电能计量系统

能耗在线监测系统在江阴港口集团办公楼中的应用  安科瑞 鲍静君

摘要：介绍了江阴港港口集团有限公司新建办公楼能耗在线监测系统的系统结构、数据采集及系统软件的功能实现。通过对各办公室空调、照明与插座用电进行分析处理，把分析处理结果通过表格、图片等方式进行公布。企业管理人员可通过该系统平台，建立健全企业节能管理制度，约束各用能单位的能源消耗，提高企业办公的运行能效。

关键字：办公节能；用能管理；能耗监测；港口； 数据采集

0 引言

    能源消耗是企业生产成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降低生产成本的重要途径。随着社会的不断进步和科学技术的不断发展，节能技术和装备如锅炉窑炉、电机及拖动设备、余热余压利用装备、节能仪器设备等已广泛应用于企业生产工序的各个环节。生产型企业的办公管理能源消耗量（主要为耗电量）也是其能源消耗的重要组成部分，但因其占能源消耗总量的比重不大，在企业节能改造实施过程中往往被忽略。如果在企业办公建筑中建立能源监管体系，通过计算机等辅助手段将能耗分类计量，就可发现高能耗点和不必要的能耗消耗量，在此基础上加强用能考核管理，往往可以起到事半功倍的效果。

    本文结合江阴港港口集团股份有限公司5号码头新建办公楼能耗（电能）在线监测系统，对生产型企业如何建立有效的办公管理用能监测进行了详细介绍。

1 配电情况及建设目标

    江阴港港口集团股份有限公司5号码头新建办公楼为三层办公楼，该楼电源总进线由码头5#变电所0.4kV配出回路引入至总配电箱。总配电箱位于一楼网络机房外间，设总开关、各楼层总开关，再采用放射式与干状式混合的配电模式将电源引至各办公室。各办公室均设单独的PZ30配电箱，为便于电能的消耗分类，电源引入各办公室后分配为空调用电和照明插座用电。如下图所示为该办公楼三楼各办公室的分布示意：

图1 办公楼三楼各办公室分布示意

    系统建设方和承建方经充分讨论，认为该能耗在线监测系统应实现如下目标：

    1.各办公室的用电按空调用电、照明插座用电分别计量，实现能耗波动幅度跟踪，实现能耗的准确预测；

    2.将各办公室用电按部门进行汇总统计，并以帮图、曲线等多种形式展示，实现能耗监测，避免不合理能耗；

    3.可建立用电标杆值，对超额用电或非正常用电等起到提示作用，实现能耗标准化管理，形成具有推广性的标准规范；

    4.系统建成后能于局域网内电脑查看该系统的展示数据；实现能耗量化分析、能耗管理流程化和精细化管理，节能效果评估，实现对节能改造措施的管理；

2 系统组网结构设计实现

    依据新建办公楼的配电情况和办公室分布情况，能耗在线监测系统建设采用分层分布式结构，系统包括：站控管理层、网络通讯层、现场设备层。系统网络结构如图2所示：

图2 系统网络结构图

    管理测控层是针对系统的使用和维护人员的人机交互窗口，也是系统的最上层部分。在该能耗在线监测系统的建设中，配置了数据服务器用以采集、存储与处理各回路耗电信息、Web服务器将友好的人机界面通过互联网展示给使用者，并设置了用于系统日常维护的工程师工作站；

    通讯控制层主要是由通讯服务器、接口转换器件及总线网络等组成，是数据信息交换的桥梁。在该项目方案中通讯控制层配置1台8端口数据采集器，考虑到通讯可靠性及防雷等因素，配置串口隔离设备。1～3楼层按东西侧分别引一根RS485总线，连接位于各办公室的单相计量表计至串口服务器，通讯总线采用屏蔽双绞线（RVSP2×0.75），穿Φ25管沿墙壁铺设至各房间；

