浅谈智慧电能管理系统的设计与应用方案

　　摘要：随着科学技术的不断发展，智慧电能管理系统的应用场景也越来越广泛，利用智慧电能管理系统合理规划生产及用电计划，充分利用峰、谷、平电价政策，可有效降低同等用电量需求下的生产经营成本，促进节能降耗目标实现。本文介绍的是一款在燃料电池厂房稳定运行的智慧电能管理系统设计思路及应用。

　　关键词：电能；智慧电能管理系统；配电；设备

　　0引言

　　电力作为工业的血液，随着互联网技术与工业4.0的持续发展，在国家大力推动智能制造背景下，在工厂中引入智慧电能管理系统，实现电力设施运行数据的的自动采集和监控，减少了对人工检查电力设施的依赖，不仅可以提高工厂供配电系统的稳定性，同时通过对下级自动化设备的在线的工况进行监控，及时发现潜在的隐患，降低设备维护成本。

　　1 智慧电能管理系统简介

　　智慧电能管理系统是一种传统电能管理技术和互联网技术相融合而实现的一种技术，它利用传感器监控、现场总线技术、互联网云技术紧密结合，实现了远程监控、数据云储存、远程诊断等功能，可为用电企业提供了一套智能化的电能管理方案。

　　2 建设智慧电能管理系统意义

　　（1） 通过分析历史用电数据，合理规划生产及用电计划，通过峰、谷、平错峰用电，可以有效降低同等用电量需求下的生产经营成本；

　　（2）通过电能管理系统定期推送工厂各区域用电信息，使各员工了解工作区域用电情况，形成良性节能降耗意识，促进节能降耗目标实现；

　　（3）工厂内关键用电设备是进行正常生产的基础，其安全、高效、稳定运行是完成生产任务的必要条件，监控其运行工况意义重大，可及时发现设备潜在的隐患；

　　（4）建设智慧电能管理系统，其输出的能效数据信息可为企业生产计划评估、成本评估及设备养护等企业经营活动提供决策数据支持；

　　3 智慧电能管理系统设计思路

　　3.1 总体实施思路

　　拟通过构建电能采集监控系统，对厂区内配电设备（如：变压器、一级配电柜、二级配电柜）、常用厂务设施（螺杆冷水机组、冷却水机组、空调机 组、空压机等）、生产设备（自动化生产线、测试设备）、发电设备（燃料电池测试台架）、照明配电柜、办公用电配电柜进行电能信息采集监控。

　　1） 通过监控各用电设备的电压、电流、功率因数等信息，完成能源信息统计、能源趋势分析及异常类信息告警；

　　2） 根据工厂生产计划，分解大功率供用电设备、生产线、区域照明、管理区域用电计划，并对阶段目标完成情况进行评估考核；

　　3） 根据实际生产需要，结合大功率设备用电趋势及峰、谷、平电价，调整生产计划执行策略，逐步合理优化企业生产能源使用效率。

　　3.2 电能采集网络建设

　　3.2.1 核心构思

　　1）采用互联网+模式建立“电能管理员、用电设备、采集设备、采集云服务”物联；

　　2）采用成熟云平台、大数据基础服务框架技术应对海量远程采集设备数据接入，保障服务的高可用与并发性；

　　3）采用云平台及移动端技术，依托能效行业化管理经验，为客户提供有效便利的能效管理工具。

　　4）系统架构图

　　3.2.2系统的通信网络

　　1）模块选型采用成熟工业化数据采集通信模块，支持RJ45、串口，ModBus及ModBus-RTU等多种通信协议数据转发；

　　2）具备远程参数配置与固件升级功能，操作简易。

　　3.2.3 系统的计量网络

　　1）遵循能源流向规律，逐层设立计量点位、形成完善的计量网络；

　　2）通过构建区域用电模型，掌握区域用电构成；

　　3）表计选型采用成熟工业化智能电能数据采集计量表计、支持双向计量、计量精度高，具备远程数据串口采集通信，支持ModBus及DL/T-2007通 信协议；

　　4）采用din导轨式挂扣设计，工程安装快捷。

　　3.3 电能监控系统信息化实施

　　3.3.1 实施策略

　　1）提出、构建并实施电能采集系统方案；

　　2）采集、分析能源构成、数据，提出能效改进建议；

　　3）建立阶段能效改进目标、系统实施；

　　4）能效改进策略实施阶段结果对比评估。

　　3.3.2 系统各功能定义

　　4 智慧电能管理系统的具体应用

　　4.1 电能查询

　　可以远程查询每个计量表的数据，根据需要自动存储表码读数，保存周期可以自由选择，解决了人工抄表会产生的漏抄、错抄、抄表时间过长、抄表过程不安全的问题。实现数据分析的智能化，自动化，可根据需要选择生成不同类型的月度能耗报表。

　　4.2 能耗分析

　　分析企业的峰、谷、平用电量信息，为能耗重点监管企业提供生产计划排产决策依据，大限度降低用电成本；另外还可以通过监控设备的功率因素，为无功功率的就地补偿提供设计依据。

　　4.2电流电压异常报警功能

　　通过在当设备层配电柜安装智能电表，实时监测设备的运行电压、电流数据，当监测到异常电流、电压时，可通过手机APP向电能管理者推送报警信息，及时发现设备或供电线路潜在的故障。

