大型企業(yè)電能管理系統(tǒng)的研制

◎ 劉玉蘋，劉雙安

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001）

近年來，中國市場經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展不但造成社會總體用電量的大幅增長，能源浪費(fèi)現(xiàn)象也愈加嚴(yán)重。因此，節(jié)能減排工作正逐步受到社會各行業(yè)的關(guān)注。

工業(yè)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(yè)電氣節(jié)能科學(xué)技術(shù)研發(fā)，進(jìn)一步改善能源管理水平，并不斷完善節(jié)電技術(shù)，提高企業(yè)的節(jié)電工作力度，對于減少中國電力供需矛盾，降低工業(yè)生產(chǎn)成本以及增加中國企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會利潤有著重大的意義[1]。由于缺乏一個(gè)統(tǒng)一集成的全公司范圍電能量管理系統(tǒng)，大部分企業(yè)能源管理工作都還處于粗放型時(shí)期，其節(jié)能措施不健全，獎(jiǎng)懲措施不完善，職工自主節(jié)電意識淡漠以及能源利用效率相對落后。所以，利用現(xiàn)代化的電氣、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)綜合的電能耗監(jiān)測和管理體系，對大型企業(yè)的能耗設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行有效監(jiān)測與控制，為大型企業(yè)的電能管理提供有效的決策支持，已勢在必行[2]。

1 系統(tǒng)功能需求

為完成對全廠電能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和集成管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的系統(tǒng)目標(biāo)企業(yè)電能管理系統(tǒng)有以下功能需求。①數(shù)據(jù)采集。采用多線程數(shù)據(jù)采集技術(shù)，完成對全廠電氣設(shè)備實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息的采集。采集各生產(chǎn)設(shè)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(tài)等模擬量、數(shù)字量信息，不斷刷新數(shù)據(jù)庫，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要預(yù)處理和數(shù)據(jù)解析操作[3]。②數(shù)據(jù)展現(xiàn)。采用了直觀豐富的圖形化顯示功能，可以真實(shí)展示各種設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)，包括斷路器的開合信號、潮流信息和負(fù)載曲線等。顯示模塊分為圖形顯示、數(shù)據(jù)顯示、波形顯示和狀態(tài)量顯示等幾種形式。③事故預(yù)警。設(shè)定各電量參數(shù)的上、下限值，實(shí)現(xiàn)越限監(jiān)視和報(bào)警，在事故發(fā)生前提前預(yù)警，識別故障隱患[4]。④報(bào)表管理。統(tǒng)計(jì)全廠用電設(shè)備的電能消耗情況，生成數(shù)據(jù)報(bào)表、圖形報(bào)表等各種不同形式的日報(bào)表、月報(bào)表，報(bào)表管理子系統(tǒng)不僅支持歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表打印，同時(shí)支持對數(shù)據(jù)缺失值進(jìn)行人工修改。⑤用戶管理。對企業(yè)不同用戶賦予不同級別的權(quán)限，高權(quán)限用戶賬號可以管理低權(quán)限用戶賬號，分級操作。高權(quán)限用戶具有權(quán)限設(shè)置功能，所有用戶均具有登錄認(rèn)證、賬戶信息維護(hù)等功能。⑥負(fù)荷管理。在用電監(jiān)測的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析和測算峰谷電量，并繪制負(fù)荷曲線，通過對年、月、日等負(fù)荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合班組排產(chǎn)計(jì)劃，對未來一段時(shí)間內(nèi)的電力需求量作出合理預(yù)估，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化生產(chǎn)策略，以達(dá)到削峰填谷、節(jié)約成本的目的。⑦電能質(zhì)量管理。實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)供電質(zhì)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(dòng)等。⑧考核管理。制定分時(shí)電價(jià)、單耗定額和電能質(zhì)量3種考核模型，為管理層制定考核制度提供決策依據(jù)，節(jié)獎(jiǎng)超罰，充分調(diào)動(dòng)全廠員工的自主節(jié)電意識，形成良性競爭機(jī)制。⑨班組管理。通過值班記錄，統(tǒng)計(jì)各部門的班組能耗數(shù)據(jù)，并按照實(shí)際電價(jià)計(jì)算電費(fèi)，便于決策層實(shí)時(shí)掌握各班組的能耗情況，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理的目的。⑩Web發(fā)布。采用Web發(fā)布技術(shù)，便于用戶可以在任一臺聯(lián)網(wǎng)的終端上訪問電能管理系統(tǒng)，依次提高管理信息的透明度，增強(qiáng)企業(yè)管理決策的公信力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)電能管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)也在不斷創(chuàng)新，主要經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段，即集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]。3種結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 集中式結(jié)構(gòu)圖

