西門子信息化電能管理系統(tǒng)
摘 要：

基于西門子Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線和Profinet網(wǎng)絡(luò)通信，信息化電能管理系統(tǒng)集成了配電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備、先進(jìn)可靠的PLC和功能強(qiáng)大的控制中心。它擁有負(fù)荷管理、成本管理以及電能質(zhì)量分析等功能，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)視配電工況信息，有效地優(yōu)化和控制電能消耗，確保安全可靠地供電，降低運(yùn)行成本。本文主要介紹了信息化電能管理系統(tǒng)框架原理、系統(tǒng)功能及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：

電能管理；負(fù)荷管理；成本管理；電能質(zhì)量；配電監(jiān)控

Abstract：Information power management system integrates localintelligent devices of power system, advanced and reliable PLC, and powerfulcontrol center based on communications of Profibus and Profinet. With thefunctions of load management, cost allocation, and power quality analysis, itcan effectively optimize and control power consumption through acquiring statusof power system to make power supply with safety and reliability and to loweroperation cost. This paper mainly introduces information power managementstructure and theory, system functions and its application.

Keywords：power management; load management; cost allocation;power quality; power monitoring and operation

1． 概述

降低工礦企業(yè)、基建和商業(yè)大樓的能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，節(jié)電，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已成為企業(yè)經(jīng)理和管理人員的熱門話題。采用節(jié)能產(chǎn)品，用信息化和透明化技術(shù)管理配電系統(tǒng)是技術(shù)發(fā)展的必然的趨勢(shì)。西門子基于工業(yè)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出了全集成電能管理（Totally Integrated Power，簡(jiǎn)稱TIP）的理念，提供了完整的解決方案如圖1，包括：配電產(chǎn)品、配電設(shè)計(jì)工具軟件和電能管理系統(tǒng)。西門子信息化電能管理解決方案是通過(guò)實(shí)時(shí)采集相關(guān)的電力參數(shù)，用信息來(lái)管理配電系統(tǒng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的用電負(fù)荷，有效地控制和優(yōu)化電能的消耗。西門子信息化電能管理系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在工礦企業(yè)，商業(yè)建筑，市政及基礎(chǔ)設(shè)施。使用信息化電能管理系統(tǒng)的目的在于節(jié)能、省電、省錢。

圖1 TIP解決方案概覽

2． 電能管理系統(tǒng)架構(gòu)

信息化電能管理系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì)思想，整個(gè)系統(tǒng)大體分為三層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，PLC數(shù)據(jù)處理層和運(yùn)行監(jiān)控層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電能管理系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，通過(guò)PROFIBUS總線，集成具有通信功能的智能線路保護(hù)設(shè)備和測(cè)量設(shè)備。如SENTRON 3WL和3VL系列斷路器；SIMEAS-P多功能測(cè)量設(shè)備和電能表；SIMOCODE智能電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)裝置；SIPROTEC中壓綜合繼電保護(hù)裝置；ET200S數(shù)據(jù)采集與控制裝置等。

2.1.1 中壓綜合繼電保護(hù)

中壓綜合繼電保護(hù)裝置SIPROTEC系列是一種集保護(hù)、測(cè)量、控制、故障錄波、顯示和通信于一體的綜合繼電保護(hù)裝置，其主要功能如下：

• 保護(hù)功能：過(guò)流、速斷、接地、零序電流、中性點(diǎn)接地過(guò)流、過(guò)負(fù)荷、負(fù)序過(guò)流（不平衡電流保護(hù)）、過(guò)/欠電壓、重合閘、溫度保護(hù)等。可以靈活的應(yīng)用于中壓系統(tǒng)的饋線保護(hù)，變壓器保護(hù)，以及中壓系統(tǒng)中大量應(yīng)用的電機(jī)保護(hù)。
• 測(cè)量功能：電壓、電流、功率、電能、頻率、功率因數(shù)、諧波含量等。
• 控制功能：分/合閘，重合閘控制報(bào)警等。無(wú)論是遠(yuǎn)方還是就地控制，通過(guò)密碼權(quán)限管理，保證系統(tǒng)和人員的安全。
• 監(jiān)視功能：有LCD屏幕顯示測(cè)量數(shù)據(jù)等。
• 邏輯編程功能：綜合保護(hù)裝置中內(nèi)置有CFC邏輯編程功能，可以為不同的應(yīng)用場(chǎng)合提供靈活的調(diào)整和運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)告警以及聯(lián)閉鎖等功能。
• 靈活豐富的通訊功能：保護(hù)裝置集成了IEC 60870-5-103, Profibus, Modbus, DNP3.0, IEC 61850等規(guī)約。

