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变配电监控系统在上海某医院病房新建工程中的应用 安科瑞鲍静君
摘 要：介绍一种在10/0.4KV配电系统中，加装智能电力仪表和变配电监控系统，对于主要回路的电压、电流、频率、功率因数、有功电能等电参量和开关信号进行实时采集;经组网远传至后台，从而实现对低压配电系统的电力状态实时监控和能耗监测。
关键词：变配电监控系统;Acrel-3000 型;RS485通讯;能耗监测
0 概述
上海某医院病房楼是一幢医用建筑,建筑面积约为2万平方米。根据配电系统管理和能耗监测的要求，需要对楼内的高压进线、低压配出线和各楼层内配电箱进行电力监控，以保证用电的安全、。
Acrel-3000型低压智能配电系统，利用现代电子技术、计算机技术、网络技术和现场总线技术的较新发展，对变配电系统进行分散数据采集和集中监控管理。对配电系统的二次设备进行组网，通过计算机和通讯网络，将分散的现场设备连接为一个有机的整体，实现远程监控和集中管理。
1 配电监控系统构成
本系统采用分层分布式计算机网络结构即现场设备层、网络通讯层和站控管理层如图1所示。
图1 系统拓扑结构
现场设备主要的设备为：多功能网络电力仪表、开关量、模拟量采集模块和智能断路器等。这些装置分别对应相应的一次设备安装在电气柜内，这些装置均采用RS485通讯接口，通过现场MODBUS总线组网通讯，实现数据现场采集。
网络通讯层主要为：通讯服务器，其主要功能为把分散在现场采集装置集中采集，同时远传至站控层，完成现场层和站控层之间的数据交互。
站控管理层：设有高性能工业计算机、显示器、UPS电源、打印机、报警蜂鸣器等设备。监控系统安装在计算机上，集中采集显示现场设备运行状况，以人机交互的形式显示给用户，同时用户可以通过系统软件发送指令至现场设备，实现远程遥控功能。
以上网络仪表均采用RS485接口和MODBUS-RTU通讯协议，RS485采用屏蔽线传输，一般都采用二根连线，接线简单方便;通讯接口是半双工通信即通信的双方都可以接收、发送数据但是在同一时刻只能发送或接收数据，数据较高传输速率为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，较大传输距离为1.2km。
2 监控系统的主要功能
电力监控计算机通过现场设备和通信系统提供的传输通道，完成对各回路电力参数的数据采集，信息经分析、处理，以报表等多种形式供值班员参考，使值班员能够便捷的掌握供电系统的运行状况，包括相关设备的运行状况。
2.1 运行信息与保护信息采集
系统采集来自智能测控单元装置送来的参数，所有信息低压主进、母联和出线的遥测信号。包括每个回路的电压、电流、有功功率 、无功功率、功率因数、频率、有功电能、无功电能和各种告警信息等。
2.2 人机操作界面
系统提供简单、易用、良好的用户使用界面。可按照配电所显示配电系统设备状态及相应实时运行参数。
系统软件提供功能齐全的图形编辑软件，用户可以根据实际情况和以往习惯自行定各种图元图形及设备在各种状态下的显示方式。
包括如下功能特征：
全图形方式编辑的图形画面具有多种显示特性，用户可以非常直观、方便地编辑、定位、查看有关信息和内容。
提供画面管理工具，可联想相关调用、重要画面快速调用、画面文件索引选择、事故自动调用画面。
提供多种数值显示手段，数值可用棒图显示、曲线显示，并可根据数值状态和系统状态由用户根据需要和习惯自行定义闪烁、变色及置上特殊符号以便区分包括遥测在内的各种数据的正常、越上限、越下限等情况。
屏幕显示：中文液晶显示，可选择图形颜色、闪烁、动画等手段充分表示工况图及操作画面、配电系统实用参数表格、各类操作票及报表、事故及故障报警显示、测控及保护单元运行工况显示等电力运行状况;画面显示响应时间1s。见图2。
图2 配电系统图
2.3 统计分析、报表、打印
时、日、月、年用电量统计;用户自定义报表格式和计算方法;所有报表的定时打印、召唤打印、和事件记录打印;数据库实时和历史记录保留2年以上;对各电气设备和系统运行参数进行汇总统计，并根据用户要求生成各类报表，包括：分时、日、月、季度和年度报表;见图3。
图3 电参量汇总表
