淺談電力儀表在工廠車間設備電能管理系統的設計
瀏覽次數：717更新時間：2023-06-30
摘 要：基于車間用電設備的電能管理系統架構思路及實施方法，從硬件和軟件方面對此方法進行了闡述。對車間舊設備改造以及新的電能管理系統提供一種思路和便捷的方法。
關鍵詞：電能管理系統；多功能電力儀表；PLC；組態軟件
0 引言
目前，大多數車間的用電數據都是通過車間配電室成套開關柜上的電力儀表進行計量，往往一臺開關柜所帶的用電設備很多，而電力儀表所計量的是多臺設備的總電能數據，計量并分析單臺設備的用電數據成為難題。本文提供了一種思路和方法，用于對車間的用電設備進行低成本改造，僅需在設備端增加電流互感器和多功能電力儀表，與中控室的上位機組態軟件組成電能管理系統，用于對車間用電設備的用電檢測及耗電數據的記錄與分析，以便及時發現耗電多的設備和異常狀態的設備，為全廠的節電和管理者的決策管理提供數據支撐。本文介紹兩種方法組建車間設備電能管理系統。方法一：通過在設備端增加電力儀表及互感器，通過多功能電力儀表自帶的通訊口，一般為RS232或RS485接口，進行組網通訊，實現電力數據的采集，通過上位機軟件實現電力數據的顯示和存儲。方法二:針對由PLC或其他可編程控制器控制的設備，利用控制器自帶的通訊接口與多功能電力儀表組網通訊，將電力儀表的數據讀入控制器，由控制器將電力數據發送至上位機, 在上位機上進行顯示和存儲。方法二的特點：一是便于直接在控制器內進行電力數據的換算計算;二是如果本地和遠程都有上位機，則可以實現本地與遠程數據的顯示和存儲。
1 方法一
圖1所示為方法一對應的系統框圖。對每臺設備增加電流互感器和多功能電力儀表，通過多功能電力儀表采集設備的電流電壓，多臺多功能電力儀表通過RS485總線連接，接至串口服務器（串口轉以太網服務器），將串口服務器通過以太網接至多網口交換機,再連接工控機。圖2為單臺多功能電力儀表電氣原理圖,負載為一臺變頻器驅動的電機。三相電經空開接至變頻器輸入端，T1、T2、T3為電流互感器 ，接至該電力儀表的電流檢測輸入端。通過從三相母線上取電結點，再經熔斷器接至該電力儀表電壓檢測輸入端。電力儀表的報警輸出立而口接中間繼電器KA1線圈，利用中間繼電器KA1的常開或常閉觸點實現過電壓過電流等實時報警功能。該電力儀表的RS458接口通過通訊線纜與其他多功能電力儀表的RS485接口連通，共同組成RS485總線網絡，通過MODBUS RTU協議實現數據的遠程通訊功能。
圖1 方法一系統框圖
完成硬件布置后，需對軟件進行設置。軟件設置包括對串口服務器進行設置，設置好串口服務器的虛擬串口號、IP地址、通訊方式等；在組態軟件中建立與電力儀表對應的多臺通訊設備，并設置通訊方式、校驗方式、地址、波特率等,再建立相應寄存器變量，從而獲取電力儀表中的數據。在組態軟件界面中可對獲取到的數據進行顯示并繪制成曲線、棒狀圖或餅狀圖等。電力儀表電氣原理圖見圖2。
圖2 電力儀表電氣原理圖
2 方法二
對于PLC控制的設備，利用PLC的通訊端口，與多臺多功能電力儀表建立通訊，通過PLC讀取電力儀表的電壓電流等數據，同時PLC分別與現場觸摸屏和中控室的工控機建立通訊，可將電流電壓等數據進行本地觸摸屏的顯示和存儲以及遠程工控機上的顯示和存儲。圖3為方法二對應的系統框圖。利用PLC的RS485接口與多臺電力儀表組網 通訊,PLC的另一個RS485通訊口與現場觸摸屏連通，通過PLC的以太網口和中控室工控機通訊。利用PLC的兩個RS485口通訊，須注意其主從關系：PLC相對于多功能電力儀表，PLC為主站，電力儀表為從站;PLC相對于觸摸屏, PLC為從站, 觸摸屏為主站。
圖3 方法二系統框圖
3 通過Smart 200 PLC讀取電力儀表數據
采用SMART 200 PLC編寫梯形圖子程序[2],對兩臺多功能電力儀表通過MODBUS RTU通訊協議實現電力數據的讀取，PLC作為MODBUS RTU的主站，兩臺電力儀表作為從站。圖4為程序段一，第一個掃描周期先對各狀態位復位，然后調用MBUS_CTRL指令完成初始化，設置好通訊模式、波特率、校驗方式、端□號、超時時間等。
圖4 程序段一
圖5程序段二首先對第一臺電力儀表調用MBUS_MSG指令啟動對從站的請求并處理響應。設置好從站的地址、讀寫模式、需要讀取的寄存器起始地址、需要讀取的寄存器數量以及PLC內部存儲數據的V寄存器地址指針。每隔0.5s對兩臺電力儀表進行一次數據讀取。
圖5 程序段二
圖6 程序段三在對第一臺電力儀表數據完成讀取后 ，再對第二臺電力儀表進行數據讀取。同樣調用MBUS_MSG指令完成讀取。當子程序編與完成后，在PLC的主程序中調用該子程序即可。
圖6 程序段三
以上選用了較為常用的SMART 200 PLC作為主控制器，通過梯形圖編程實現與兩臺多功能電力儀表的通訊。不同品牌的PLC實現與電力儀表通訊所調用的指令不同，但原理相似，可參考本例實現其他品牌PLC對電力儀表的數據讀取。
4 功率和電度的計算
電力儀表內部會對功率和電度數進行計算，可直接在電力儀表上查看功率和電量, 或將該數據通訊至上位機查看。對于有些感性負載，電力儀表內部算法依照的功率因數往往與負載不匹配,其計算出的功率和電量也與實際有較大誤差。針對此缺點，可以在上位機上根據電壓電流等數據通過軟件編程 ，計算出實時功率（有功功率）和累計電度數(有功電量），與電力儀表的內部數據進行對比。觸摸屏和組態軟件一般都有循環執行策略(腳本），可根據公式(1)和公式(2), 利用上位機定時循環執行腳本程序，對功率和電量進行計算。
例如通過力控組態軟件對三相電爐的功率和電量進行計算，根據負載的類型、接線方法,選擇合適的功率因數，編寫如下程序：
//有功功率計算(單位kW)
區域1單元1\PowerZ1.PV=區域1單元1\Z1_UaH.PV*區域1\單元1\Z1_laH.PV/1000+區域1\單元1\Z1_UbH.PV* 區域1單元1\Z1_lbH.PV/1000+區域1\單元1\Z1_UcH.PV*區域1單元1\Z1cH.PV/1000;