2.1.2 低壓重要饋線回路監(jiān)控

針對(duì)重要的低壓饋線回路，比如變壓器低壓側(cè)出線、低壓母聯(lián)等，西門子提供了SENTRON 3WL系列斷路器方案。SENTRON 3WL采用了一致的模塊化結(jié)構(gòu)，通過(guò)3WL內(nèi)部的系統(tǒng)總線能夠和電子脫扣器ETU45B、ETU55B和ETU76B連接通信，通過(guò)和COM15通信模塊實(shí)現(xiàn)了Profubus通信能力。具有通信能力的SENTRON3WL斷路器能夠完成如下4遙功能：

• 狀態(tài)量：開(kāi)關(guān)分/合信號(hào)，脫扣信號(hào)，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能信號(hào)，合閘準(zhǔn)備就緒信號(hào)，欠電壓脫扣信號(hào)。
• 模擬量：電流，電壓，功率，電能，功率因數(shù)，頻率，以及它們的最大值/最小值，斷路器溫度，同時(shí)還具有諧波測(cè)量和故障錄波功能。
• 遠(yuǎn)程分/合斷路器。
• 遠(yuǎn)程參數(shù)整定能力。

2.1.3 低壓一般饋線回路監(jiān)控

針對(duì)一般饋線回路，比如，一般的低壓出線回路，西門子提供了SENTRON 3VL系列斷路器方案。SENTRON 3VL通過(guò)COM10通信模塊或者SEMEAS P表實(shí)現(xiàn)了Profibus通信。和SEMEAS P表組合的SENTRON 3VL斷路器能夠完成如下4遙功能：

• 狀態(tài)量：開(kāi)關(guān)分/合信號(hào)，脫扣信號(hào)，帶脫扣原因、操作電流和時(shí)標(biāo)的脫扣信號(hào)，告警信號(hào)，帶時(shí)標(biāo)的告警信號(hào)。
• 模擬量：電壓，電流，有功，無(wú)功，視在功率，功率因素,系統(tǒng)頻率，相角，有功電度，無(wú)功電度,電壓和電流的不平衡度，以及諧波測(cè)量和電壓和電流的波形畸變THD。
• 遠(yuǎn)程分/合斷路器。
• 遠(yuǎn)程參數(shù)整定能力。

另外，也可以采用智能I/O模塊采集斷路器3VL的模擬量和狀態(tài)量以及實(shí)現(xiàn)斷路器3VL分/合控制。

2.1.4 電動(dòng)機(jī)回路監(jiān)控

針對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)與智能控制，西門子提供了SIMOCODE-DP解決方案。SIMOCODE-DP系統(tǒng)能夠保護(hù)額定電流范圍從0.25至820A的單相或者三相電機(jī)等電氣設(shè)備，具有過(guò)載、不平衡電流、相線故障、接地故障、轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能。通過(guò)以下兩種途徑可以實(shí)現(xiàn)SIMOCODE-DP的在線修改參數(shù)、診斷和調(diào)試。一種是在當(dāng)?shù)兀ㄟ^(guò)RS-232系統(tǒng)接口進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，使用Win-SIMOCODE-DP/Smart實(shí)現(xiàn)SIMOCODE-DP的在線參數(shù)分配、操作、監(jiān)控和測(cè)試。另外一種在控制中心使用OM-SIMOCODE-DP，通過(guò)Profibus通信，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)SIMOCODE-DP的在線參數(shù)分配、操作、監(jiān)控和測(cè)試。能夠獲取的遙測(cè)量有三相電流、啟動(dòng)次數(shù)、脫扣次數(shù)、設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)等；遙信量有運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等。

2.2 PLC數(shù)據(jù)處理層

PLC數(shù)據(jù)處理層位于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和運(yùn)行監(jiān)控中心層之間，主要完成上下層之間的網(wǎng)絡(luò)連接轉(zhuǎn)換和信息的處理交換。通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，把采集的數(shù)據(jù)傳送到PLC數(shù)據(jù)處理層，對(duì)數(shù)據(jù)作規(guī)范化預(yù)處理，處理的數(shù)據(jù)與時(shí)標(biāo)相對(duì)應(yīng)，并可在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中儲(chǔ)存一周。PLC獲取和處理的數(shù)據(jù)有選擇性地上傳到控制中心，以便于集中監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)工況信息；同時(shí)，下達(dá)來(lái)自于控制中心的遙控和遙調(diào)信息給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的各類智能設(shè)備及儀表。通過(guò)組態(tài)編程，PLC能夠自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的智能設(shè)備。

