大型企業電能管理系統的研制

◎ 劉玉蘋，劉雙安

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001）

近年來，中國市場經濟的高速發展不但造成社會總體用電量的大幅增長，能源浪費現象也愈加嚴重。因此，節能減排工作正逐步受到社會各行業的關注。

工業一直是我國能耗支出的大戶，能耗總量約占我國資源消耗總額的70%。所以，通過加大工業電氣節能科學技術研發，進一步改善能源管理水平，并不斷完善節電技術，提高企業的節電工作力度，對于減少中國電力供需矛盾，降低工業生產成本以及增加中國企業的經濟效益和社會利潤有著重大的意義[1]。由于缺乏一個統一集成的全公司范圍電能量管理系統，大部分企業能源管理工作都還處于粗放型時期，其節能措施不健全，獎懲措施不完善，職工自主節電意識淡漠以及能源利用效率相對落后。所以，利用現代化的電氣、通信和計算機技術構建一個綜合的電能耗監測和管理體系，對大型企業的能耗設施運轉進行有效監測與控制，為大型企業的電能管理提供有效的決策支持，已勢在必行[2]。

1 系統功能需求

為完成對全廠電能數據的實時監控和集成管理，實現節能降耗的系統目標企業電能管理系統有以下功能需求。①數據采集。采用多線程數據采集技術，完成對全廠電氣設備實時工作狀態信息的采集。采集各生產設備的電參量，主要包括電壓、電流、有功、無功和斷路器刀閘狀態等模擬量、數字量信息，不斷刷新數據庫，并對這些數據進行必要預處理和數據解析操作[3]。②數據展現。采用了直觀豐富的圖形化顯示功能，可以真實展示各種設備的當前工作狀態，包括斷路器的開合信號、潮流信息和負載曲線等。顯示模塊分為圖形顯示、數據顯示、波形顯示和狀態量顯示等幾種形式。③事故預警。設定各電量參數的上、下限值，實現越限監視和報警，在事故發生前提前預警，識別故障隱患[4]。④報表管理。統計全廠用電設備的電能消耗情況，生成數據報表、圖形報表等各種不同形式的日報表、月報表，報表管理子系統不僅支持歷史數據查詢、報表打印，同時支持對數據缺失值進行人工修改。⑤用戶管理。對企業不同用戶賦予不同級別的權限，高權限用戶賬號可以管理低權限用戶賬號，分級操作。高權限用戶具有權限設置功能，所有用戶均具有登錄認證、賬戶信息維護等功能。⑥負荷管理。在用電監測的基礎上，統計分析和測算峰谷電量，并繪制負荷曲線，通過對年、月、日等負荷數據的統計分析，結合班組排產計劃，對未來一段時間內的電力需求量作出合理預估，及時調整優化生產策略，以達到削峰填谷、節約成本的目的。⑦電能質量管理。實時檢測電網供電質量，包括電壓偏差、三相不平衡度、頻率偏差、諧波畸變率和電壓波動等。⑧考核管理。制定分時電價、單耗定額和電能質量3種考核模型，為管理層制定考核制度提供決策依據，節獎超罰，充分調動全廠員工的自主節電意識，形成良性競爭機制。⑨班組管理。通過值班記錄，統計各部門的班組能耗數據，并按照實際電價計算電費，便于決策層實時掌握各班組的能耗情況，實現精細化管理的目的。⑩Web發布。采用Web發布技術，便于用戶可以在任一臺聯網的終端上訪問電能管理系統，依次提高管理信息的透明度，增強企業管理決策的公信力。

2 系統設計

2.1 系統結構

隨著現代電子技術、計算機技術、通信技術和信號處理技術的不斷發展，企業電能管理系統的體系架構也在不斷創新，主要經歷了3個發展階段，即集中式系統結構、分布式系統結構和分層分布式系統結構[5]。3種結構分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 集中式結構圖

圖2 分布式結構圖

圖3 分層分布式結構圖

綜合比較3種結構形式，分層分布式架構的優點主要有以下4點。①系統總體安全性較高，任意部分發生的故障均只危害局部。②組態靈活。③有效降低了二次生產設備，節約了大部分二次電纜，生產成本低，操作維修簡單。④抗干擾能力強[5]。

系統數據豐富，主要體現在采集點多、保存的信息量大等方面。系統的功能包含了覆蓋到全廠的電力數據收集、監視和Web開發等基礎應用外，還應具有對電力數據的檢索、分類、管理等高端功能。由于電力數據處理工作與工業生產直接相關，綜合考慮安全性、實時性、準確度等因素，企業電能管理系統采用分層分布式架構，如圖4所示。

圖4 分層分布式系統結構圖

①間隔層。間隔層主要由用于電參量采集測量的各類型儀表、計算機保護裝置和繼電保護單元等組成，是電能監視與管理系統必要的基本組成元素，肩負著采集數據的重任。間隔層位于系統的最底層，負責采集系統運行的實時電氣參量、底層設備的狀態信息，及時響應和執行對外服務層以及站級管理層發布的控制命令。在故障發生時，微機保護裝置則快速有效地啟動保護，將故障影響控制在最小范圍內。②站級管理層。該層是對外服務層的下層，間隔層的上層，屬于承上啟下的中介層，是對外服務層和間隔層之間的數據交換通路。該層主要由通信網絡、數據庫服務器和通信管理設備組成，可以實現間隔層和對外服務層之間的高速、可靠的數據交換。負責匯總底層采集設備、保護裝置等的實時數據信息，并對收集到的數據信息進行分類、提取、解析和發布。③對外服務層。作為系統的核心部分，實時匯總企業電能數據信息并不斷刷新數據庫，對收集到的信息進行必要的數據剔除、數據平滑、缺失值補救預處理后，按照既定規約將傳送數據給各應用軟件，實現對全廠設備用電數據的實時監控和管理。同時，對外服務層還發布有關控制命令轉間隔層、站級管理層執行。主要功能包括數據實時展現、事故報警、電能質量管理、報表管理、用戶管理、智能查詢、設備檢修維護管理和智能操作票等。對外服務層通過Web服務器與企業內部局域網互聯，提供基于內部局域網辦公網絡的數據接口和相關功能服務，同時還可以提供基于Internet的相關外部門戶服務功能。