各设备参数和较值统计报表;全系统运行统计报表等对于事件记录、报警和数据报表，可设置为定时和根据需要的召唤打印。
能源统计报表及打印，对能源消耗进行汇总统计，并根据用户要求生成各类报表，包括：分时、日、月、季度和年度报表;能耗统计报表，日、月、年的有功/无功电能的统计，并按用户常规格式输出电能报表，实现人工抄表到自动报表，可设置为定时和根据需要的召唤打印，见图4。
图4 电能报表
2.4 历史记录与趋势分析
系统收集各监测控制与管理装置的实时数据并存储在一个开放式数据库中予以保存，系统可保存长时段(多年)的历史记录。系统可以标准和设定文件格式随时调用和打印上述历史数据。
根据历史数据记录可进行各参数的年度、月度和日变化和实时数据趋势分析，进行分类和综合比较分析，为业务流程优化和设备设施使用优化提供依据，见图5。
图5 电流趋势曲线图
2.5 系统安全
本系统软件设置多达几百种密码分区和密级设置，为系统管理员、工程师、值长、一般值班操作人员等提供分级密码，并对所有操作自动进行带时标事件记录，可建立良好的反事故措施，见图6。
图6 用户权限管理
2.6 故障分析与设备维护管理
系统依据带时标的事件记录和波形记录可进行故障和事件的成因分析;另外，系统统计开关等设备的状态参数和累积寿命参数，可据此提出设备维护预告;见图7。
图7 事件记录
2.7 保护信息管理
管理保护定值和保护动作信息，提供有关查询。
2.8 其他功能
其它日常管理，如运行记录及交接班记录管理，设备运行状态、缺陷、维修记录管理、规章制度等。管理功能满足用户要求，适用、方便、资源共享。各种文档能存储、检索、编辑、显示、打印。
2.9 系统自诊断功能
本系统软件能在线诊断各软件和硬件的运行工况，当发现异常及故障时能及时显示和打印报警信息，并在运行工况图上用不同颜色区分显示。
由于本系统设备有冗余配置，当系统发生软、硬件故障时，能自动切换到备用系统设备上运行。3 结束语
随着社会的快速发展，用户对供配电自动化和智能化的要求越来越高，实现配电室的无人职守已经成为未来配电自动化发展的一个方向;ACREL-3000型变配电监控系统是解决供配电高质量运行的良好方案，运行表明，系统可靠、安全、稳定，并降低了设备运行成本，提高配电自动化质量。
文章来源于：《上海仪器仪表》2010年3期。
参考文献：
【1】任致程、周中编着 电力电测数字仪表原理与应用指南，中国电力出版社 2007.4
水泥企业能源管理系统研究与应用 安科瑞鲍静君
0项目概况
山东某水泥厂建有2 条日产5000 吨熟料生产线和一座年产100 万吨水泥粉磨站。为发展循环经济，该厂为2 条熟料线分别配套建设了6MW、9MW 纯低温余热发电站。水泥企业是典型的高耗能行业，该厂煤、电、水费用合计占总生产成本的70%以上。因此，建立有效的能源综合管理系统、节能降耗是公司健康发展的迫切要求。安科瑞电气股份有限公司于2010年4月承接了该项目，整个系统采用Acrel-5000能耗监测系统，主要实现对企业用电量和用水量的在线监测和能耗管理。
1 目标任务
监视、分析以及控制能源使用，精确记录水泥熟料生产线各个环节和设备的能耗状况，记录分析和评价整体能耗费用水平，从而降低每个环节和线路能源的整体使用成本，同时将能源数据升华为有价值的信息，用于掌握和分析各个部分的能源使用情况。将能源成本分摊到每个车间、班组、设备、生产环节或线路，并与绩效考核挂钩。自动生成A、B、C、D 各班能源消耗统计及主要设备停机次数、运转时间，并对用能情况通过曲线、棒图等形式表示出来，便于通过能源数据的收集和设备状态的分析，进一步发现能源使用漏点和节能空间比较大的环节，评估各项节能措施和设备的实际效果。
2 总体设计
能源管理系统借助现代化网络技术和计算机技术实时监视各种运行能源参数，不断地传送至系统服务器中，使运行管理人员可以通过监控中心了解系统的运行工况，简便地实现各种数据分析。通过该系统，能够精确记录各个车间和主要设备的能耗状况，记录分析和评价整体能源费用水平和能耗费用的分解，发现能耗的过度消耗点，实时监测能耗信息，调动生产者的积极性，帮助提高节能减排的效率。
2.1 系统组成
该系统主要由现场监控设备（主要包括各种智能仪表）、通讯设备（工业计算机数据环网）、能源管理系统软件3 部分组成。一次传感仪表主要采用施耐德公司产品，数据采集器、数据处理服务器、网络服务器、网络通信设施、主机及终端显示屏等全部采用产品。