    现场设备层主要是连接于网络中用于电参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电系统必要的基本组成元素。为建立用电分项计量体系，在本项目方案设计时即为每个办公室的PZ30箱内安装两只单相一次接入导轨式电能计量表，分别计量该办公室的空调用电和照明插座用电。基于该设计方案，办公楼1楼层16个办公室配置32只单相计量表计、2楼层17个办公室（含会议室）配置34只单相计量表计、3楼层17个办公室（含会议室）配置34只单相计量表计、总配电箱配置4只三箱计量表计。

3系统功能设计实现

    能耗在线监测系统围绕系统建设目标，设计了以下软件功能：

    1.用电回路清晰的计量体系结构

    江阴港港口集团办公楼共有三层，能耗系统在办公楼总进线、各楼层、各办公室分别安装了两个电能表，分别用来计量空调用电和照明插座用电，结合 4只用电总表，整个系统共设置了104个计量点，建立了覆盖整个办公楼的用电计量体系。系统软件中建立了计量体系展示功能，如图3所示，系统使用人员通过该功能界面可一目了然的了解该办公楼的配电层次分级情况；

图3 计量体系展示

    2.电能管理ERP

    系统管理或维护人员还可以通过用电回路信息维护功能配置用电支路的名称、用电类型（空调用电、照明插座用电）、所属部门、电能表类型等信息，该功能使得系统可以对各用电回路的用电量自动按部门进行统计，可对管理用电按部门划分，建立类似于财务ERP的电能管理ERP分配功能。该功能便于办公室所属部门的变更等信息变化时系统的维护工作。配置界面如图4所示；

图4用电回路信息维护

    3.用电展示与能耗排序

    系统主界面可直观的以数据和棒图形式显示该办公楼当月用电、上月用电、当年用电、上年同期用电电能消耗总量、当月每日空调耗电量结合气温变化的趋势、当月照明插座耗电量的平均值与变化对比趋势、各部门当月耗电量的排名情况，企业节能办或企业管理人员通过该界面可直观了解企业用电消耗概况。如图5所示；

图5 系统展示画面

    4.节能潜力挖掘——非工作时段用电分析

    该电能管理系统软件具备逐日显示各回路的用电情况的功能，并且将非工作日用电以蓝色柱体区别显示，并标定日耗电平均值线，如某日用电明显高于平时正常用电，则可通过系统的用电回路逐时分析查找耗电点，进行必要整改，防止非正常耗电情况的发生。如图6回路逐日用电棒图趋势和图7某回路逐时用电分析趋势；

图6回路逐日用电棒图趋势

图7 某回路逐时用电分析趋势

    5.分时段电能管理

    电能管理系统可根据供电局电费标准于软件中设置峰、平、谷的时段和费率，也可根据客户的实际情况设置工作和非工作时间段，通过能耗系统可以找到各回路非工作时间的不合理用电，通过奖惩措施使员工养成下班后及时关闭用电设备的习惯，如图8 峰、平、谷时段耗电展示；

图8峰、平、谷时段耗电展示

    6.建立绩效考核措施

    办公楼主要用于行政办公，系统根据客户要求将各个办公室划分到每个部门，系统自动完成部门用能的统计与分析，并可于系统信息维护中录入部门人员数量、各部门建筑面积等信息，并按综合耗电量、人均耗电量、单位面积耗电量进行综合排名分析，并可对各部门、办公室进行耗电限量信息录入，当耗电量接近或高于限值时，自动弹出提示信息，如图9为部门综合耗电量排行；

图9 部门综合耗电量排行

    7.用电量统计报表

    系统软件自动采集并按部门生成用电量月报表，该报表可提交财务或自动转入财务ERP系统，便于各部门的独立核算，如图10用电量月报表；

图10 用电量月报表

    用能管理考核单位通过以上软件功能的实现，合理的制定了各部门的用电标杆值，并将用电量以财务数据反馈至各部门，建立了有效的用能管理考核制度。通过系统的建设和制度的建立，使企业管理办公人员节能意识大大提高，有效的节约了企业管理办公能源消耗。

