智慧電能管理系統的設計與應用解決方案

摘要：隨著科學技術的不斷發展，智慧電能管理系統的應用場景也越來越廣泛，利用智慧電能管理系統合理規劃生產及用電計劃，充分利用峰、谷、平電價政策，可有效降低同等用電量需求下的生產經營成本，促進節能降耗目標實現。本文介紹的是一款在燃料電池廠房穩定運行的智慧電能管理系統設計思路及應用。

關鍵詞：電能；智慧電能管理系統；配電；設備

0、引言

電力作為工業的血液，隨著互聯網技術與工業4.0的持續發展，在國家大力推動智能制造背景下，在工廠中引入智慧電能管理系統，實現電力設施運行數據的的自動采集和監控，減少了對人工檢查電力設施的依賴，不僅可以提高工廠供配電系統的穩定性，同時通過對下級自動化設備的在線的工況進行監控，及時發現潛在的隱患，降低設備維護成本。

1、 智慧電能管理系統簡介

智慧電能管理系統是一種傳統電能管理技術和互聯網技術相融合而實現的一種技術，它利用傳感器監控、現場總線技術、互聯網云技術緊密結合，實現了遠程監控、數據云儲存、遠程診斷等功能，可為用電企業提供了一套智能化的電能管理方案。

2、 建設智慧電能管理系統意義

（1） 工廠內關鍵用電設備是進行正常生產的基礎，其安全、高效、穩定運行是完成生產任務的必要條件，監控其運行工況意義重大，可及時發現設備潛在的隱患；

（2）通過電能管理系統定期推送工廠各區域用電信息，使各員工了解工作區域用電情況，形成良性節能降耗意識，促進節能降耗目標實現；

（3）建設智慧電能管理系統，其輸出的能效數據信息可為企業生產計劃評估、成本評估及設備養護等企業經營活動提供決策數據支持；

（4）通過分析歷史用電數據，合理規劃生產及用電計劃，通過峰、谷、平錯峰用電，可以有效降低同等用電量需求下的生產經營成本；

3、 智慧電能管理系統設計思路

3.1 總體實施思路

擬通過構建電能采集監控系統，對廠區內配電設備(如：變壓器、一級配電柜、二級配電柜)、常用廠務設施(螺桿冷水機組、冷卻水機組、空調機 組、空壓機等)、生產設備(自動化生產線、測試設備)、發電設備（燃料電池測試臺架）、照明配電柜、辦公用電配電柜進行電能信息采集監控。

1) 根據工廠生產計劃，分解大功率供用電設備、生產線、區域照明、管理區域用電計劃，并對階段目標完成情況進行評估考核；

2) 根據實際生產需要，結合大功率設備用電趨勢及峰、谷、平電價，調整生產計劃執行策略，逐步合理優化企業生產能源使用效率。

3) 通過監控各用電設備的電壓、電流、功率因數等信息，完成能源信息統計、能源趨勢分析及異常類信息告警；

3.2 電能采集網絡建設

3.2.1 核心構思

1）采用互聯網+模式建立“電能管理員、用電設備、采集設備、采集云服務"物聯；

2）采用成熟云平臺、大數據基礎服務框架技術應對海量遠程采集設備數據接入，保障服務的高可用與并發性；

3）采用云平臺及移動端技術，依托能效行業化管理經驗，為客戶提供有效便利的能效管理工具。

4）系統架構圖

3.2.2系統的通信網絡

1）模塊選型采用成熟工業化數據采集通信模塊，支持RJ45、串口，ModBus及ModBus-RTU等多種通信協議數據轉發；

2）具備遠程參數配置與固件升級功能，操作簡易。

3.2.3 系統的計量網絡

1）遵循能源流向規律，逐層設立計量點位、形成完善的計量網絡；

2）通過構建區域用電模型，掌握區域用電構成；

3）表計選型采用成熟工業化智能電能數據采集計量表計、支持雙向計量、計量精度高，具備遠程數據串口采集通信，支持ModBus及DL/T-2007通 信協議；

4）采用din導軌式掛扣設計，工程安裝快捷。

3.3 電能監控系統信息化實施

3.3.1 實施策略

1）提出、構建并實施電能采集系統方案；

2）采集、分析能源構成、數據，提出能效改進建議；

3）建立階段能效改進目標、系統實施；

4）能效改進策略實施階段結果對比評估。

3.3.2 系統各功能定義

4、 智慧電能管理系統的具體應用

4.1 電能查詢

可以遠程查詢每個計量表的數據，根據需要自動存儲表碼讀數，保存周期可以自由選擇，解決了人工抄表會產生的漏抄、錯抄、抄表時間過長、抄表過程不安全的問題。實現數據分析的智能化，自動化，可根據需要選擇生成不同類型的月度能耗報表。

4.2 能耗分析

分析企業的峰、谷、平用電量信息，為能耗重點監管企業提供生產計劃排產決策依據，大限度降低用電成本；另外還可以通過監控設備的功率因素，為無功功率的就地補償提供設計依據。

4.2電流電壓異常報警功能

通過在當設備層配電柜安裝智能電表，實時監測設備的運行電壓、電流數據，當監測到異常電流、電壓時，可通過手機APP向電能管理者推送報警信息，及時發現設備或供電線路潛在的故障。

4.3 發電功率動態調整功能

對于一些燃料電池生產廠房，測試燃料電池的過程中有電能發出，目前主流的設計是自發自用。通過配置智慧能源管理系統，實時監測發電功率及用電功率，同步調節發電功率及用電負荷之間的比例，使兩者處于一個動態平衡，減少余電上網對電網系統的沖擊。

5、 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

5.1概述

用戶端消耗著整個電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、需求側管理等課題。

安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

5.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

5.3系統結構

5.4系統功能

5.4.1實時監測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態，以及有關故障、告警等信號。

5.4.2電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

5.4.3詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變為手形，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，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、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

5.4.4運行報表

系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、規定時間或選擇查詢更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

5.4.5變壓器運行監視

系統對配電系統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

5.4.6實時報警

系統具有實時報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監測，并根據事件等級發出告警。系統報警時自動彈出實時報警窗口，并發出聲音或語音提醒。

5.4.7歷史事件查詢

系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

5.4.8電能質量監測

系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續性的監測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、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，及時采取相應的措施，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測功能的電力儀表，不需要可刪除。

5.4.9遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

5.4.10用戶權限管理

系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.4.11通訊狀態圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

5.4.12視頻監控

視頻監控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

5.4.13用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。

5.4.14 APP支持

電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“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、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

5.5系統硬件配置清單

6、結語

本文通過闡述了智慧電能管理系統的總體設計思路及主要應用，以實際的例子說明了智慧電能管理系統具體的應用形式，其主要意義在于能夠實時對工廠的電能各項數據進行監控，及時發現異常電能數據并提前采取應對策略，幫助企業提升節約能源意識，充分利用峰、谷、平電價開展生產活動，降 低用電成本，助力國家“碳達峰、碳中和"戰略的實現。

【參考文獻】

徐會詠.智慧能源管理系統建設方案. 能源研究與管理 2020（4）.

謝堯鐘.智慧電能管理的設計與應用                

安科瑞企業微電網設計與應用手冊 2022.05版

作者介紹：

安躍強，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為為智能電網供配電。