圖6 程序段三在對第一臺電力儀表數(shù)據(jù)完成讀取后 ，再對第二臺電力儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。同樣調(diào)用MBUS_MSG指令完成讀取。當(dāng)子程序編與完成后，在PLC的主程序中調(diào)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，通過梯形圖編程實(shí)現(xiàn)與兩臺多功能電力儀表的通訊。不同品牌的PLC實(shí)現(xiàn)與電力儀表通訊所調(diào)用的指令不同，但原理相似，可參考本例實(shí)現(xiàn)其他品牌PLC對電力儀表的數(shù)據(jù)讀取。

      電力儀表內(nèi)部會對功率和電度數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可直接在電力儀表上查看功率和電量, 或?qū)⒃摂?shù)據(jù)通訊至上位機(jī)查看。對于有些感性負(fù)載，電力儀表內(nèi)部算法依照的功率因數(shù)往往與負(fù)載不匹配,其計(jì)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(jī)上根據(jù)電壓電流等數(shù)據(jù)通過軟件編程 ，計(jì)算出實(shí)時(shí)功率（有功功率）和累計(jì)電度數(shù)(有功電量），與電力儀表的內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。觸摸屏和組態(tài)軟件一般都有循環(huán)執(zhí)行策略(腳本），可根據(jù)公式(1)和公式(2), 利用上位機(jī)定時(shí)循環(huán)執(zhí)行腳本程序，對功率和電量進(jìn)行計(jì)算。

例如通過力控組態(tài)軟件對三相電爐的功率和電量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)負(fù)載的類型、接線方法,選擇合適的功率因數(shù)，編寫如下程序：

//有功功率計(jì)算(單位kW)

區(qū)域1單元1\PowerZ1.PV=區(qū)域1單元1\Z1_UaH.PV*區(qū)域1\單元1\Z1_laH.PV/1000+區(qū)域1\單元1\Z1_UbH.PV* 區(qū)域1單元1\Z1_lbH.PV/1000+區(qū)域1\單元1\Z1_UcH.PV*區(qū)域1單元1\Z1cH.PV/1000;

區(qū)域1單元1\PowerZ2.PV=區(qū)域1單元1\Z2_UaH.PV*區(qū)域1\單元1\Z2_laH.PV/1000+區(qū)域1\單元1\Z2_UbH.PV* 區(qū)域1單元 1\Z2_lbH.PV/1000+區(qū)域1\單元1\Z2_UcH.PV*區(qū)域1單元1\Z2_lcH.PV/1000;

//有功電量(單位KWh)

區(qū)域1\單元1\EnergyZ1.PV=區(qū)域1\單元1\Ener-gyZ1.PV+區(qū)域1\單元1\PowerZ1.PV/3600;

區(qū)域1\單元1\EnergyZ2.PV=區(qū)域1\單元1\Ener-gyZ2.PV+區(qū)域1\單元1\PowerZ2.PV/3600;

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

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

      在上位機(jī)可通過表格、曲線、棒狀圖、餅狀圖等形式對數(shù)據(jù)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界面，直觀地顯示了電力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并通過表格控件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看和歷史數(shù)據(jù)查詢的功能。圖8為電力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線查詢界面。圖9為用電量餅圖和棒狀圖分析界面。

圖7 電力儀表盤界面

圖8 歷史曲線界面

圖9 餅圖和棒圖界面

      在施工中,多功能電力儀表的通訊線纜須使用屏蔽雙絞線,且屏蔽層單端可靠接地。盡量避免通訊線纜與動力線纜在同一線槽或橋架敷設(shè)，可將通訊線纜穿KGB線管單獨(dú)敷設(shè)且將線管單端可靠接地。對于某一區(qū)域的多臺用電設(shè)備，將其分別對應(yīng)的多臺電力儀表通過RS485總線進(jìn)行菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接,即手拉手連接方式，接至串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)服務(wù)器,然后由串口服務(wù)器通過以太網(wǎng)連接至中控室交換機(jī)。建議屏蔽雙絞線總長不易過長，如果總長超過30 m加一個(gè)串口服務(wù)器，通過增加以太網(wǎng)總線的長度,減少RS485總線長度來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性。注意互感器和電力儀表連線時(shí)勿在負(fù)載帶電運(yùn)行的同時(shí)將電流互感器進(jìn)行開路接線。多臺電力儀表通過RS485總線組網(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

      用戶端消耗著整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項(xiàng)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(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

7.2應(yīng)用場所

      （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、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；

      （3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

      （4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

      （5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視等）；

      （6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場、車站、碼頭建筑等）。

7.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7.4系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測

      系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(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(tǒng)計(jì)報(bào)表

      系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況，即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)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(hù)計(jì)量體系的正確性。

3）詳細(xì)電參量查詢

      在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中危髽?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢曲線及24小時(shí)電壓趨勢曲線。

4）運(yùn)行報(bào)表

      系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、指定時(shí)間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報(bào)表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日報(bào)、月報(bào)，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

5）變壓器運(yùn)行監(jiān)視

      系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

6）實(shí)時(shí)報(bào)警

      系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位，保護(hù)動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動彈出實(shí)時(shí)報(bào)警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

7）歷史事件查詢

      系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護(hù)動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

8）電能質(zhì)量監(jiān)測

      系統(tǒng)可以對整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖、報(bào)表掌握進(jìn)線、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(yīng)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(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

      系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

10）用戶權(quán)限管理

      系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態(tài)圖

      系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

12）視頻監(jiān)控

      視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

13）用戶報(bào)告

      用戶報(bào)告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

14）APP支持

      電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設(shè)備檔案”、“待辦事項(xiàng)”、“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、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報(bào)警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

7.5系統(tǒng)硬件配置

      本文結(jié)合工程實(shí)際提供了一種建立電能管理系統(tǒng)的思路和方法,可在車間用電設(shè)備的控制箱內(nèi)加裝電流互感器和多功能電力儀表,通過現(xiàn)場敷設(shè)通訊線纜將車間的用電設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，結(jié)合上位機(jī)組態(tài)軟件建立電能管理系統(tǒng)。如果在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再添加用水、用氣等能耗數(shù)據(jù)則可組成車間能源管理系統(tǒng),將獲得的電力數(shù)據(jù)上傳云端或與MES系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)對接?？傊?，電能管理系統(tǒng)是組建數(shù)字化工廠、智慧工廠不可或缺的一部分。

【1】侯冉，徐春風(fēng).基于多功能電力儀表的車間設(shè)備電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【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(tǒng)手冊,V2.4,03/2019[Z].西門子(中國)有限公司.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2022.05