圖2 分布式結(jié)構(gòu)圖

圖3 分層分布式結(jié)構(gòu)圖

綜合比較3種結(jié)構(gòu)形式，分層分布式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下4點(diǎn)。①系統(tǒng)總體安全性較高，任意部分發(fā)生的故障均只危害局部。②組態(tài)靈活。③有效降低了二次生產(chǎn)設(shè)備，節(jié)約了大部分二次電纜，生產(chǎn)成本低，操作維修簡單。④抗干擾能力強(qiáng)[5]。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)豐富，主要體現(xiàn)在采集點(diǎn)多、保存的信息量大等方面。系統(tǒng)的功能包含了覆蓋到全廠的電力數(shù)據(jù)收集、監(jiān)視和Web開發(fā)等基礎(chǔ)應(yīng)用外，還應(yīng)具有對電力數(shù)據(jù)的檢索、分類、管理等高端功能。由于電力數(shù)據(jù)處理工作與工業(yè)生產(chǎn)直接相關(guān)，綜合考慮安全性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確度等因素，企業(yè)電能管理系統(tǒng)采用分層分布式架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)保護(hù)裝置和繼電保護(hù)單元等組成，是電能監(jiān)視與管理系統(tǒng)必要的基本組成元素，肩負(fù)著采集數(shù)據(jù)的重任。間隔層位于系統(tǒng)的最底層，負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)電氣參量、底層設(shè)備的狀態(tài)信息，及時(shí)響應(yīng)和執(zhí)行對外服務(wù)層以及站級管理層發(fā)布的控制命令。在故障發(fā)生時(shí)，微機(jī)保護(hù)裝置則快速有效地啟動(dòng)保護(hù)，將故障影響控制在最小范圍內(nèi)。②站級管理層。該層是對外服務(wù)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(wù)層和間隔層之間的數(shù)據(jù)交換通路。該層主要由通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和通信管理設(shè)備組成，可以實(shí)現(xiàn)間隔層和對外服務(wù)層之間的高速、可靠的數(shù)據(jù)交換。負(fù)責(zé)匯總底層采集設(shè)備、保護(hù)裝置等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并對收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類、提取、解析和發(fā)布。③對外服務(wù)層。作為系統(tǒng)的核心部分，實(shí)時(shí)匯總企業(yè)電能數(shù)據(jù)信息并不斷刷新數(shù)據(jù)庫，對收集到的信息進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)平滑、缺失值補(bǔ)救預(yù)處理后，按照既定規(guī)約將傳送數(shù)據(jù)給各應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)對全廠設(shè)備用電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。同時(shí)，對外服務(wù)層還發(fā)布有關(guān)控制命令轉(zhuǎn)間隔層、站級管理層執(zhí)行。主要功能包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展現(xiàn)、事故報(bào)警、電能質(zhì)量管理、報(bào)表管理、用戶管理、智能查詢、設(shè)備檢修維護(hù)管理和智能操作票等。對外服務(wù)層通過Web服務(wù)器與企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)互聯(lián)，提供基于內(nèi)部局域網(wǎng)辦公網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口和相關(guān)功能服務(wù)，同時(shí)還可以提供基于Internet的相關(guān)外部門戶服務(wù)功能。

2.2 考核模型

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

2.2.1 分時(shí)電價(jià)考核

企業(yè)內(nèi)部應(yīng)該將分時(shí)電價(jià)考核納入成本管理之中，建立分時(shí)電耗計(jì)量和分時(shí)電費(fèi)結(jié)算模式[6-7]。為了實(shí)現(xiàn)“削峰平谷”，減少電費(fèi)支出，對企業(yè)各部門、各車間進(jìn)行分時(shí)電價(jià)統(tǒng)計(jì)考核。

根據(jù)電業(yè)局對用電尖、峰、平、谷時(shí)段的規(guī)定，對各車間每天不同時(shí)段的用電量及相應(yīng)的電費(fèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

假設(shè)第i個(gè)車間第j天的用電量為Q尖ij，而其在尖、峰、平和谷不同時(shí)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(jià)，系統(tǒng)以ρ平作為基準(zhǔn)值，按照事先設(shè)定的系數(shù)，尖段電價(jià)、峰段電價(jià)、谷段電價(jià)分別取1.75ρ平、1.5ρ平、0.5ρ平。