2.2 考核模型

為了提高企業員工的自主節能意識，完善考核制度，為管理者提供獎懲依據，需要建立一套科學的考核模型，為企業電能管理制度的制定提供決策支持。

2.2.1 分時電價考核

企業內部應該將分時電價考核納入成本管理之中，建立分時電耗計量和分時電費結算模式[6-7]。為了實現“削峰平谷”，減少電費支出，對企業各部門、各車間進行分時電價統計考核。

根據電業局對用電尖、峰、平、谷時段的規定，對各車間每天不同時段的用電量及相應的電費進行統計。

假設第i個車間第j天的用電量為Q尖ij，而其在尖、峰、平和谷不同時段的用電量分別為Q尖ij，Q峰ij，Q平ij和Q谷ij，其中：

ρ平表示平段電價，系統以ρ平作為基準值，按照事先設定的系數，尖段電價、峰段電價、谷段電價分別取1.75ρ平、1.5ρ平、0.5ρ平。

由此，第i個車間第j天的電費為

又由式2，得

實行峰谷分時段電價后，各車間在電費的杠桿作用推動下，積極、合理地改變用電策略，削尖峰填谷底，以便實現平滑電力負荷曲線的目的，做到“移峰填谷”。“移峰填谷”除了減少電費支出，還可以提高企業員工節能節電的意識，降低生產成本，增加公司 效益。

2.2.2 單耗定額考核

單位產品消耗的電能量是衡量企業能耗的重要指標，制定單耗標準以及具體的考核制度，使企業各部門、各車間的能源耗費水平直接和效益掛鉤，以增強員工的節電積極性，從而實現節能降耗的目的。

假設第i個車間第j個月的電能單耗為qij，則

式中：qij為第i個車間第j個月的實際用電單耗；Qij為第i個車間第j個月的總用電量；Gij為第i個車間第j個月的產品總產量；Qij(F)為第i個車間第j個月的輔助生產用電；Qij(Z)為第i個車間第j個月的直接生產用電。

假設第i個車間第j個月的單耗標準定額為qij(0)，實際的電能單耗為qij，Δqij=qij-qij(0)為第i個車間第j個月的單耗差額。取階梯值為p，將差額電量Δqij按進行分級，共分為N級，，其中，p為分級階梯值。

當某車間的真實單耗用電大于單耗定額標準值qij(0)時，定義懲罰系數c，則對Δqij中處于(n-1)p和np之間的部分，按nρmcpc元/度繳納罰款。每級的懲罰金額為

則該車間需繳納的罰款總額為

當某車間的真實單耗用電小于單耗定額標準值qij(0)時，定義獎勵系數d，令d＞c，則對Δqij中處于(n-1)p和np之間的部分，按nρmcpc元/度進行獎勵。每級的獎勵金額為

則該車間獲得的獎金總額為

因此，若第i個車間第j個月的實際單耗與單耗定額之間的差額為Δqij，則可得出該車間該月可獲得的獎懲金額M為

2.2.3 電能質量考核

定義ΔUb（電壓偏差），Δfb（頻率偏差），εb（三相不平衡度），THDb（諧波畸變率），db（電壓波動率）分別代表5項電能質量的標準值[8]，則這5項電能質量考核指標分別定義如下。

電壓偏差指標SVD為

其中，ΔUb為電壓偏差標準值，ΔU為電壓偏差。

三相不平衡度指標SVU為

其中，εb為三相不平衡度國家標準值，ε為三相不平衡度。

電壓波動指標SVF為

其中，db代表電壓波動國家標準值，d表示電壓波動。

頻率偏差指標SFD為

其中，Δfb代表頻率偏差國家標準值，Δf表示頻率偏差。

諧波畸變率指標SHD為

其中，THDb代表諧波畸變率國家標準值，THD表示諧波畸變率。

電能質量綜合指標SPQI為

根據SPQI的值將電能質量分為A(SPQI＜0.25)，B(0.25≤SPQI＜0.5)，C(0.5≤SPQI＜0.75)，D(0.75≤SPQI＜1)，E(SPQI＞1)5個等級，按照系統設定的規則，對電能質量的不同等級實施獎懲。

2.3 系統軟件設計

采用面向對象的軟件編程方法和模塊化的設計，用不同的功能模塊實現系統的不同功能，各個單元間彼此獨立，又有機地構成了一個整體，使該軟件具備靈活多樣、可修改、易于后期擴展的特性。圖5為系統的軟件框圖。

圖5 系統軟件框圖

3 結語

本文設計了一套適用于大型企業的分層分布式電能管理系統，通過智能化的硬件平臺和模塊化的系統軟件，使企業管理人員可以即時并直觀清晰地掌握全公司的電力消耗狀況，以此為基礎來建立相應的電能管理決策，實現對企業各部門用電的精細化管理，實現節能降耗的目的。