2.2 系统结构
该系统数据采集全部来自于现场智能仪表，与工业控制网络完全隔离，确保了工业控制网安全可靠稳定运行。系统与地面管理数据网络互联，实现了WEB 信息传输与发布。系统基于TCP/IP 架构，具备与其他子系统互联互通接口。系统内部能源监控和管理系统采用分层分布式结构，方便用户的管理和维护工作。系统采用专用的能源监控和管理软件。
2.3 系统原理
通过该系统实时获取能源消耗监控点能耗数据，对能源供应、分配和消耗进行监测，实时掌握能源消耗状况，了解能耗结构，计算和分析各种设备能耗标准，监控各个运营环节的能耗异常情况，评估各项节能设备和措施的相关影响，并通过WEB 把各种能耗日报报表、各种能耗数据曲线等发布给相关管理和运营人员，分享能源信息化带来的成果，完成对企业能源系统的监控及电力负荷耗能状态的监测和管理。为节能工程提供数据支撑。
2.4 系统功能
1）实时监测能源数据。准确的能耗数据是节能工作的基础。能源管理系统可以根据实际需要，对水泥熟料生产各工艺，包括石灰石破碎、原料粉磨、煤粉制备、熟料烧成、余热发电等能耗信息进行实时监控。所监控的数据包括电能数据、蒸汽数据、煤耗数据、压缩空气数据、用水流量及原料消耗量等。
2）形成重要能耗报表。定期提供单位熟料电耗、煤耗、水耗、气耗等综合能耗信息，并对各生产工艺环节进行单耗、总耗统计；报表分为日报、月报、季报、年报等几种，分析电、煤、水、压缩空气、蒸汽消耗情况，以及主机设备运行时间、停机次数等信息。系统还可以分析对比不同时期，同类、不同类设备之间的耗能状况，为发现节能漏点，提供数据参考。
3）分析能耗负荷特性。以图表、棒图、曲线等方式，进行一系列负荷对比分析，包括单位能耗对比，重要负荷对比，一、二线同类负荷用能对比等；系统将分析结果长期存贮在数据库中，同时考虑能源消耗、生产计划、产出多方面信息，总结经验，使设备以经济合理的方式运行，实现系统的节能降耗。
4）细化成本管理。科学准确的界定和分析各部门、班组用能成本，可实现对各车间及熟料线A、B、C、D“四班三运行”模式下各班能源消耗数据统计分析，并能做到班、日分析，使能耗分析更加准确、及时、细化，提升了对能耗成本的控制能力。
通过对比各部门和班组能耗数据，可以发现不良的操作习惯，形成科学的管理和考核办法。
5）预警并诊断能耗异常情况。对不符合工艺操作流程的用能设备、各测量点能源消耗的异常情况进行自动诊断和报警提示。对超出功率范围的能耗设备进行报警、对重要设备运行匹配状况提出诊断信息。中央控制室管理人员可根据系统提示，及时作出科学处理，有效防止跑冒滴漏现象，为生产线安全稳定运行提供可靠**。
2.5 软件特点
上位机软件为Acrel-5000能耗监测系统组态软件，该软件是对现场能耗数据进行采集与监测的专用软件，较大的特点是能以灵活多样的“组态形式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成对现场数据的采集与监测功能。Acrel-5000能耗监测系统具有友好的人机交互界面，可实时和定时采集现场设备各参量及开关量状态，并将采集到的数据上传给数据中心存储。系统还提供了实时曲线和历史趋势曲线分析，符合用户设计需要的报表、事件记录和故障报警等功能。整个系统可以实现所有回路能耗的采集和统计，实现了远程自动抄表、能耗监测功能。
1）运行状态监测：通讯异常报警提示。
2）用户管理：不同用户权限具备不同操作功能，各级权限的口令修改操作功能，具有权限防误功能。
3）能耗报表、棒图：实现了所有能耗报表的按时间查询，分为日、月、年报表等，任意分类、分项实时能耗棒图显示。
4）打印及导出：所有报表及界面可打印，或以EXCEL、WORD 格式进行导出。
3 网络实现方案
系统监控中心设在中央控制室，作为能源管理系统的数据和管理中心，承担整个能源管理系统数据的采集、存储、统计、分析功能，同时管理整个系统的用户权限和Web 发布功能。整个系统采用光纤、以太网总线、RS485 等传输介质，组建独立的、专用的通讯网络。主干线采用工业级光纤环型以太网络，环型主干网共设立11 个网络节点，包括监控中心、总降压站、余热电厂电气室、一线窑头电气室、一线原料粉磨电气室、一线原料处理电气室、二线窑头电气室、二线原料粉磨电气室、二线原料处理电气室、石灰石破碎电气室、煤粉制备电气室，其它电气室、工作间等，信号采用光纤、RS485 或信号电缆就近连接到
