摘 要：基(ji)於(yu)車(che)間(jian)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)的(de)電(dian)能(neng)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)架(jia)構(gou)思(si)路(lu)及(ji)實(shi)施(shi)方(fang)法(fa)，從(cong)硬(ying)件(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)方(fang)麵(mian)對(dui)此(ci)方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)了(le)闡(chan)述(shu)。對(dui)車(che)間(jian)舊(jiu)設(she)備(bei)改(gai)造(zao)以(yi)及(ji)新(xin)的(de)電(dian)能(neng)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)一(yi)種(zhong)思(si)路(lu)和(he)便(bian)捷(jie)的(de)方(fang)法(fa)。

關鍵詞：電能管理係統；多功能電力儀表

；電能質量監測
；實時報警；實時監測

0 引言

      目(mu)前(qian)，大(da)多(duo)數(shu)車(che)間(jian)的(de)用(yong)電(dian)數(shu)據(ju)都(dou)是(shi)通(tong)過(guo)車(che)間(jian)配(pei)電(dian)室(shi)成(cheng)套(tao)開(kai)關(guan)櫃(gui)上(shang)的(de)電(dian)力(li)儀(yi)表(biao)進(jin)行(xing)計(ji)量(liang)，往(wang)往(wang)一(yi)台(tai)開(kai)關(guan)櫃(gui)所(suo)帶(dai)的(de)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)很(hen)多(duo)，而(er)電(dian)力(li)儀(yi)表(biao)所(suo)計(ji)量(liang)的(de)是(shi)多(duo)台(tai)設(she)備(bei)的(de)總(zong)電(dian)能(neng)數(shu)據(ju)

，計(ji)量(liang)並(bing)分(fen)析(xi)單(dan)台(tai)設(she)備(bei)的(de)用(yong)電(dian)數(shu)據(ju)成(cheng)為(wei)難(nan)題(ti)。本(ben)文(wen)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)思(si)路(lu)和(he)方(fang)法(fa)

，用(yong)於(yu)對(dui)車(che)間(jian)的(de)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)低(di)成(cheng)本(ben)改(gai)造(zao)，僅(jin)需(xu)在(zai)設(she)備(bei)端(duan)增(zeng)加(jia)電(dian)流(liu)互(hu)感(gan)器(qi)和(he)多(duo)功(gong)能(neng)電(dian)力(li)儀(yi)表(biao)
，與(yu)中(zhong)控(kong)室(shi)的(de)上(shang)位(wei)機(ji)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)組(zu)成(cheng)電(dian)能(neng)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)，用(yong)於(yu)對(dui)車(che)間(jian)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)的(de)用(yong)電(dian)檢(jian)測(ce)及(ji)耗(hao)電(dian)數(shu)據(ju)的(de)記(ji)錄(lu)與(yu)分(fen)析(xi)，以(yi)便(bian)及(ji)時(shi)發(fa)現(xian)耗(hao)電(dian)多(duo)的(de)設(she)備(bei)和(he)異(yi)常(chang)狀(zhuang)態(tai)的(de)設(she)備(bei)，為(wei)全(quan)廠(chang)的(de)節(jie)電(dian)和(he)管(guan)理(li)者(zhe)的(de)決(jue)策(ce)管(guan)理(li)提(ti)供(gong)數(shu)據(ju)支(zhi)撐(cheng)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)組(zu)建(jian)車(che)間(jian)設(she)備(bei)電(dian)能(neng)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)。方(fang)法(fa)一(yi)：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huo其qi他ta可ke編bian程cheng控kong製zhi器qi控kong製zhi的de設she備bei
，利li用yong控kong製zhi器qi自zi帶dai的de通tong訊xun接jie口kou與yu多duo功gong能neng電dian力li儀yi表biao組zu網wang通tong訊xun，將jiang電dian力li儀yi表biao的de數shu據ju讀du入ru控kong製zhi器qi
，由you控kong製zhi器qi將jiang電dian力li數shu據ju發fa送song至zhi上shang位wei機ji, 在上位機上進行顯示和存儲。方法二的特點：一是便於直接在控製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(suo)示(shi)為(wei)方(fang)法(fa)一(yi)對(dui)應(ying)的(de)係(xi)統(tong)框(kuang)圖(tu)。對(dui)每(mei)台(tai)設(she)備(bei)增(zeng)加(jia)電(dian)流(liu)互(hu)感(gan)器(qi)和(he)多(duo)功(gong)能(neng)電(dian)力(li)儀(yi)表(biao)
，通(tong)過(guo)多(duo)功(gong)能(neng)電(dian)力(li)儀(yi)表(biao)采(cai)集(ji)設(she)備(bei)的(de)電(dian)流(liu)電(dian)壓(ya)

