石炳君

（南京市玄武區(qū)人民政府，江蘇南京210018）

0 引言

電能管理系統(tǒng)是按用戶的需求，在用戶配電系統(tǒng)中附加的能夠?qū)ε潆娤到y(tǒng)中各種用電設(shè)備消耗的電能進行實時采集和顯示、自動計算和處理、匯總分析報告的自動化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對電能按照明插座用電、動力用電、空調(diào)用電、特殊用電進行分項計量，為企、事業(yè)單位電能管理、節(jié)能審計提供依據(jù)。早期的用戶配電系統(tǒng)都不具備這樣的電能管理系統(tǒng)，雖然近幾年安裝投運的配電系統(tǒng)不少已經(jīng)配備了電力監(jiān)測系統(tǒng)，但仍與電能管理系統(tǒng)不盡相同，并不能達到對電能進行管理的目的。當今各種電能計量傳感器、儀表以及計算機網(wǎng)絡(luò)通訊的蓬勃發(fā)展，可以對上述兩種配電系統(tǒng)進行二次開發(fā)，增加電能管理系統(tǒng)。

1 配電設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 某機關(guān)辦公大樓（以下簡稱“大樓”）基本情況

大樓建于1997年，共23層，其中地下2層，地上21層。20多年來經(jīng)過一些局部改造，目前總體分布如下：負2層為機動車車庫，負1層設(shè)有非機動車庫、配電室、水泵房等設(shè)備間；1～19層為建筑主體，主要為辦公室，另設(shè)有會議中心（19層）、小型會議室若干、活動室、機房、食堂等；20層為電梯間、21層為中央空調(diào)及其配電間。

1.2 配電系統(tǒng)簡介

大樓配電房設(shè)在負一層，有高壓配電室1間，低壓配電室2間，由雙路10 kV受電，4臺變壓器配電。其中1#變、2#變通過母線槽分別向單雙樓層饋電（包括照明、插座、獨立空調(diào)等），樓層用電由各層插接箱從母線槽引出，經(jīng)總配電箱、分配電箱向各用電終端饋電；水泵房、食堂、消防、電梯、排風等公共設(shè)施分配于1#變、2#變，由低壓配電柜饋線單元直供。3#變、4#變通過母線槽給21層中央空調(diào)系統(tǒng)及19層會議中心空調(diào)系統(tǒng)饋電。

1.3 配電一次系統(tǒng)圖

配電一次系統(tǒng)如圖1所示，由于各回路電能都在低壓部分計量，圖中省略了高壓配電部分。

1.4 電能計量現(xiàn)狀

大樓屬于機關(guān)行政辦公用途，不存在對外租賃情況，配電設(shè)備是20世紀90年代產(chǎn)品，沒有相應(yīng)的電能計量管理體系和設(shè)施，僅有的計量是供電公司在高壓進線端安裝的計量表計，用于核算大樓總的電費。配電柜上只有些指示用的指針表計，不具備電能測量功能。

大樓曾經(jīng)安裝過一套電能管理系統(tǒng)，主要是用于空調(diào)、電梯等主要耗能設(shè)備的計量管理，該系統(tǒng)不能對所有用電負荷進行電能計量管理，散布于樓層中的獨立空調(diào)能耗未能納入計量管理。

由于大樓配電線路多次改造，同一配電線路上不同類型的用電設(shè)備混雜。

2 電能管理需求

2.1 相關(guān)法律法規(guī)文件

為響應(yīng)國務(wù)院制定的一系列促進節(jié)能減排的政策措施，各級政府也相繼出臺了一系列法規(guī)和條例。

《中華人民共和國節(jié)約能源法》第二十七條規(guī)定［1］：用能單位應(yīng)當建立能源消費統(tǒng)計和能源利用狀況分析制度，對各類能源的消費實行分類計量和統(tǒng)計，并確保能源消費統(tǒng)計數(shù)據(jù)真實、完整。

《中華人民共和國節(jié)約能源法》第四十九條規(guī)定［1］：公共機構(gòu)應(yīng)當制定年度節(jié)能目標和實施方案，加強能源消費計量和監(jiān)測管理，向本級人民政府管理機關(guān)事務(wù)工作的機構(gòu)報送上年度的能源消費狀況報告。

