上海夏普電器低壓配電網絡的改造及電能管理系統的實現

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電能管理組態軟件和ACR120EFL多功能電力儀表設計并實現了一套分散式采集和集中控制管理的工廠電能管理系統。系統實現了微機在監控中心無人管理的功能，主機作為Web服務器，局域網用戶只需使用IE瀏覽器即可對電能管理系統訪問，提高了供電質量和管理水平，具有簡明實用、投資少等優點。

關鍵詞：電能管理軟件；電力儀表；智能配電系統；節能；夏普電器；應用

1   項目概述
    上海夏普電器是由上海廣電(集團)公司、上海廣電信息產業股份有限公司、日本夏普株式會社、日本三菱商式株式會社、日本夏普電子技術公司(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。公司成立于一九九二年六月，地處上海浦東新區金橋出口加工區，是第一家入駐浦東的大型家電合資企業。

上海夏普電器現在分為兩個廠區，新廠主要生產洗衣機和冰箱等電器，老廠主要生產空調設備。原先廠區的配電室內安裝的電力儀表主要為指針式，且多為電流和電壓表，工廠對于所生產產品的耗能情況只是在總量上有個統計，而對于每個回路設備的耗能情況沒有做到詳細的統計，這對于工廠下一步推進企業節能降耗工作帶來了諸多不便。通過這次對上海夏普電器公司各配電室內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，使得工廠能夠對全廠的產品耗能情況做到更加精細化的預算和管理，為企業的推進節能降耗打下基礎。

2   用戶需求

      電能監測要求精確到辦公區和每條生產線的主要用電設備，如生產線的注塑機、冷卻泵、沖床和辦公區的照明、熱泵、電梯等設備。在時間上需要從年度到每季度、每月、每周、每天，將每個重要用電環節的電能消耗與產量產值的關系清晰呈現出來，并且與每條生產線、班組乃至個人的績效考核結合起來，真正做到電能管理的精細化和全面化，將節能降耗工作落到實處。

  按照上海市電網兩部制分時電價規定對全廠用電進行分時段計量。通過電能管理軟件合理制定重要用電設備的用電計劃，將設備用電計劃落實到生產班組和個人。將計劃用電界面通過工廠現有局域網進行Web發布，使得設備管理人員通過圖表、曲線、報表等軟件功能及時監測到設備運行和電能消耗情況，將節能意識從工廠管理層滲透到基層。

3     設計方案

3.1 主要設計參考標準

l        DL 448-91                     《電能計量裝置管理規程》

l        DL/T 814-2002               《配電自動化系統功能規范》

l        DL/T448-2003          《電能計量裝置技術管理規程》

l        ISO/IEC11801                   《國際綜合布線標準》

l        GBJ232-82             《電測量儀表裝置設計技術規程》

3.2  廠區配電回路電表改造平面圖

3.3  改造回路確定

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

3.4  系統結構設計

    系統通過安裝在工廠電網中主要受電點和樞紐配電柜中的電能監測儀表采集到配電網的各項電力參數信號，再將信號轉換為數據傳輸到計算機中，計算機對數據進行存儲、計算和分類存儲到數據庫中，然后通過計算軟件將電能以報表、圖表的形式進行展示。電能管理人員可通過計算機看到電能的輸入、傳輸、消耗的全過程。

整個電能管理系統采用分布式結構，按功能或區域進行劃分，模塊化設計。整個系統分為三層，即現場層、中間層、主控層。

現場層主要任務是將現場的各種配電系統的運行參數進行采集和測量，并將采集和測量的各種數據傳輸給監控系統。中間層位于現場層與主控層之間，采用高性能、嵌入式通訊服務器。通訊服務器負責把現場層儀表采集的數據經過網絡通信聯接、數據交換上傳到主控層，是主控層與現場層的橋梁。主控層主要設置工業計算機，是人機交互層。

主要功能為：一次主接線圖界面顯示；事件記錄，系統運行異常監測；故障報警及操作記錄；電能報表查詢與打印；系統負荷、用戶權限管理等主要功能；當前月用電計劃設定，超計劃報警；功率越限報警。

整個系統采用網絡分布式結構，網絡拓撲結構如下圖。監控主機位于辦公樓二樓的環境品質檢測部，數據采集主要劃分為三個區，洗衣機生產回路設備、冰箱生產回路設備和老廠空調生產回路設備。電力儀表的通訊為485總線結構，將信號通過屏蔽雙絞線傳輸到數據采集器，數據采集器連入廠區的局域網中。

網絡拓撲圖

間隔層主要的設備為： ACR120EFL網絡電力儀表、開關量、模擬量采集模塊和智能斷路器等。這些裝置分別對應相應的一次設備安裝在電氣柜內，這些裝置均采用RS485通訊接口，通過現場MODBUS總線組網通訊，實現數據現場采集。