这10 个节点之一，实现与监控中心的数据传输。
能源管理系统采用分层分布式网络结构（图1），系统自下而上分3 层：现场监测层、通讯层和系统管理层。
图1 某水泥厂能源管理系统网络结构
3.1 现场监测层
现场监测层是指直接采集现场设备数据并具备上传功能的现场监测设备，包括流量计、电力参数测量仪、压力传感器、电子秤以及可编程控制器PLC 等。这些监控设备完成信号采集、处理，并转换为通讯信号，接入到网络通讯层。东华水泥公司能源管理系统现场监测层将监测8 个子系统的现场数据：电能子系统、用水子系统、供煤子系统、柴油子系统、压缩空气子系统、蒸汽子系统、原料子系统、烟气子系统。
3.2 网络通讯层
网络通讯层是指完成能源管理系统通讯所涉及的底层通讯链路（如RS485）、通讯转换设备（以太网关）以及顶层通讯链路（如光纤以太网、TCP/IP 网络）等的总称。这一部分是连接现场监测层和系统管理层的纽带环节。本项目现场通信网络采用RS485 总线方式，支持Modbus 通讯规约。通过以太网关转换为以太网络。以太网关扩展的RS485 的串行接口，支持Modbus 现场总线协议，每个 RS-422/485 通道较多能连接32 个智能设备。通过以太网关把低速串行信号转换为高速以太网，将现场层的电力数据转送入局域网内，方便上位系统的管理。工业级光交换机将以太网的电信号转换成光信号，多个以太网交换机组成光纤环网。依靠光纤网络良好的抗干扰性和传输性能可以更好适应恶劣的电气环境和远程的数据传输。监控中心与各站点（光纤通讯节点）之间采用全双工交换式光纤环网结构。光纤自愈环技术具有稳定性好、可靠性高和自愈能力强的特点。光纤环网中任何一处的线路故障不会导致通讯故障。
3.3 系统管理层
系统管理层是能源管理系统的较高管理层。系统管理层的全部设备安放在中央控制室内。配置一台监控服务器、一台操作工作站、一台WEB 服务器、通讯设备、激光打印机、UPS 等。数据服务器采用高性能计算机，能源管理软件采用的监控组态软件。该层完成接受现场监测层和DCS 系统上传的实时数据，并对这些数据进行分析、转换、存储，并以数字、曲线、报表等形式显示在屏幕上。能源管理系统须采用分层分布式网络结构，应具有良好的可靠性与实时性。监控软件应基于Windows 2000/2003/XP 中文操作系统，采用客户机/服务器模式的分布式网络结构，标准化、网络化、功能分布的体系结构；具备软、硬件的扩充能力；支持系统结构的扩展和功能的升级。同时，该层可以提供标准的网络接口和通信协议，实现与其他系统的联接；系统管理层通过OPC Server 与其它集成系统进行数据交换。具备与山东淄矿集团内部计算机网络、信息管理系统（MIS）、生产管理系统（如：DCS）、建筑物集成管理系统（BMS）等系统的联网，与其它接口可采用OPC Server/Client 模式。
4 主要监控及计量表计
5 应用效果
Acrel-5000能源管理系统自 2010 年4 月份试运行以来，通过边完善、边应用、边改进，在能耗管理控制方面取得了初步效果。
1）强化了对标管理。大力开展了班与班之间、条熟料线与二条熟料线之间对标活动，且能实现当日对标。通过查找能源使用漏洞，减少重要耗能设备故障，提高了设备运转率，降低系统停机率，降低了能耗。
2）降低了用电消耗。通过能源系统报警提示，当供电系统总负荷超出申请需量时，系统可自动提示DCS 操作员调整负荷，关停有关设备。当原料磨主电机、煤磨主电机等大型用电设备停机后，系统将会自动提示操作人员，将其关联的原料磨风机、煤磨排风机进行及时关停，节约了电力消耗。试运行期间，先后避免了3 次风机停机不及时现象，降低电力消耗超过5000kWh。2 次调整了设备峰谷平用电不合理情况。
3）加强了用水管理。一旦发现总管路水流量大于其各支路流量之和，或支管路流量突然增大，超出正常范围时，系统将自动报警，监控人员即可断定管路有漏水点，组织人员查找处理，堵塞漏洞。试运行期间，避免了2 次漏水事故。通过开展对标活动和加强考核，取得了显着效果。