4结束语

    企业管理办公能耗在线监测系统的设计主要是结合信息技术建立一套符合用户实际需求的计算机辅助管理软件，系统软件通过数据实时采集与自动存储，得到用电过程的原始数据；通过功能设计与实现，对数据的优化与整合，并以友好直观的人机界面展示给企业管理人员，对其用电管理模式的改进提供数据支撑，建立用电考核机制，从而实现办公用电的科学化管理。

 参考文献：

[ 1 ]任致程 周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南[M]. 北京. 中国电力出版社. 2007. 4

[ 2 ]姜海涛，赵月.需求侧负荷管理系统建设分析[J].华北电力技术,2006(10):20-22

[ 3 ]岳明.用户侧电能管理系统及其应用[E].电力需求侧管理 15卷 5期 2013.9

文章来源：《自动化博览》 2014年1月 期

电力监控与电能管理系统在苏州大型商业楼宇的应用 安科瑞鲍静君

摘要：介绍苏州吴中商务中心电力监控与电能管理系统，采用智能电力仪表和微机保护装置采集配电现场的各种电参量和开关信号。系统采用现场就地组网的方式，组网后通过现场总线通讯并远传至后台，通过Acrel-2000型电力监控系统实现变电所的实时电力监控及Acrel-3000型电能管理系统实现建筑电力能耗的自动管理，为楼宇电能统计数据，为节能提供决策依据。

关键词：商业楼宇;苏州吴中商务中心;变电所;智能电力仪表;Acrel-2000/3000型;电力监控系统;电能管理系统;建筑节能

0  概述

      目前我国大多数多功能办公大楼、写字楼、商场等商业建筑都设有集中空调系统为用户提供健康和舒适的工作环境。这类建筑占大型公共建筑的比例越来越大，在我国建筑节能尤其是大型公共建筑节能中，多功能商业建筑的节能应是。

      苏州吴中商务中心项目是苏州吴中国裕资产经营有限公司投资兴建的一项商业楼宇工程，项目总投资约1.3亿元，总建筑面积为124440平方米，分两幢22层高办公楼，两层地下停车场。

      本项目为苏州吴中商务中心地下变电所电力监控与电能管理系统。根据配电系统管理的要求，需要对苏州吴中商务中心两个地下变电所内的高压柜、低压配出线进行电力监控，以保证用电的安全、可靠和。

      Acrel-2000/3000型低压智能配电系统，充分利用了现代电子技术、计算机技术、网络技术和现场总线技术的最新发展，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，将分散的配电所的现场设备连接为一个有机的整体，实现电网运行的远程监控和集中管理，管理人员可以实时监控建筑物各项能源的消耗，发现能源使用过程中的浪费现象，以便采取可控的能源消费方式，减少能源消耗量，实现建筑物的节能管理。

1  系统结构描述

      本监控系统主要实现吴中商务中心两个地下变电所（东区变电所和西区变电所）的10/0.4kV配电系统进行用电监控与电能管理；监控范围为东区变电所的T1、T2、T3、T4变压器的低压进线柜、联络柜、馈线柜及高压侧仪表和西区变电所的T5、T6、T7、T8变压器的低压进线柜、联络柜、馈线柜仪表进行远程实时监控和电能管理。该系统总计有219只仪表（其中包括187只ACR网络智能电力仪表，10只ABB综合保护装置，14只高压开关状态指示仪，8只温控仪），分13条总线，其中东区变电所8条总线，西区变电所5条总线，两变电所之间距离较远，采用光纤组网连接，最后通过网线拉至电工值班室连接到监控主机实现总线上仪表与监控主机的数据连通。

