电力系统电能质量

电能管理系统在上海世博村VIP生活馆的应用  安科瑞鲍静君

　　摘 要：介绍上海世博村VIP生活馆配电系统及电能管理系统，采用智能电力仪表和微机保护采集配电现场的各种电参量和开关信号。系统组网的方式，组网后通过现场总线通讯并远传至后台，通过Acrel-3000型电能管理系统实现建筑电力能耗的自动管理及Acrel-3000型电能系统所实现的功能，为楼宇电能统计数据，为节能提供决策依据。

　　关键词：世博村;智能电力仪表;Acrel-3000型;电能管理系统

　　0　 概述

　　上海世博村VIP生活馆项目定位于五星级酒店，是 2010 年上海世博会配套世博村项目中规格最高的酒店。酒店占地面积约为25500平方米 ,总建筑面积66000 平米,建筑高度约95米 ,地上部分26层 ,地下为2 层,共有客房443间。

　　上海世博村VIP生活馆配电系统分为高、低压两大部分，高压部分为两条10KV进线，有4台变压器。世博洲际酒店属于重要电力负荷用户，作为世博村项目中规格最高的酒店，电力稳定供应的重要性可想而知。低压部分分为低压配电室、冷冻机房、水泵房、应急柴油发电机组，且在每一个楼层中都有低压配电房，为每一层中的各设备回路供电。

　　结合该配电系统的电能管理系统Acrel-3000，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，实现电网设备运行的远程监控和集中管理。

　　1　 电能管理需求分析及系统构成

　　由于该项目是五星级酒店，现场需要监测所有安装智能仪表的回路，并且需对空调、照明、动力用电进行分类统计，并且该统计报表需每天自动生成，现场设备运行状态包括回路合分闸状态也需实时显示。现场仪表众多，采用了3个串口服务器加交换机的组网方式。

　　本系统采用分层分布式计算机网络结构：

　　即间隔层、通讯层和站控层如下图所示：

　　现场测控层主要的设备为：多功能网络电力仪表、微机保护装置等。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，通过现场屏蔽双绞线进行组网通讯，实现数据现场采集。

　　通讯控制层主要为：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。

　　以上网络仪表均在现场均采用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;

　　2　 电能管理系统主要功能

　　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Ep、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 故障报警及事故追忆

　　在配电系统发生运行故障时，会及时发出声光报警提示用户及时响应故障回路，同时自动记录事件发生的时间地点，以被用户查询，追忆故障原因。

　　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。

　　2.6 运行负荷曲线

　　定时采集进线及重要回路电流负荷参量，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。

　　2.7 电能成本管理

　　自动进行日、月、年的电能统计，可以进行尖、峰、平、谷时段设定，实现具有电能分时计费功能，同时生成日、月、年报表。

　　3　 案例分析

　　上海世博村VIP生活馆低压配电系统主要有4台10kV/0.4kV配电变压器，本系统主要负责对低压进线及相应配出回路的实时动态监控以及楼层所安装电力仪表的回路进行监测。

　　进线回路采用ACR230ELH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ACR220EFLK系列网络电力仪表，该仪表主要完成三相电流、三相电压、有功电度的测量、复费率电能的计量以及开关信号的检测和继电器遥控输出。

　　高压侧实时画面见图1，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。

　　图1　高压系统一次图

　　世博村VIP生活馆低压配电系统见图2，功能有电量遥测主要监测运行设备的电参量，其中包括：进线三相电压，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;远程抄表功能，主要完成对各主要回路的远程集抄功能，可选择时间段进行查询见图3;

　　图2　世博村VIP生活馆低压配电系统图

　　图3　远程抄表

　　用电量报表功能，根据时间段可以查询各回路的用电量情况，见图4;

图4　电能报表

　　事件记录功能，事件记录报警可实时历史查看，见图5;

　　图5　事件记录

　　系统通讯结构图，可实时查看系统各设备通讯运行情况，见图6。

　　图6　系统通讯

　　负荷曲线，可直观的查看回路的负荷运行情况，见图7。

　　图7　负荷曲线

　　4　 结束语

　　随着社会的发展及电力的广泛应用，电能管理已成为大型公共建筑的必然选择，本文介绍的电力仪表及ACREL3000电能管理系统在世博村A块VIP生活馆的应用，可以实现对电能的分项及分时复费率计量，不仅能显示用电用能状况，还具有网络通讯功能，可以与计算机等组成电力监控与电能管理系统。系统实现对采集数据的分析、处理，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。该系列电力仪表及系统运行可靠，稳定，为楼宇电能统计数据，为节能提供决策依据取得了较好的社会效益。