圖1 配電一次系統(tǒng)及計量點位

《公共機構(gòu)節(jié)能條例》第十四條規(guī)定［2］：公共機構(gòu)應(yīng)當實行能源消費計量制度，區(qū)分用能種類、用能系統(tǒng)，實行能源消費分戶、分類、分項計量，并對能源消耗狀況進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)、糾正用能浪費現(xiàn)象。

《公共機構(gòu)節(jié)能條例》第十五條規(guī)定［2］：公共機構(gòu)應(yīng)當指定專人負責能源消費統(tǒng)計，如實記錄能源消費計量原始數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)計臺賬。

《江蘇省公共機構(gòu)節(jié)能管理辦法》《江蘇省公共機構(gòu)能源資源消耗統(tǒng)計制度》等文件也對公共機構(gòu)的用能、節(jié)能及能耗的統(tǒng)計、報告提出了相關(guān)要求。

2.2 內(nèi)部管理要求

全國各行各業(yè)都在積極采取措施節(jié)能節(jié)電，取得了積極的進展。作為政府機關(guān)更應(yīng)該帶頭踐行，按照公共機構(gòu)節(jié)能條例以及公共機構(gòu)能源消耗統(tǒng)計制度要求，對能源消耗進行計量并有效管理。然而電力節(jié)能方案的實施、用電節(jié)能設(shè)備的廣泛采用是否真起到了節(jié)能的作用，必須用合理的考核管理機制進行科學(xué)的判斷。電能管理系統(tǒng)為這種考核和判斷提供依據(jù)。

大樓電氣設(shè)備相對比較老舊，也經(jīng)過多次改造調(diào)整，通過對各用電設(shè)備進行能耗測量并建立電能管理系統(tǒng)的過程，可以有效地對現(xiàn)有配電線路進行一次梳理，排除一些運行隱患，使得配電系統(tǒng)運行更加安全。

電能管理系統(tǒng)的建立必定要對各回路電流、電壓、功率、功率因數(shù)進行測量，通過這些電參量也可以監(jiān)測配電系統(tǒng)的運行狀況，從而使得配電系統(tǒng)運行更加安全可靠。

2.3 電能管理要求

電能管理系統(tǒng)的作用是通過對用電設(shè)備消耗的電能進行分項計量以達到對內(nèi)部電能消耗進行深入監(jiān)測和全面管理，進而節(jié)能增效的目的。

所謂分項計量，對于一個辦公性質(zhì)的大樓，至少應(yīng)分別計量以下類別的用電設(shè)備耗電。

（1）照明插座用電：主要包括照明和插座用電、走廊和應(yīng)急照明用電、室外景觀照明用電。（2）空調(diào)用電：主要包括中央空調(diào)、獨立空調(diào)用電。（3）動力用電：主要包括電梯用電、水泵用電、風機用電。

（4）特殊用電：主要包括信息中心、廚房餐廳、活動中心等其他特殊用電。

分項計量既要計量每個不同的出線回路耗電，又要把同一回路中不同的用電設(shè)備耗電分開計量，就必須充分查清配電電路的實際走向和連接的實際負載，選擇合適的計量點，再進行分項匯總。

對于每個計量點原則上電能管理系統(tǒng)只要測量電能，即有功電能、無功電能（對于實行峰谷計費的用戶，計量表計應(yīng)具有復(fù)費率計量功能，對于發(fā)電回路計量表計應(yīng)具有四象限電能測量功能，本大樓這兩種情況都不存在）。但實際上目前絕大多數(shù)計量表計都是多功能的，在提供電能參數(shù)的同時，還具有常規(guī)電參量測量數(shù)據(jù)，如：三相電流、三相電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等，這些參數(shù)可用于對配電系統(tǒng)運行狀況進行監(jiān)測。

有了各計量點的數(shù)據(jù)，還要運用現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)對這些數(shù)據(jù)實時自動采集、計算、處理，通過圖表等形式直觀顯示出來；對歷史數(shù)據(jù)保存、匯總、分析，給出反映各項用電設(shè)備電能消耗的分析報告，為節(jié)能決策提供依據(jù)。

3 電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能選擇

3.1 電能管理系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)和功能

電能管理系統(tǒng)通常采用分層分布式結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，即站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層，按功能或區(qū)域進行劃分，模塊化設(shè)計。