由此，第i個(gè)車間第j天的電費(fèi)為

又由式2，得

實(shí)行峰谷分時(shí)段電價(jià)后，各車間在電費(fèi)的杠桿作用推動(dòng)下，積極、合理地改變用電策略，削尖峰填谷底，以便實(shí)現(xiàn)平滑電力負(fù)荷曲線的目的，做到“移峰填谷”?！耙品逄罟取背藴p少電費(fèi)支出，還可以提高企業(yè)員工節(jié)能節(jié)電的意識，降低生產(chǎn)成本，增加公司 效益。

2.2.2 單耗定額考核

單位產(chǎn)品消耗的電能量是衡量企業(yè)能耗的重要指標(biāo)，制定單耗標(biāo)準(zhǔn)以及具體的考核制度，使企業(yè)各部門、各車間的能源耗費(fèi)水平直接和效益掛鉤，以增強(qiáng)員工的節(jié)電積極性，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

假設(shè)第i個(gè)車間第j個(gè)月的電能單耗為qij，則

式中：qij為第i個(gè)車間第j個(gè)月的實(shí)際用電單耗；Qij為第i個(gè)車間第j個(gè)月的總用電量；Gij為第i個(gè)車間第j個(gè)月的產(chǎn)品總產(chǎn)量；Qij(F)為第i個(gè)車間第j個(gè)月的輔助生產(chǎn)用電；Qij(Z)為第i個(gè)車間第j個(gè)月的直接生產(chǎn)用電。

假設(shè)第i個(gè)車間第j個(gè)月的單耗標(biāo)準(zhǔn)定額為qij(0)，實(shí)際的電能單耗為qij，Δqij=qij-qij(0)為第i個(gè)車間第j個(gè)月的單耗差額。取階梯值為p，將差額電量Δqij按進(jìn)行分級，共分為N級，，其中，p為分級階梯值。

當(dāng)某車間的真實(shí)單耗用電大于單耗定額標(biāo)準(zhǔn)值qij(0)時(shí)，定義懲罰系數(shù)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(dāng)某車間的真實(shí)單耗用電小于單耗定額標(biāo)準(zhǔn)值qij(0)時(shí)，定義獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)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(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。每級的獎(jiǎng)勵(lì)金額為

則該車間獲得的獎(jiǎng)金總額為

因此，若第i個(gè)車間第j個(gè)月的實(shí)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(jiǎng)懲金額M為

2.2.3 電能質(zhì)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(dòng)率）分別代表5項(xiàng)電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)值[8]，則這5項(xiàng)電能質(zhì)量考核指標(biāo)分別定義如下。

電壓偏差指標(biāo)SVD為

其中，ΔUb為電壓偏差標(biāo)準(zhǔn)值，ΔU為電壓偏差。

三相不平衡度指標(biāo)SVU為

其中，εb為三相不平衡度國家標(biāo)準(zhǔn)值，ε為三相不平衡度。

電壓波動(dòng)指標(biāo)SVF為

其中，db代表電壓波動(dòng)國家標(biāo)準(zhǔn)值，d表示電壓波動(dòng)。

頻率偏差指標(biāo)SFD為

其中，Δfb代表頻率偏差國家標(biāo)準(zhǔn)值，Δf表示頻率偏差。

諧波畸變率指標(biāo)SHD為

其中，THDb代表諧波畸變率國家標(biāo)準(zhǔn)值，THD表示諧波畸變率。

電能質(zhì)量綜合指標(biāo)SPQI為

根據(jù)SPQI的值將電能質(zhì)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(gè)等級，按照系統(tǒng)設(shè)定的規(guī)則，對電能質(zhì)量的不同等級實(shí)施獎(jiǎng)懲。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用面向?qū)ο蟮能浖幊谭椒ê湍K化的設(shè)計(jì)，用不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不同功能，各個(gè)單元間彼此獨(dú)立，又有機(jī)地構(gòu)成了一個(gè)整體，使該軟件具備靈活多樣、可修改、易于后期擴(kuò)展的特性。圖5為系統(tǒng)的軟件框圖。

圖5 系統(tǒng)軟件框圖

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套適用于大型企業(yè)的分層分布式電能管理系統(tǒng)，通過智能化的硬件平臺和模塊化的系統(tǒng)軟件，使企業(yè)管理人員可以即時(shí)并直觀清晰地掌握全公司的電力消耗狀況，以此為基礎(chǔ)來建立相應(yīng)的電能管理決策，實(shí)現(xiàn)對企業(yè)各部門用電的精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。