區域1單元1\PowerZ2.PV=區域1單元1\Z2_UaH.PV*區域1\單元1\Z2_laH.PV/1000+區域1\單元1\Z2_UbH.PV* 區域1單元 1\Z2_lbH.PV/1000+區域1\單元1\Z2_UcH.PV*區域1單元1\Z2_lcH.PV/1000;
//有功電量(單位KWh)
區域1\單元1\EnergyZ1.PV=區域1\單元1\Ener-gyZ1.PV+區域1\單元1\PowerZ1.PV/3600;
區域1\單元1\EnergyZ2.PV=區域1\單元1\Ener-gyZ2.PV+區域1\單元1\PowerZ2.PV/3600;
循環策略設置為：每循環2s,進行一次實時功率計算；每循環3s,將計算出的實時功率除以
3600并進行累加得到電度數。因大多負載不是恒功率運行,如果需提高計算精度，可減小循環時間，即提高采樣次數。
5上位機軟件
在上位機可通過表格、曲線、棒狀圖、餅狀圖等形式對數據進行記錄和顯示。圖7為利用力控組態軟件繪制的電力儀表盤界面，直觀地顯示了電力實時數據,并通過表格控件實現實時數據查看和歷史數據查詢的功能。圖8為電力數據實時曲線和歷史曲線查詢界面。圖9為用電量餅圖和棒狀圖分析界面。
圖7 電力儀表盤界面
圖8 歷史曲線界面
圖9 餅圖和棒圖界面
6施工注意事項
在施工中,多功能電力儀表的通訊線纜須使用屏蔽雙絞線,且屏蔽層單端可靠接地。盡量避免通訊線纜與動力線纜在同一線槽或橋架敷設，可將通訊線纜穿KGB線管單獨敷設且將線管單端可靠接地。對于某一區域的多臺用電設備，將其分別對應的多臺電力儀表通過RS485總線進行菊花鏈拓撲結構連接,即手拉手連接方式，接至串口轉以太網服務器,然后由串口服務器通過以太網連接至中控室交換機。建議屏蔽雙絞線總長不易過長，如果總長超過30 m加一個串口服務器，通過增加以太網總線的長度,減少RS485總線長度來保證數據傳輸的速度和穩定性。注意互感器和電力儀表連線時勿在負載帶電運行的同時將電流互感器進行開路接線。多臺電力儀表通過RS485總線組網時注意網路終端的電力儀表是否需要加終端電阻。
7安科瑞電能管理系統
7.1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、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，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。
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。
7.2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、電視等）；
（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。
7.3系統結構
7.4系統功能
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。
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。
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。
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、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）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。
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。
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。
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。
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。
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）。可以定義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。
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。
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。
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。
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。
7.5系統硬件配置
8 結語
本文結合工程實際提供了一種建立電能管理系統的思路和方法,可在車間用電設備的控制箱內加裝電流互感器和多功能電力儀表,通過現場敷設通訊線纜將車間的用電設備進行組網，結合上位機組態軟件建立電能管理系統。如果在電能管理系統的基礎上再添加用水、用氣等能耗數據則可組成車間能源管理系統,將獲得的電力數據上傳云端或與MES系統、ERP 系統對接。總之，電能管理系統是組建數字化工廠的一部分。
【參考文獻】
【1】侯冉，徐春風.基于多功能電力儀表的車間設備電能管理系統設計
【2】多功能網絡電力儀表使用手冊[2].鄭州凌鑫電力科技有限公司
【3】SIMATIC S7 S7-200 SMART 系統手冊,V2.4,03/2019[Z].西門子(中國)有限公司.
【4】安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05
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