硬件系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

電能管理系統(tǒng)軟件是對現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)進行采集與過程控制的專用軟件，最大特點是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式來進行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能。通常包括：系統(tǒng)組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)存儲軟件、電能管理軟件、設(shè)備驅(qū)動軟件和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件。比如在分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，所有應(yīng)用（例如趨勢曲線、報警等）對遠程數(shù)據(jù)的引用方法與引用本地數(shù)據(jù)完全相同，通過“組態(tài)”的方式大大縮短了自動化工程師的系統(tǒng)集成時間，提高了集成效率。

3.2 電能管理系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)系

電能管理系統(tǒng)和電力系統(tǒng)都需要通過測量終端測量相關(guān)電路的電參量，測得的數(shù)據(jù)也都要自動采集、傳輸、存儲，經(jīng)不同系統(tǒng)軟件進行計算、顯示、統(tǒng)計、匯總、查詢、報告、通知等。兩個系統(tǒng)在低壓側(cè)配電回路電參量的數(shù)據(jù)采集差別不大，但電力監(jiān)控系統(tǒng)還需采集高壓側(cè)各進出線回路的電參量、綜保裝置信息、高低壓開關(guān)的狀態(tài)信息、關(guān)鍵連接點關(guān)鍵隔室的溫濕度甚至環(huán)境溫濕度等參數(shù)，對測量終端的附加功能要求較多。電能管理系統(tǒng)為了達到分項計量的目的，僅僅在配電房低壓側(cè)測量低壓所有出線（一級配電回路）的電參量是遠遠不夠的，可能需要測量二級甚至三級配電回路的電參量。兼有收費功能電能管理系統(tǒng)，對計量終端的傳感器、表計的精度還有一定的要求。因此電能管理系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)通常是不能完全兼容的?；蛘哒f常規(guī)的電力監(jiān)控系統(tǒng)并不能滿足電能管理的需要。

3.3 電能管理系統(tǒng)的基本功能

3.3.1 用戶權(quán)限

為了保證電能管理系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，用戶權(quán)限管理應(yīng)能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行維護管理通過可靠的安全保障。

3.3.2 人機交互

圖2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

電能管理系統(tǒng)應(yīng)具備友好的人機界面，能夠以配電一次系統(tǒng)圖的形式直觀顯示本項目配電線路的分布情況，同時將遠程采集的各回路的電參量信息（如電流、功率等）實時顯示在系統(tǒng)界面中。配電系統(tǒng)維護人員在值班室內(nèi)通過瀏覽各系統(tǒng)界面，即可實時掌握現(xiàn)場配電工況。

3.3.3 電能統(tǒng)計報表

電能管理系統(tǒng)以豐富的數(shù)據(jù)報表體現(xiàn)計量體系的完整性。系統(tǒng)應(yīng)具備各回路定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況、進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時能追溯，維護計量體系的正確性。

對于采用峰谷不同費率的用戶，電能管理系統(tǒng)應(yīng)為用戶提供綜合的電能和需量統(tǒng)計報表功能，包含不同饋線的峰平谷用電量統(tǒng)計與記錄，從而為用電的合理管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。同時可對各回路進行日、月、年報表的統(tǒng)計，減少配電系統(tǒng)維護人員電能統(tǒng)計的工作時間，提高工作效率。

電能管理系統(tǒng)應(yīng)該能按照分項計量的要求，對照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電及特殊用電分別進行統(tǒng)計、匯總、報告。

3.3.4 越限、故障告警

電能管理系統(tǒng)可以根據(jù)項目具體情況對必要的計量對象配置告警功能，報警類型含測量值（如電流、功率）越限、監(jiān)測設(shè)備通訊故障等。設(shè)定值應(yīng)該可以更具實際負載情況調(diào)整，系統(tǒng)報警時能夠進行信息語音提示，自動彈出報警畫面?？梢詫缶畔⑼ㄟ^手機短信、Email等方式通知相關(guān)人員（一般為可選配置）。

3.3.5 電能質(zhì)量監(jiān)測

電能管理系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測（需配置帶諧波監(jiān)測功能的儀表）。例如配電系統(tǒng)維護人員可以通過諧波分析界面掌握配電系統(tǒng)的諧波含量，及時采取相應(yīng)的措施提高配電系統(tǒng)的可靠性，減少因諧波造成的供電事故的發(fā)生。

3.3.6 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能

根據(jù)需要電能管理系統(tǒng)配置WEB信息系統(tǒng)功能，從而使得管理人員可以通過IE或其他瀏覽器，查看實時數(shù)據(jù)、監(jiān)控畫面、歷史數(shù)據(jù)等遠程訪問功能。