2.3 運(yùn)行監(jiān)控中心層

操作與監(jiān)控中心硬件配置根據(jù)用戶的實(shí)際需求，可以配置出靈活豐富、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，比如，考慮冗余情況，配置主備數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、主備前置機(jī)、操作員工作站、WEB服務(wù)器等，基于控制中心系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)還可以配置不同的網(wǎng)段。監(jiān)控中心軟件由WinCC開(kāi)發(fā)出友好的人機(jī)界面。配電實(shí)時(shí)工況信息以曲線、表格以及參數(shù)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，也可顯示整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)對(duì)重要的信息進(jìn)行存盤歸檔，同時(shí)，提供靈活豐富的報(bào)表功能，用戶可以依據(jù)實(shí)際需求靈活自定義報(bào)表。因此，管理人員在控制中心利用透明化的能源管理來(lái)進(jìn)行有效地分析和決策，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、省電、降低運(yùn)行成本。

3．電能管理系統(tǒng)特點(diǎn)

• 增加了從電源設(shè)備到各類終端負(fù)載電能消耗透明度，優(yōu)化運(yùn)行成本。
• 可依據(jù)電能需求模式和要求，更精確，有效和經(jīng)濟(jì)地購(gòu)買電能。
• 采用分析診斷，定向服務(wù)/維護(hù)等手段，優(yōu)化開(kāi)關(guān)設(shè)備的性能和用電負(fù)荷。
• 系統(tǒng)為開(kāi)放式和模塊化結(jié)構(gòu)，故系統(tǒng)的集成，組態(tài)，擴(kuò)展更靈活。

4．電能管理主要功能

信息化電能管理解決方案是根據(jù)配電系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的研究而提出的。它能分析電能分配與各類負(fù)載消耗電能的全過(guò)程。目的就是從能源消費(fèi)的觀點(diǎn)管理和配置配電系統(tǒng)，降低運(yùn)行費(fèi)用。不論是工業(yè)廠房還是商業(yè)建筑，基本追求的目標(biāo)是合理、有效和經(jīng)濟(jì)地使用電能，減少電能的消耗，最大限度地降低電能的費(fèi)用。

4.1 集中監(jiān)視和透明化管理

通過(guò)集中監(jiān)視，系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)在線的能源消耗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可按不同的區(qū)域不同的時(shí)間生成用電報(bào)表，自動(dòng)計(jì)算單位能耗，有利于改進(jìn)成本。通過(guò)靈活的負(fù)荷曲線，除了能夠獲取實(shí)時(shí)負(fù)荷外，還能進(jìn)行歷史趨勢(shì)分析，有效地優(yōu)化重要負(fù)荷的能耗。工礦企業(yè)的操作員通過(guò)視窗人機(jī)界面對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行可視性操作和有效地管理如圖3。每一臺(tái)線路保護(hù)開(kāi)關(guān)均可以在控制室（或本地）進(jìn)行分合操作。可視化的遠(yuǎn)程操作毫無(wú)疑問(wèn)地增加了系統(tǒng)和操作人員的安全性。當(dāng)我們制定預(yù)防性的維護(hù)和檢修計(jì)劃工作同時(shí)，可依據(jù)操作信息及列表文件提供的有價(jià)值信息，有效地為每一臺(tái)開(kāi)關(guān)裝置和設(shè)備組織有針對(duì)性的維護(hù)和檢修工作。例如，開(kāi)關(guān)操作信息清單詳細(xì)記錄了設(shè)備的操作次數(shù)以及保護(hù)動(dòng)作，故障切斷電源的次數(shù)，同時(shí)給出了下次應(yīng)進(jìn)行維護(hù)和檢修的時(shí)間和內(nèi)容。開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置必須進(jìn)行檢修時(shí)，可以通過(guò)SMS方式直接把維護(hù)和檢修的時(shí)間和內(nèi)容傳輸給維護(hù)人員，今后，也可以通過(guò)WAP（網(wǎng)上協(xié)議）來(lái)傳送。預(yù)防性的維護(hù)和檢修計(jì)劃意味著能保證連續(xù)供電，減少了昂貴的停電時(shí)間。

圖3 運(yùn)行監(jiān)控和整定

4.2 負(fù)荷管理

與供電局簽訂的供電合同中的有關(guān)電耗指標(biāo)，可以通過(guò)軟件的“負(fù)荷管理”功能優(yōu)化如圖4。通過(guò)實(shí)時(shí)的負(fù)荷曲線和歷史負(fù)荷曲線趨勢(shì)分析，可消除或避免高峰用電，或不履行供電合同而招致的罰款。按負(fù)荷重要性的列表文件管理負(fù)荷，通過(guò)自動(dòng)控制，切換或卸負(fù)荷等手段，使系統(tǒng)按合同的電耗指標(biāo)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖4 負(fù)荷管理