，多(duo)台(tai)多(duo)功(gong)能(neng)電(dian)力(li)儀(yi)表(biao)通(tong)過(guo)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為單台多功能電力儀表電氣原理圖,負載為一台變頻器驅動的電機。三相電經空開接至變頻器輸入端，T1
、T2
、T3為電流互感器 
，接(jie)至(zhi)該(gai)電(dian)力(li)儀(yi)表(biao)的(de)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)輸(shu)入(ru)端(duan)。通(tong)過(guo)從(cong)三(san)相(xiang)母(mu)線(xian)上(shang)取(qu)電(dian)結(jie)點(dian)，再(zai)經(jing)熔(rong)斷(duan)器(qi)接(jie)至(zhi)該(gai)電(dian)力(li)儀(yi)表(biao)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)輸(shu)入(ru)端(duan)。電(dian)力(li)儀(yi)表(biao)的(de)報(bao)警(jing)輸(shu)出(chu)立(li)而(er)口(kou)接(jie)中(zhong)間(jian)繼(ji)電(dian)器(qi)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 方法一係統框圖

      完成硬件布置後，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台通訊設備，並設置通訊方式
、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。在組態軟件界麵中可對獲取到的數據進行顯示並繪製成曲線、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

      對於PLC控製的設備，利用PLC的通訊端口
，與多台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為方法二對應的係統框圖。利用PLC的RS485接口與多台電力儀表組網 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，須注意其主從關係：PLC相對於多功能電力儀表，PLC為主站，電力儀表為從站;PLC相對於觸摸屏, PLC為從站, 觸摸屏為主站。

圖3 方法二係統框圖

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],對兩台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，兩台電力儀表作為從站。圖4為程序段一
，第一個掃描周期先對各狀態位複位，然後調用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台電力儀表調用MBUS_MSG指令啟動對從站的請求並處理響應。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對兩台電力儀表進行一次數據讀取。

圖5 程序段二

      圖6 程序段三在對第一台電力儀表數據完成讀取後 ，再對第二台電力儀表進行數據讀取。同樣調用MBUS_MSG指令完成讀取。當子程序編與完成後
，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作為主控製器，通過梯形圖編程實現與兩台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。對於有些感性負載，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並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製的電力儀表盤界麵，直觀地顯示了電力實時數據,並通過表格控件實現實時數據查看和曆史數據查詢的功能。圖8為電力數據實時曲線和曆史曲線查詢界麵。圖9為用電量餅圖和棒狀圖分析界麵。

圖7 電力儀表盤界麵

圖8 曆史曲線界麵

圖9 餅圖和棒圖界麵

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。對於某一區域的多台用電設備，將其分別對應的多台電力儀表通過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,然後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zong線xian長chang度du來lai保bao證zheng數shu據ju傳chuan輸shu的de速su度du和he穩wen定ding性xing。注zhu意yi互hu感gan器qi和he電dian力li儀yi表biao連lian線xian時shi勿wu在zai負fu載zai帶dai電dian運yun行xing的de同tong時shi將jiang電dian流liu互hu感gan器qi進jin行xing開kai路lu接jie線xian。多duo台tai電dian力li儀yi表biao通tong過guoRS485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安科瑞電能管理係統

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係，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、客戶用電管理係統

、需求側管理等課題。

Acrel-3000WEB電(dian)能(neng)管(guan)理(li)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)通(tong)過(guo)對(dui)用(yong)戶(hu)端(duan)用(yong)電(dian)情(qing)況(kuang)進(jin)行(xing)細(xi)分(fen)和(he)統(tong)計(ji)，以(yi)直(zhi)觀(guan)的(de)數(shu)據(ju)和(he)圖(tu)表(biao)向(xiang)管(guan)理(li)人(ren)員(yuan)或(huo)決(jue)策(ce)層(ceng)展(zhan)示(shi)各(ge)分(fen)項(xiang)用(yong)電(dian)的(de)使(shi)用(yong)消(xiao)耗(hao)情(qing)況(kuang)
，便(bian)於(yu)找(zhao)出(chu)高(gao)耗(hao)能(neng)點(dian)或(huo)不(bu)合(he)理(li)的(de)耗(hao)能(neng)習(xi)慣(guan)，有(you)效(xiao)節(jie)約(yue)電(dian)能(neng)，為(wei)用(yong)戶(hu)進(jin)一(yi)步(bu)節(jie)能(neng)改(gai)造(zao)或(huo)設(she)備(bei)升(sheng)級(ji)提(ti)供(gong)準(zhun)確(que)的(de)數(shu)據(ju)支(zhi)撐(cheng)。