3.3.7 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口

電能管理系統(tǒng)軟件應(yīng)具備多種標準的接口和協(xié)議的接入，如支持485總線，多種不同的通信協(xié)議如Mobus-RTU、Mobus/TCP、IEC103、IEC104等，同時具備后期對非標準規(guī)約協(xié)議的開發(fā)接入，使得所有智能設(shè)備都能無縫連接到后臺系統(tǒng)中來。同時系統(tǒng)支持工業(yè)OPC接口與其他系統(tǒng)（如BA系統(tǒng)）進行數(shù)據(jù)共享。

以上功能可以根據(jù)自身項目特點和要求進行必要的取舍。

3.4 項目的最終方案

本項目的基本目標是實現(xiàn)電能的分項計量，自動抄表、顯示負荷曲線、任意歷史數(shù)據(jù)查閱、任意時間段報告生成，數(shù)據(jù)上報上級機關(guān)（在上級機關(guān)未確定好傳輸協(xié)議前，本系統(tǒng)預(yù)留接口）。

加裝電能管理系統(tǒng)本身就是為了通過系統(tǒng)的管理找到電能使用不合理的環(huán)節(jié)，實施節(jié)能改造、行政干預(yù)達到節(jié)能的目的。本項目中涉及的配電設(shè)備比較老舊，繼續(xù)使用的年限不會太久，不計成本對現(xiàn)有配電設(shè)備進行較大的改造，將電能管理系統(tǒng)做的大而全顯然是不經(jīng)濟的。因此本系統(tǒng)應(yīng)簡潔經(jīng)濟、施工簡單，盡可能不對現(xiàn)有設(shè)備做大的改動。

通過廣泛的市場調(diào)研，選擇了產(chǎn)品豐富、軟硬件齊全的Acrel品牌。

軟件功能：保留了用戶權(quán)限、人機交互、電能統(tǒng)計報表（根據(jù)本項目特殊要求定制）、越限故障告警、電能質(zhì)量檢測等基本功能；考慮到本系統(tǒng)建成后由專門人員管理，為降低造價舍去了網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，為今后向上級機關(guān)上報電能數(shù)據(jù)系統(tǒng)預(yù)留了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口。

計量點：低壓進線計量4個、低壓出線計量41個，為區(qū)分不同種類的用電設(shè)備在部分終端計量12個，計量點位如圖1所示。

4 方案實施

4.1 站控管理層

站控管理層是針對配電網(wǎng)絡(luò)的管理人員，該層直接面向用戶。該層也是系統(tǒng)的最上層部分，主要是由電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備組成。硬件包括工控機、打印機、UPS等；軟件包括：系統(tǒng)組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)存儲軟件、電能管理應(yīng)用軟件。站控層設(shè)備安裝于配電房值班室。

4.2 組網(wǎng)及通信

網(wǎng)絡(luò)通信層主要是由通信管理機、接口轉(zhuǎn)換器件及總線網(wǎng)絡(luò)等組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，不同的接口轉(zhuǎn)換器件提供了RS232，RS422，RS485，SPABUS等及以太網(wǎng)等各種接口，組網(wǎng)方式靈活，支持點對點的通信、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等類型的組態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

本項目通信管理機采用NPORT5410串口服務(wù)器，可讓4個RS485串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，提供簡單方便的聯(lián)網(wǎng)方式，不但可以保證現(xiàn)有的硬件資源，更確保未來網(wǎng)絡(luò)的擴充可能性。

所有計量終端經(jīng)485總線分組連接串口服務(wù)器。1#變、2#變相關(guān)終端各自分為一組，經(jīng)電纜溝分別接到串口服務(wù)器，占兩個口。3#變、4#變相關(guān)計量終及樓層分散計量終端分為一組，占用串口服務(wù)器一個口，剩余一個口留作將來擴展。

考慮到各樓層計量終端比較分散，有的樓層目前沒有需要計量的終端，但可能以后會有計量需求，因此串口服務(wù)器的485總線從主站經(jīng)電纜溝、電井一直敷設(shè)到各樓層，在樓層電井處裝設(shè)無線收發(fā)器，樓層分散終端計量表計與電井中無線收發(fā)器采用無線通信，避免了在樓層中敷設(shè)485總線的麻煩。

