电能计量管理系统在工业节能改造中的应用

孟庆锋 张敬敏 尤章金

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

据统计，我国工业能耗占全国能源消费总量70%左右。与国外能源消费构成相比，我国工业能耗比重明显偏高，其中原因之一就是能耗计量水平落后，信息化水平低等。在节能改造中，计量是标准，统计是基础，如何提高能耗计量和统计水平，对能耗进行科学的管理，是企业制定和实施节能技术方案的一个必备步骤。

在企业的所有能耗中，电能占有很大的比重。在日益激烈的市场竞争中，如何对企业电能消耗进行精确的计量，并对电能消耗进行合理有效的统计管理是企业降低电能消耗、减少企业运行成本的前提。

1 系统总体结构

该系统根据管理体制可分为系统管理层、通信链路层及现场设备层构成。系统结构图如图1所示。

1.1 系统管理层

系统管理层所包含的设备有：中控室内的电能计量管理计算机一台、数据库服务器、激光打印机一台、短信报警装置一台、及网络设备等。如果对系统性能要求较高，可设置两台电能计量管理服务器互为热备。

图1 电能计量管理系统结构图

1）电能计量管理计算机

该计算机是由高配置的商用计算机及相关的外设组成。在这台计算机中运行着电能计量管理软件包和办公软件。通过该计算机调用数据库服务器中存储的运行状态及参数；自动生成符合业主要求格式的各种 Excel报表和曲线；具备统计分析功能，如计算电压合格率、负荷率及分时段用电量等；允许业主方便易行地进行采样时间间隔修改等设定值的修改；出现能耗超限或其它告警事件时，自动报警并实时记录。

2）数据库服务器

该服务器是由具有RAID功能的高配置服务器及相关的外设组成。在这台服务器中运行着电能计量管理软件包和数据库软件。通过该服务器采集并存储下属的变电站和开闭站的所有变、配电设备的运行状态及参数。

3）激光打印机

在系统管理层设有一台激光打印机，可对报表、曲线及报警记录进行打印。

4）短信报警装置

该装置内插有手机卡，通过串口与电能计量管理计算机相连。支持自定义的短信和报警短信，自定义短信中可包含变量实时数值。短信发送的触发方式可以有：时间触发、事件触发、短信触发。收到特定格式短信，可修改变量数值，最多可支持16个短信接受者。

1.2 通信链路层

电能计量管理系统的通讯网络分两类：一类是中控室、各变电站以及各开闭站间的通信，采用以太网方式，通信介质采用光纤或电缆；另一类是各变电站以及各开闭站内的通信，采用RS485方式，协议为 MODBUS或其他现场总线协议，通信介质为双绞屏蔽电缆。

1.3 现场设备层

现场设备层由串口联网服务器、智能电力仪表、电流互感器等现场监测、转换装置组成。现场监测模块将采集到的信号和参数通过MODBUS-RTU协议或其它协议传至串口联网服务器，串口联网服务器这些信号和参数再通过 TCP/IP协议与数据库服务器通信。

1）串口联网服务器的主要性能

（1）自适应10/100Mbps的以太网接口，内嵌1500V电磁隔离，支持TCP/IP等协议。

（2）2/4个RS485接口，带15kV ESD保护，支持MODBUS-RTU协议，每个接口最多连接31台MODBUS-RTU设备。

2）智能电力仪表的主要性能

（1）测量三相相电流、中线电流、三相相电压、线电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度等运行参数。

（2）测量2～31次谐波含有率、K系数、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度等电能质量参数。

（3）两个DI输入点，可以用来监测断路器状态和故障等信号。

（4）测量精度：电压/电流/频率0.2%，其他参数0.5%，谐波分量1.0%。

（5）带光隔的RS485接口，具有15kV ESD保护，支持MODBUS-RTU协议。

2 软硬件设计及实现

2.1 硬件部分

电能计量管理系统是通过将企业原有的传统计量装置更换为智能电力仪表，在必须进行计量但没有计量装置的地方加装智能电力仪表，采用网络和工业现场总线的通信方式实时采集电能数据，然后对采集到的数据根据电能的主要用途进行统计分析。因为牵扯到在已有的设备上进行改造，所以应在尽可能不改变既有配电设备原状的前提下，构建具有遥测、计量及管理功能的电能计量管理系统。

2.2 软件部分

1）能源数据的采集存储

对所消耗的电能进行准确的、连续不断的采集和定时存储。同时，还应采集室内外温度、湿度、自然光照度等与此相关的数据，保证系统所提供数据的有效性，使节能对策能建立在确实可靠的基础上，而不是猜测上。出现能耗超限或其他告警事件时，自动报警并实时记录。不允许存在不受监控的能源黑洞。

2）能源消耗量统计分析

对采集到的电能进行分类分项计量，将采集数据进行数据挖掘，可按部门、区域、耗能设备类别等进行统计分析，并以 Excel图表的形式为管理者提供专业的数据服务。系统可为管理者提供分部门、分区域、分耗能设备类别的日、月、季、年、任意时间段的能耗图表、财务图表；以及根据使用单位要求定做的能耗图表和财务图表等。为节能减排工作提供科学的数据依据和决策支持。

3）电能消耗量预测

结合历史数据分析，可以预测未来一个生产周期的负荷与能耗，还可以预测停产日的电能消耗量，为企业生产调度管理者制定企业产品的产量计划和电能消费计划提供依据。

图2 电能消耗的Excel报表曲线

4）建立电能管理信息门户

电能计量管理系统利用自身掌握的各种信息，通过内部局域网向每个用户或部门提供其能源、资源消耗量的报表、曲线，使他们能及时了解自己不同时段各种能源、资源的消耗以及室温的变化等情况，具有权限的相关管理单位还可以通过 Internet网络，对能源数据进行监测，对数据图表下载，使他们能及时了解企业电能的消耗情况。

3 应用实例

电能计量管理系统在某飞机维修公司进行了示范应用。该公司的中低压供配电柜都是 19世纪 60年代的设备，系统实施前，该公司主要依靠专职人员，采用手工录入的方式来实现电能计量和管理，不利于企业能源管理。如今，在企业个节能改造中，通过将传统的计量装置更换为智能电力仪表，在必须进行计量但没有计量装置的地方加装智能电力仪表，采用光纤网的方式，建立了电能计量管理系统，提高了企业电能管理水平，为企业实现了节能增效。

表1为任一时段的用电负荷分析，该表调取存储的电能数据自动生成，如表所示，将企业电能分为生产、办公、厂务、餐厅等6大项，统计各项所消耗电能及在总电能中占的比例，并根据尖峰平谷计算出电费。

4 结论

节能是当今企业普遍关注的热点问题之一，电能计量管理系统正是基于智能电能仪表，为企业节能改造开发的。该系统已在多个项目中投入使用，并且运行使用状况良好，深得用户好评。

表1 用电负荷分析