Acrel-2000电力监控系统技术规范书 安科瑞鲍静君

　　1. 项目概况

　　华瑞(江苏)燃机服务有限公司变配电所装机容量为3600KVA。现场分为中心变电所和分变电所，其中中心变电所装机容量为1600KVA，分变电所装机容量为2000KVA。中心变电所采用一路10KV电源接入，主接线为单电源，一台变压器，高低压均为单母线系统。

　　2. 设计依据

　　2.1. 用户需求

　　系统应通过多功能的电力监控装置、通讯网络和计算机软件，实现变电所供配电系统在运行过程中的数据采集、运行监视、事故记录和分析、三相不平衡监视、继电保护等，完成企业的安全供电、用电管理、设备管理和运行管理。系统由站控管理层、网络通讯层和现场设备层构成。

　　系统功能需求：

　　1) 数据采集及处理：通过间隔层单元实时采集现场各种电力参数、开关量及温度量、电度抄表等;

　　2) 画面显示：全部设备的位置状态、变位信息、保护设备动作及复归信息、直流系统及所用变系统的信息、各测量值的实时数据、各种告警信息、计算机监控系统的状态信息;

　　3) 记录功能：具有对各种历史数据的记忆功能，以供随时查询、回顾、打印。

　　4) 报警处理：用户可以按照自己的意愿分类、筛选报警，并将报警归纳于不同的报警窗口中，根据不同的报警级别进行报警;

　　5) 应具有完善的用户管理功能，避免越权操作;

　　6) 历史曲线显示：可显示存于历史数据库中的任意模拟量、电度量以及母线电压任意时间的历史波形图;

　　7) 报表打印功能：可召唤打印、定时打印各种历史数据，运行参数，事故报告统计，电度量统计报表，主接线图，负荷曲线。

　　2.2. 设计标准

　　本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

　　ISO/IEC11801《综合布线标准》

　　GB/50198《监控系统工程技术规范》

　　GB50052-2009《供配电系统设计规范》

　　GB50054-2011《低压配电设计规范》

　　IEC 61587《电子设备机械结构系列》

　　DL/T5103《35-110 KV无人值班变电所设计规程》

　　GB50059《35-110 KV变电所设计技术规程》

　　NDG889《火力发电厂、变电所二次接线设计技术规定》

　　GB50229-2006《火力发电厂与变电所设计防火条件》

　　IEC2554《绝缘电压、冲击耐压测试》

　　IEC2554《高频干扰电压测试》

　　IEC255424《静电放电试验》

　　IEC255-224《快速瞬变干扰试验》

　　GB6162《静态继电器和保护装置的电气干扰试验》

　　DL/T587-2007《微机继电保护装置运行管理规程》

　　GB14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》

　　GB/T15145《微机线路保护装置通用技术条件》

　　GB/3047.1《面板、架和柜的基本尺寸系列》

　　SD286-88《线路继电保护产品动模试验技术条件》

　　GB/T1514594《微机线路保护装置通用技术条件》

　　GB/T14598.9《辐射电磁场干扰试验》

　　GB/T14598.10《快速瞬变干扰试验》

　　GB 6126 《静态继电器及保护装置的电气干扰试验》

　　GB 7261 《继电器和继电保护装置基本试验方法》

　　GB 14285-2006 《继电保护和安全自动装置技术规程》

　　GB/T15145-2008《输电线路保护装置通用技术条件》

　　GB/T17626.2-2006 《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》

　　GB/T17626.3 《射频电磁场辐射抗扰度试验》

　　GB/T17626.4 《电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》

　　GB/T17626.5 《浪涌(冲击)抗扰度试验》

　　GB/T17626.6 《射频场感应的传导骚扰抗扰度》

　　GB/T17626.8 《工频磁场的抗扰度试验》

　　GB/T17626.9 《脉冲磁场的抗扰度试验》

　　GB/T17626.10《阻尼振荡磁场的抗扰度试验》

　　GB/T17626.11《电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度试验》

　　GB/T17626.12《振荡波抗扰度试验》

　　DL/T720-2000 《电力系统继电保护柜、屏通用技术条件》

　　2.3. 设计范围

　　根据客户需求及项目实际情况，本项目智能化设计一套Acrel-2000电力监控系统。该项目现场设备层仪器仪表的具体分布情况如下：

　　分变电所：PZ96L-E4/C 3台 AM5-T 1台 ACR220ELH/K 1台 PZ80L-E4/KC 12台;