4.3 現(xiàn)場設(shè)備層

為了滿足測量要求并盡可能少的改動原配電設(shè)備，就要根據(jù)不同的計量點選取不同的計量表計，采取不同的改裝方法對終端設(shè)備進行改裝，本項目涉及終端改裝主要有以下幾種情形。

4.3.1 進線計量

低壓進線端原配電設(shè)備有指針式電表：三相電流、三相電壓、有功功率、功率因數(shù)。改造方法是在每個進線柜增加一只ACR網(wǎng)絡(luò)電力儀表［3］，可以測量三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、四象限電能、諧波，帶485通信、開關(guān)量輸入輸出。改裝方法：將原配電柜電壓表替換成新裝表、利用原配電柜二次線路，改裝工作量少。

4.3.2 低壓出線柜出線計量

本項目中低壓出線會路有兩種：一種是面板有3只指針式電流表（對應(yīng)于ABC三相電流互感器）的回路，另一種是面板上只有一只指針式表電流表（對應(yīng)一相電流互感器）的回路。

針對第一種情況，可以采用PZ80L多功能測量儀表改裝［3］，與原6L2電流表相同開孔尺寸，可以測量：三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、四象限電能，帶485通信、開關(guān)量輸入輸出。改裝方法：將原配電柜B相電流表替換成新裝表、利用原配電柜二次線路，改裝工作量非常少。

針對第二種情況，可以采用AEW100無線計量模塊［4］，該模塊自帶三相開口互感器，可測量：三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、正反向有功無功電能、諧波，帶485及470 MHz無線通信?？刹煌ｋ姼难b：將三相開口互感器分別固定于三相電纜，利用自身緊固螺釘穿刺取電，急速完成。

在配電柜中安裝的表計，無論是面板表還是AEW100計量模塊，通信線都采用屏蔽雙絞線，簡單可靠。

4.3.3 樓層分散終端計量

對于樓層配電箱空間比較大的終端，采用AEW100無線計量模塊，改裝方法同低壓配電柜出線回路一樣，但無須連接485通信線。

由于某些室內(nèi)配電箱，如模數(shù)化PZ30配電箱，不具備安裝AEW100的空間，可以采用DTSD+AEW110的組合。DTSD是導(dǎo)軌式計量表，可以測量：三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、正反向有功無功電能，帶485通信、開關(guān)量輸入輸出。AEW110是一個無線收發(fā)器，可以將DTSD電表的數(shù)據(jù)無線發(fā)送到電井中的AEW110。本樓層電井中的AEW110可以無線接收本樓層所有無線終端的數(shù)據(jù)，使本樓層所有分散安裝的AEW100、DTSD甚至其他具有485通信的終端進行無線組網(wǎng)，不需要敷設(shè)雙絞線至電井中的485總線。

現(xiàn)場設(shè)備層與站控管理層之間的通信連接如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲

4.4 電能報表

4.4.1 常規(guī)電能報表

常規(guī)的電能報表內(nèi)容與配電系統(tǒng)一致，顯示全大樓總用電量、每臺變壓器總用電量，每個低壓出線回路用電量，通過本報表可以進行總表分表校驗。

4.4.2 分項電能報表

表1的格式是按用電種類分項計量的報表，表中數(shù)據(jù)為通過軟件對相關(guān)表計數(shù)據(jù)進行計算所得。

4.4.3 內(nèi)部考核用電能報表

表2是按大樓管理部門要求分類統(tǒng)計的報表格式，便于內(nèi)部用電管理和節(jié)能考核，表中數(shù)據(jù)為通過軟件對相關(guān)表計數(shù)據(jù)進行計算所得。

需要指出的是，三種報表格式均需在軟件中定制。

5 結(jié)語

電能管理系統(tǒng)的作用是通過對用電設(shè)備消耗的電能進行分項計量以達到對內(nèi)部電能消耗進行深入監(jiān)測和全面管理進而節(jié)能增效的目的。電能管理系統(tǒng)是依附于配電系統(tǒng)的，因此加裝電能管理系統(tǒng)必須首先對配電設(shè)備現(xiàn)狀以及系統(tǒng)最終要達到的要求進行細致的分析，才能明確方案配置，進而選定計量點、對終端設(shè)備進行適宜的計量改造，通過必要的網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)對各回路電能的實時采集、分項統(tǒng)計分析、報告，最終達到有效管理的目的。

表1 分項電能計量報表

表2 內(nèi)部考核管理電能報表