通訊層主要為：通訊服務器，其主要功能為把分散在現場采集裝置集中采集，同時遠傳至站控層，完成現場層和站控層之間的數據交互。

站控層：設有高性能工業計算機、顯示器、UPS電源、打印機、報警蜂鳴器等設備。監控系統安裝在計算機上，集中采集顯示現場設備運行狀況，以人機交互的形式顯示給用戶，同時用戶可以通過系統軟件發送指令至現場設備，實現遠程遙控功能。

ACR120EFL網絡電力儀表采用RS485接口和MODBUS-RTU通訊協議，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、發送數據但是在同一時刻只能發送或接收數據，數據最高傳輸速率為10Mbps。RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾能力增強，總線上允許連接多達32個設備，最大傳輸距離為1.2km。

3.5  電能管理軟件設計

軟件開發平臺采用Acrel-3000電能管理組態軟件。該組態軟件是對現場電力參數進行采集與過程控制的專用軟件，它提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態”，便可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，比如在分布式網絡應用中，所有應用（例如趨勢曲線、報警等）對遠程數據的引用方法與引用本地數據完全相同，通過“組態”的方式可以縮短自動化工程師的系統集成的時間，提高集成效率。

該系統實施后，實現了各類用電設備的一次系統圖顯示、各回路實時電參量遙測、重要回路電能報表、以及進線回路的負荷用電趨勢、重要回路的分合閘報警、用戶權限管理等功能，軟件運行界面見下圖。

上圖為動力房BT1、AT1變壓器室低壓一次配電示意圖，功能有電量遙測主要監測運行設備的電參量，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；遙信功能實現顯示現場設備的運行狀態，主要包括：開關的分、合閘運行狀態和通訊故障報警；斷路器變位時會發出報警信號，提醒用戶及時處理故障。

圖上各個斷路器圖形，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。

通過詳細電參量界面，可查看各回路設備的實時詳細電參數，如電壓、電流、功率、功率因數、電能等，使用戶在監控值班室內就可實時觀察到每一個用電設備的運行參數。如上圖所示。

在電流功率趨勢曲線界面，可以查看某一具體用電設備的電流趨勢曲線和功率趨勢曲線，通過電流趨勢曲線用戶可以查看到某段時間內的設備運行最大電流以及該峰值電流的發生時刻，還可查看到該段時刻內三相電流的平均值，為設備的維護和制定合理的用電計劃提供了可靠的數據依據。運行界面如下圖所示。

    通過匯總圖表分析功能，用戶可以查看設定時間段內分類匯總的空調、冰箱和洗衣機的匯總用電量，并以柱狀圖或者餅圖的方式直觀顯示出來。也可以更進一步的查看各分類用電設備中每一臺設備的任意時段用電量，并以柱狀圖顯示，確定高耗能設備。

本軟件還根據客戶的要求和使用習慣設計了計劃用電功能。在計劃用電界面顯示了各個回路當月實時用電量，用戶可以對本月各個設備制定計劃用電量，如超出設定的計劃值就會彈出報警窗口提示用戶。進度條顯示了本月實時用電數達到計劃用電數的百分比，讓用戶能隨時掌握每臺設備的用電情況。通過該界面還可以對每個回路的功率上限進行設定，超過這個設定值會彈出報警窗口提示用戶，通過報警查詢功能可以查看歷史報警記錄。界面如下圖。

系統特點

畫面顯示直觀，數據刷新快，同時系統操作簡便，用戶不需復雜的配置即可使用，系統功能模塊豐富，各種功能可根據用戶的需求靈活配置，系統的設計快捷方便，能夠滿足以后的系統升級擴容。

4          運行效果

系統自2011年7月正式投入運行，經過一個月的數據采集通過電能管理軟件分析，發現工廠有28%的電能消耗在22臺空壓機和29臺注塑機上，且這些機器的電能消耗76%是在峰時段內發生的。工廠環境品質管理部門根據分析結果及時調整班組生產計劃，優化生產線工藝流程，成功的使得空壓機、注塑機的電能消耗70%發生在平時段和谷時段。僅此一項在2011年9月至12月間就為工廠節約電能支出約6萬元。夏普電器電能管理系統的實現總計花費51萬元，自運行以來保守計算月節約電能支出1.5萬元，投資回報期為34個月。

總的來說電能管理系統和安科瑞網絡電力儀表的綜合應用，具有實施簡明，投資少等顯著優點，可以方便和實時地監控配電系統的運行狀態，對現場的用電設備進行統一管理，免去工作人員到現場記錄的繁瑣工作，系統對各種用電設備的歷史運行數據和狀態進行管理分析，便于維護人員明確設備狀況，制定詳細的設備維護計劃，減少工作人員，提高效率。同時，根據建立的電能計量體系，可以了解、分析工廠生產總體能耗，提出降耗計劃，采取節能降耗措施，逐步提高用電效率。

參考文獻

任致程、周中編著  電力電測數字儀表原理與應用指南 中國電力出版社 2007.4