4.3 成本管理

成本管理如圖5所示，自動(dòng)采集電能消耗的定量信息，與各類負(fù)荷相對(duì)應(yīng)。這意味著，每一個(gè)負(fù)載均建立獨(dú)立賬戶，從該賬戶中很快地得到耗電量，電費(fèi)等詳細(xì)的表格數(shù)據(jù)信息，同時(shí)，還能夠統(tǒng)計(jì)成本帳單中能源中斷供應(yīng)的時(shí)間和百分比。

圖5 成本管理

4.4 電能質(zhì)量

大量工業(yè)要求連續(xù)可靠供電，盡可能地減少電網(wǎng)對(duì)用戶的干擾，要求提供合格的電能也越來(lái)越被廣大的低壓用戶采納。有關(guān)電能質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)陸續(xù)出版，電能的質(zhì)量指標(biāo)如“供電電壓的允許偏差”，“公用電網(wǎng)諧波”，“三相電壓允許的不平衡度”以及“電壓波動(dòng)和閃變”等，必將是電力公司與用戶簽訂供電合同的主要內(nèi)容之一。

電能質(zhì)量不合格(或不符合要求)通常指供電電壓的幅值變化，波形畸變和頻率偏移等超過(guò)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)。不合格的電能質(zhì)量有時(shí)還表現(xiàn)為功率因數(shù)低，無(wú)功損耗大或供電可靠性差等。

西門子斷路器3WL的增強(qiáng)型測(cè)量功能模塊F05能夠測(cè)量配電系統(tǒng)的29次諧波，同時(shí)，還具有瞬態(tài)波形記錄功能。通過(guò)諧波測(cè)量，不但能夠分析電網(wǎng)質(zhì)量，而且還可能找到故障失常的原因，以便于減少或者消除失常現(xiàn)象。和斷路器3VL通信的SEMEASP表同樣具有21諧波測(cè)量功能。圖6為SEMEASP表測(cè)量的諧波顯示。功率因數(shù)的監(jiān)測(cè)管理，有助于在不同的區(qū)域自動(dòng)或者手動(dòng)投切電容器組，提高功率因數(shù)。因此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的諧波測(cè)量以及瞬態(tài)波形記錄，在控制中心能夠?qū)@些測(cè)量值以及事件進(jìn)行系統(tǒng)地分析，有利于發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中存在的問(wèn)題以及采取相應(yīng)的措施，來(lái)提高電能質(zhì)量和用電水平。

圖6 諧波顯示

5．應(yīng)用案例

信息化電能管理系統(tǒng)以Profibus總線將現(xiàn)場(chǎng)各類設(shè)備采集的信息上傳到PLC，同時(shí)，PLC和控制中心之間通過(guò)Profinet實(shí)現(xiàn)通信，快速交換信息，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的分層分布式配電電能管理系統(tǒng)。圖7為北京西門子大樓配電系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)采用Siemens WinCC作為上位監(jiān)控軟件，在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)電能管理功能。SiemensPLC作為各個(gè)監(jiān)控分區(qū)的中央控制器，通過(guò)Profibus總線，利用COM15通信模塊實(shí)現(xiàn)斷路器3WL的4遙功能；同樣，使用SIMEASP表和斷路器3VL組合也實(shí)現(xiàn)4遙功能，從而全面實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓系統(tǒng)的一體化綜合監(jiān)控，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、一次接線圖顯示、參數(shù)設(shè)置、事件報(bào)警記錄、曲線棒圖、報(bào)表打印、故障智能分析及與上級(jí)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)等基本功能和其它高級(jí)電能管理功能。

圖7 北京西門子大樓配電原理圖

6．小結(jié)

信息化電能管理系統(tǒng)是西門子全集成電能管理的重要組成部分。它采用分層分布式設(shè)計(jì)思想，為工礦企業(yè)、商業(yè)大樓等用戶提供了配電系統(tǒng)的透明化監(jiān)控，通過(guò)負(fù)荷管理、成本管理、電能質(zhì)量分析等手段為管理人員提供了豐富的決策參考信息，有利于管理人員對(duì)能源管理進(jìn)行正確的分析和作出明智的決策，有效地優(yōu)化和控制能源消耗，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能、省電、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。