　　中心变电所:：PZ96L-E4/C 6台 AM5-T 1台 AM5-F 2台 ACR220ELH/K 2台 PZ80L-E4/KC 26台。

　　3. 系统集成设备清单

　　见附件三：《系统集成设备清单》

　　4. Acrel-2000电力监控系统运行环境及基本要求

　　4.1. 电力监控系统硬件正常工作条件

　　为使Acrel-2000电力监控系统正常工作，安装系统软件的主机需满足如下硬件条件：

　　CPU：Pentum(R)4 CPU 2.0GHz以上;

　　内存：512MB以上;

　　硬盘：120G以上;

　　显示器：VGA、SVGA以及支持桌面操作系统的图形适配器，显示256色以上;

　　并行口或USB接口：用于安装产品授权加密狗。

　　4.2. 软件运行环境条件

　　Acrel-2000电力监控系统软件主要运行在微软的Windows操作系统平台上，兼容Windows Xp Professional 32位(简体中文)、Windows Server 2003 Standard Edition 32位(简体中文)、Windows Server 2008 Enterprise Edition 32位(简体中文)、Windows 7 Ultimate 32位(简体中文)。

　　软件通过硬件加密锁进行授权，经过授权的软件可以长时间不间断运行，而没有经过授权的软件数据库点仅能使用32点，且连续在线运行时间限制为1小时。

　　4.3. 电力监控系统机房要求

　　本监控系统所处的系统机房的防雷和接地设计，应满足人身安全及电子信息系统正常运行的要求，并应符合现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343的有关规定。监控计算机及通讯采集装置所处环境应满足以下要求：

　　海拔高度：≤2000m;

　　环境温度：5℃～+45℃;

　　最大日温差：25K;

　　最大相对湿度：95%(日平均);90%(月平均);

　　5. 系统功能

　　1. 配电监测

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统具备友好的人机界面，能够以配电一次干线图的形式直观显示配电线路的分布情况，同时将实时采集的各回路的电参量信息，以及配电回路开关的分合闸状态，接地刀闸状态及相关故障、告警信号，实时显示在系统界面中。

　　功能要求：高压回路的一次图界面应显示回路名称、三相电流、三相线电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和开关量光字牌。10kV配电系统中所需要监测的开关量为：断路器分合闸信号、手车工作/试验位置信号、远方/就地切换位置信号、弹簧储能位信号、接地刀信号、超高温跳闸信号、高温报警信号、事故信号和预告报警信号;低压进线回路电参量界面显示：回路名称、开关状态、三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值。低压出线回路界面显示：回路名称、开关状态、三相(单相)电流。每个回路旁设置详细参数按钮，通过点击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、总有功功率、分相有功功率、总无功功率、分相无功功率、总功率因数、分相功率因数、频率、正向有功电能反向有功电能、感性无功电能、容性无功电能。

　　2. 高压光字牌

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统具有高压回路光字牌显示功能。该功能可以实时显示现场断路器、接地刀、断路器小车的位置及相关故障、告警信号等状态，从而方便配电维护人员及时掌握配电系统的工作状态。

　　功能要求：高压光字牌所监测显示的开关量应包括：断路器分合闸信号、手车工作/试验位置信号、弹簧储能位信号、接地刀信号、超高温跳闸信号、高温报警信号、事故信号和预告报警信号。

　　3. 电能报表

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统以丰富的数据报表体现计量体系的完整性。系统具备各回路定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可追溯，维护计量体系的正确性。

　　功能要求：具有起始时间和结束时间的时间选择框，选定想要查询的时间段后，通过点击查询按钮可查询出系统项目范围内所有配电回路的用电量。可通过导出按钮将报表以Excel形式导出保存，通过打印按钮进行报表打印。

　　4. 负荷曲线

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统对配电系统总进线回路(或重要负荷的出线)设计了负荷趋势曲线。便于配电维护人员及时掌握用电需求与供电系统负荷占比，确保供电可靠性，为用户单位的用能权益提供保障。借助该功能，还可分析用能需量的增长趋势，适时调整需量申报，减少因需量偏差过大造成的多余缴费。

　　功能要求：该界面包括两个曲线图形，上部分曲线图形显示分相电流趋势图，下部分曲线图形显示总有功功率趋势图。曲线的时间跨度为7天，初始进入该界面时曲线图形应为实时曲线。当设定好曲线的起始时间，点击界面中的刷新曲线按钮时，此时曲线应自动切换为历史曲线，显示的为自曲线的起始时间至7天后的趋势曲线。电流曲线的纵坐标刻度最大值应为配电回路额定电流的1.2倍，负荷功率曲线的纵坐标刻度最大值应为配电回路额定功率的1.2倍。