      本监控系统采用分层分布式结构，即站控层，通讯层与间隔层；如图（1）所示：

       间隔设备层主要为：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。

以上网络仪表均采用RS485接口和MODBUS-

      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，数据最高传输速率为10Mbps。

      RS485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，最大传输距离为1.2km。

2  电力监控系统主要功能

2.1  数据采集与处理

       数据采集是配电监控的基础，数据采集主要由底层多功能网络仪表采集完成，实现远程数据的本地实时显示。需要完成采集的信号包括：三相电压U、三相电流I、频率Hz、功率P、功率因数COSφ、电度Epi、远程设备运行状态等数据。

       数据处理主要是把按要求采集到的电参量实时准确的显示给用户，达到配电监控的自动化化和智能化要求，同时把采集到的数据存入数据库供用户查询。

2.2  人机交互

      系统提供简单、易用、良好的用户使用界面。采用全中文界面，CAD图形显示低压配电系统电气一次主接线图，显示配电系统设备状态及相应实时运行参数，画面定时轮巡切换；画面实时动态刷新；模拟量显示；开关量显示；连续记录显示等。

2.3  历时事件

      历时事件查看界面主要为用户查看曾经发生过的故障记录、信号记录、操作记录、越限记录提供方便友好的人机交互，通过历史事件查看平台，您可以根据自己的要求和查询条件方便定位您所要查看的历史事件，为您把握整个系统的运行情况提供了良好的软件支持。

2.4  数据库建立与查询

       主要完成遥测量和遥信量定时采集，并且建立数据库，定期生成报表，以供用户查询打印。

2.5  用户权限管理

      针对不同级别的用户，设置不同的权限组，防止因人为误操作给生产，生活带来的损失，实现配电系统的安全，可靠运行。可以通过用户管理进行用户登录、用户注销、修改密码、添加删除等操作，方便用户对账号和权限的修改。

2.6  运行负荷曲线

      负荷趋势曲线功能主要负责定时采集进线及重要回路电流和功率负荷参量，自动生成运行负荷趋势曲线的，方便用户及时了解设备的运行负荷状况。点击画面相应按钮或菜单项可以完成相应功能的切换；可以查看实时趋势曲线或历史趋势线；对所选曲线可以进行平移、缩放、量程变换等操作，帮助用户进线趋势分析和故障追忆，为分析整个系统的运行状况提供了直观而方便的软件支持。

2.7  远程报表查询

      报表管理程序的主要功能是根据用户的需要设计报表样式，把系统中处理的数据经过筛选、组合和统计生成用户需要的报表数据。本程序还可以根据用户的需要对报表文件采用定时保存、打印或者召唤保存、打印模式。同时本程序还向用户提供了对生成的报表文件管理功能。

     报表具有自由设置查询时间实现日、月、年的电能统计，数据导出和报表打印等功能。

3  案例分析

      苏州吴中商务中心电力监控与电能管理系统分两个变电所（东区变电所和西区变电所），本项目针对这两个变电所的10/0.4kV配电系统进行用电监控与电能管理；监控范围为东区变电所的T1、T2、T3、T4变压器的低压进线柜、联络柜、馈线柜及高压侧仪表和西区变电所的T5、T6、T7、T8变压器的低压进线柜、联络柜、馈线柜仪表进行远程实时监控和电能管理。

      进线回路采用ACR330ELH多功能谐波仪表，其是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦的电力监控需求而设计的网络电力仪表，它能测量所有常规电力参数，如：三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、有功电度、无功电度、并可监测电压、电流的2-31次谐波分量等多种电参量。并且本仪表带有4路光电隔离开关量输入接点和2路继电器控制输出接点，这些接点可以配合智能断路器实现断路器的遥信、遥控操作。该系列网络电力仪表主要应用于变电站自动化、配电网自动化、小区电力监控、工业自动化、能源管理系统及智能建筑等领域。

       重要配出回路采用ACR220EL系列网络电力仪表，该仪表主要测量所有常规电力参数，如：三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、有功电度、无功电度。