7.2應用場所

      （1）辦公建築（商務辦公
、大型公共建築等）；

      （2）商業建築（商場、金融機構建築等）；

      （3）旅遊建築（賓館飯店、娛樂場所等）；

      （4）科教文衛建築（文化
、教育、科研
、醫療衛生、體育建築等）
；

      （5）通信建築（郵電、通信、廣播、電視等）
；

      （6）交通運輸建築（機場、車站、碼頭建築等）。

7.3係統結構

7.4係統功能

1）實時監測

      係統人機界麵友好，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

      係xi統tong以yi豐feng富fu的de報bao表biao支zhi撐cheng計ji量liang體ti係xi的de完wan整zheng性xing。係xi統tong具ju備bei定ding時shi抄chao表biao彙hui總zong統tong計ji功gong能neng，用yong戶hu可ke以yi自zi由you查zha詢xun自zi係xi統tong正zheng常chang運yun行xing以yi來lai任ren意yi時shi間jian段duan內nei各ge配pei電dian節jie點dian的de用yong電dian情qing況kuang，即ji該gai節jie點dian進jin線xian用yong電dian量liang與yu各ge分fen支zhi回hui路lu消xiao耗hao電dian量liang的de統tong計ji分fen析xi報bao表biao。該gai功gong能neng使shi得de用yong電dian可ke視shi透tou明ming，並bing在zai用yong電dian誤wu差cha偏pian大da時shi可ke分fen析xi追zhui溯su，維wei護hu計ji量liang體ti係xi的de正zheng確que性xing。

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
，並可以查看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

      係統具有實時電力參數和曆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，在查詢界麵中能夠自定義需要查詢的參數

、指定時間或選擇查詢更新的記錄數據等，並通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定製運行日報
、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

      係統對配電係統總進線
、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

      係統具有實時報警功能


，係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
，並根據事件等級發出告警。係統報警時自動彈出實時報警窗口，並發出聲音或語音提醒。

7）曆史事件查詢

      係統能夠對遙信變位，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
，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯
，查詢統計、事故分析。

8）電能質量監測

      係統可以對整個配電係統範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

      係統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分
、合遙控操作。係統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對於每次遙控操作，係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

      係統為保障係統安全穩定運行，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，為係統運行
、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態圖

      係統支持實時監視接入係統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個係統網絡結構；可(ke)在(zai)線(xian)診(zhen)斷(duan)設(she)備(bei)通(tong)訊(xun)狀(zhuang)態(tai)
，發(fa)生(sheng)網(wang)絡(luo)異(yi)常(chang)時(shi)能(neng)自(zi)動(dong)在(zai)界(jie)麵(mian)上(shang)顯(xian)示(shi)故(gu)障(zhang)設(she)備(bei)或(huo)元(yuan)件(jian)及(ji)其(qi)故(gu)障(zhang)部(bu)位(wei)。從(cong)而(er)方(fang)便(bian)運(yun)行(xing)維(wei)護(hu)人(ren)員(yuan)實(shi)時(shi)掌(zhang)握(wo)現(xian)場(chang)各(ge)設(she)備(bei)的(de)通(tong)訊(xun)狀(zhuang)態(tai)，及(ji)時(shi)維(wei)護(hu)出(chu)現(xian)異(yi)常(chang)的(de)設(she)備(bei)
，保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)定(ding)運(yun)行(xing)。

12）視頻監控

      視頻監控展示了當前實時畫麵（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

      用戶報告頁麵主要用於對選定的變配電站自動彙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“監控係統”
、“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係統硬件配置

8 結語

      本文結合工程實際提供了一種建立電能管理係統的思路和方法,可在車間用電設備的控製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係統。如果在電能管理係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係統,將獲得的電力數據上傳雲端或與MES係統、ERP 係統對接。總之
，電能管理係統是組建數字化工廠
、智慧工廠不可或缺的一部分。

【參考文獻】

【1】侯冉，徐春風.基於多功能電力儀表的車間設備電能管理係統設計

【2】多功能網絡電力儀表使用手冊[2].鄭州淩鑫電力科技有限公司

【3】SIMATIC S7 S7-200 SMART 係統手冊,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

安科瑞唐曉娟