　　5. 电参量报表

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统具有对实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到实时数据库。在监控画面中能够自定义需要查询的参数、查询的时间段或选择查询最近更新的记录数等，并通过报表方式显示出来。该功能方便用户进行事故追溯查询。

　　功能要求：可通过在抄表时间选择框中设定好抄表时间，点击抄表按钮，在查询表格中显示查询到的配电回路电参量信息应包括：回路名称、三相电流、三相电压、总有功功率、分相有功功率、总无功功率、总功率因数、频率、正向有功电能。电参量报表要支持Excel表格导出保存和表格打印功能。

　　6. 遥信实时报警

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统具备遥信报警配置功能，系统能够对配电回路断路器的分合闸动作进行实时监测并报警。系统报警时能够进行信息语音提示，自动弹出报警画面。

　　功能要求：系统应采集断路器分合闸信号，当发生断路器分合闸事件时，系统弹出遥信实时报警窗口。报警列表中应包含如下信息：报警时间、报警回路名称、报警点名称、报警内容、报警类型。

　　7. 遥测实时报警

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统具备遥测报警配置功能，报警类型包括电压越限、电流越限、频率越限、功率因数越限、断路器分合闸。系统报警时能够进行信息语音提示，自动弹出报警画面。

　　功能要求：应设置进线回路电参量遥测报警限值，电压的报警限值设定为±5%;频率为±0.5%;(相)电压谐波的报警限值设定为10kV配电系统4.0%，0.4kV配电系统5.0%;电流的报警上限值设定为额定值的85%;功率因数的报警下限值设定为0.9。当遥测电参量发生越限事件时，系统应弹出遥测实时报警窗口。报警列表中应包含如下信息：报警时间、报警回路名称、报警点名称、报警内容、报警类型、报警值、报警限值。

　　8. 遥信、遥测历史报警查询

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统能够对遥信、遥测报警数据进行存储，方便用户对系统报警事件进行追溯查询。

　　功能要求：可通过查询按钮选择查询时间，返回的遥信报警查询列表中应包含如下信息：报警时间、报警回路名称、报警点名称、报警内容、报警类型。遥测报警查询列表中应包含如下信息：报警时间、报警回路名称、报警点名称、报警内容、报警类型、报警值、报警限值。

　　9. 电能质量监测(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表)

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。例如配电系统维护人员可以通过谐波分析界面掌握配电系统的谐波含量，及时采取相应的措施提高配电系统的可靠性，减少因谐波造成的供电事故的发生。

　　功能要求：能够以列表方式和柱状图方式显示三相电压、三相电流的2-31次谐波含量百分比及总谐波含量的百分比。谐波柱状图可以进行原始量程、10倍量程、20倍量程、50倍量程、100倍量程、最适量程的选择切换。

　　10. 用户权限管理

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作(如配电回路名称修改等)。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行维护管理提供可靠的安全保障。

　　功能要求：将用户的级别分为操作工、班长、工程师、系统管理员这四个等级，每个等级可以单独赋给不同的操作权限，包括进入运行、退出运行、遥控操作、报表管理。系统管理员为最高等级用户，高一级的用户可以添加、删除下一级别的用户。

　　11. 通讯状态图

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统可以实时显示接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构，可在线诊断系统网络通讯状态，发生网络故障时能自动在屏幕上显示故障单元和故障部位。从而方便系统维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，对出现异常的设备及时维护，保证系统的稳定运行。

　　功能要求：具备完整的系统通讯示意图，把系统拓扑结构和实时通讯状态显示出来。使用红色色块表示该回路通讯正常，绿色色块表示该回路通讯中断。在系统主机和通讯采集器旁标明该设备采用的IP地址，在各被监测设备旁标注上设备地址和设备回路编号。

　　12. 登陆界面

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统可以根据用户要求定制个性化的系统登录界面，登录界面所用的图片、Logo等需要用户提供。

　　13. 统计报表

　　安科瑞Acrel-2000电力监控系统为用户提供了综合的电能和需量统计报表功能，包含不同馈线的峰平谷用电量统计与记录，从而为用电的合理管理提供了数据依据(需要选用带复费率和最大需量功能的电力仪表)。同时可对各回路进行日、月报表的统计，减少配电系统维护人员的电能统计的工作时间，提高工作效率