       高压侧实时画面见图（2），为系统主监控画面，主要实时监测高压回路的运行状态，红色代表合闸，绿色代表分闸。在高压系统图中可以直观的看到每路高压进线和出线的运行参数和状态，可以看到变压器出线侧的所有常规电力参数，如：三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、有功电度及变压器温度。

       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低压配电二次图见图（3），功能有电量遥测主要监测运行设备的电参量，其中包括：线三相电压，电流，功率，功率因数，电能，频率等电参量及配出回路的三相电流；遥信功能实现显示现场设备的运行状态，主要包括：开关的分、合闸运行状态和通讯故障报警；断路器变位时会发出报警信号，提醒用户及时处理故障。

       遥信和遥测报警功能，主要完成对低压各出线回路的开关运行状态和负载进线监控，对开关变位和负载越限弹出报警界面指示具体的报警位置并声音报警，提醒值班人员及时处理。遥测报警值设置界面可以看到每个监控点的实时值和报警设置值，方便值班人员比对进线设置，负载越限值在相应权限下可自由设置。具备历史查询功能。见图（4）至图（6）。

图（4） 实时遥信报警信息

图（5）历史遥测报警信息查询

图（6）遥测报警值设置界面

      参数抄表功能，主要对低压各出线回路的电参数进线查询。支持任意时刻电参数查询，具备数据导出和报表打印等功能。该报表查询供两个变电所8台变压器出线各低压回路的电参数，主要包括：三相电流、有功功率和有功电度及变压器温度。该报表各回路名称和数据库关联，方便用户修改回路名称。见图（7）

      用电量报表功能，可选择时间段进行查询，支持任意时间段电度累计查询，具备数据导出和报表打印等功能。为值班人员提供了精确可靠的电能报表。该报表各回路名称和数据库关联，方便用户修改回路名称。如下图所示，显示健身中心某段时间内的各配电回路的精确用电量，用户可以直接打印报表，可以以EXCEL格式另存到其他位置。 见图（8）。

      系统通讯结构示意图，主要显示系统的组网结构，系统采用分层分布式结构，同时监测间隔层设备的通信状态。红色表示通讯正常，绿色表示通讯故障。见图（9）。

      负荷趋势曲线界面中可直观的查看回路的负荷运行情况。查看实时和历史趋势曲线，点击画面相应按钮或菜单项可以完成相应功能的切换；帮助用户进线趋势分析和故障追忆，具备曲线打印功能。为分析整个系统的运行状况提供了直观而方便的软件支持。见图（10）。

4  结束语

       随着社会的发展及电力的广泛应用，电力监控系统已成为全国各地工程项目、标志性建筑/大型公共设施等大面积多变电所用户的必然选择，本文介绍的Acrel-2000/3000电力监控与电能管理系统在苏州吴中商务中心的应用，可以实现对变电所高低压配电回路用电的实时监控与电能管理，不仅能显示回路用电状况，还具有网络通讯功能，可以与串口服务器、计算机等组成电力监控系统。系统实现对采集数据的分析、处理，实时显示变电所内各配电回路的运行状态，对分合闸、负载越限具有弹出报警对话框及语音提示，并生成各种电能报表、分析曲线、图形等，便于电能的远程抄表以及分析、研究，不但减少抄表人员的工作量，而且降低了建筑的管理成本，是实现管理节电的重要措施和有效途径。

      该系统运行安全、可靠、稳定，为变电所用户解决用电问题提供了真实可靠的依据，取得了较好的社会效益。［2］

      该系统为城市能耗监测平台预留接口，可以无缝接入城市能耗监测平台，实现城市节能管理部门对建筑物的能耗进行监控。

文章来源于：《建筑节能》2012年9期。

参考文献：

[1].任致程 周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南[M]. 北京. 中国电力出版社. 2007. 4

[2].周中等编着. 智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案[M]. 北京. 机械工业出版社. 2011.10