　　4.3 发电功率动态调整功能

　　对于一些燃料电池生产厂房，测试燃料电池的过程中有电能发出，目前主流的设计是自发自用。通过配置智慧能源管理系统，实时监测发电功率及用电功率，同步调节发电功率及

　　用电负荷之间的比例，使两者处于一个动态平衡，减少余电上网对电网系统的冲击。

　　5 安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案

　　5.1概述

　　用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，全面推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

　　安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

　　5.2应用场所

　　（1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

　　（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

　　（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

　　（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

　　（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；

　　（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

　　5.3系统结构

　　5.4系统功能

　　5.4.1实时监测

　　系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

　　5.4.2电能统计报表

　　系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备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分析追溯，维护计量体系的正确性。

　　5.4.3详细电参量查询

　　在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

　　5.4.4运行报表

　　系统具有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数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、指定时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

　　5.4.5变压器运行监视

　　系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

　　5.4.6实时报警

　　系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

　　5.4.7历史事件查询

　　系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

　　5.4.8电能质量监测

　　系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故（该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

　　5.4.9遥控操作

　　系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

　　5.4.10用户权限管理

　　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。

　　5.4.11通讯状态图

　　系统支持实时监视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；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

　　5.4.12视频监控

　　视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

　　5.4.13用户报告

　　用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

　　5.4.14 APP支持

　　电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

　　5.5系统硬件配置清单

　　应用场合型号图 片功能

　　电能管理软件Acrel-3000WEB?Acrel-3000WEB电能管理软件全方监视用户配电系统的运行状态和电量数据，为用户提供更好的运维服务。平台提供用户概况、电力数据监测、电能质量分析、用电分析、日/月/年用能数据报表、异常事件报警和记录、运行环境监测等功能，并支持多平台、多终端数据访问。

　　智能网关Anet-2E8S1?8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等协议的数据接入，ModbusT-c（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持不同协议向多平台转发数据；输入电源：AC/DC 22ov，导轨式安装。

　　ANet-2E4SM?4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模块）输入电源：DC 12 V ~36 V .支持4G扩展模块，485扩展模块。

　　ANet-485M485模块：4路光耦隔离RS485

　　ANet-M4GM4G模块：支持4G全网通

　　35kV/10kV/6kV微机保护装置AM6系列？35kV及以下配电系统线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等保护。

　　35kV/10kV/6kV弧光保护ARB5-M?主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，弧光保护〈8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、非电量保护、装置故障告警

　　ARB5-E扩展单元，可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号

　　ARB5-S?弧光探头，建议安装地点包括（但不限于）断路器室、电缆室、母线室，可面板开孔安装，亦可支架式安装。弧光探头的检测范围是一个角度为180°，半径0.5m的扇形区域。

　　35kV/10kV/6kV进线柜电能质量在线监测APView500?装置1024点波形采样，集谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体，能够满足110kV及以下供电系统电能质量监测的要求。

　　35kV/10kV/6kV间隔智能操控、节点测温ASD500?液晶屏显示一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温湿度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮、预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4~20mA输出

　　35kV/10kV/6kV传感器ATE400?合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃；传输距离空旷150米

　　35kV/10kV/6kV间隔电参量测量APM830?三相（I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos） ，零序电流In，四象限电能，实时及需量，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示

　　高压重要回路

　　或低压进线柜APM810?三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso），零序电流In，四象限电能，实时及需量，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示

　　AEM96三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）﹔电流规格3×1.5（6）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级

　　ADW300/4G?三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量；电压电流相角、电压电流不平衡度测量；电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量当月及上三月的电压、电流、功率；需量及上十二月历史需量记录；事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录；支持4路开关量输入、2路开关量输出；支持4路测温；支持1路剩余电流测量；支持本地显示及按键设置；有功电能精度1级。通讯方式：支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯；WIFI通讯

　　0.4kV出线AEM72?三相电参量U、I、P、0、s、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计；2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）﹔电流规格3×1.5（6）A，有功电能精度0.5S级。无功电能精度2级

　　DTSD1352?三相电参量u、I、P、Q、s、PF、F测量，分相正向有功电能统计，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计﹔红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A.直接接入3×10（8o）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级。

　　ACR120EL?LCD显示、全电参量测量（U、1、P、Q、PF、F）；四象限电能计量；RS485/Modbus;可选复费率电能统计、需量统计；4DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus 协议

　　照明箱DDSD1352?单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量；红外及RS485通讯；电流规格：10（60）A，有功电能精度1级，无功精度2级；可选配复费率

　　DDS1352?单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量；RS485通讯；电流规格：10（60）A，有功电能精度1级，无功精度2级；尺寸：1P

　　电流互感器AKH-0.66/K型？开口式电流互感器

　　6结语

　　本文通过阐述了智慧电能管理系统的总体设计思路及主要应用，以实际的例子说明了智慧电能管理系统具体的应用形式，其主要意义在于能够实时对工厂的电能各项数据进行监控，及时发现异常电能数据并提前采取应对策略，帮助企业提升节约能源意识，充分利用峰、谷、平电价开展生产活动，降 低用电成本，助力国家“碳达峰、碳中和”战略的实现。

　　【参考文献】

　　徐会咏。智慧能源管理系统建设方案。 能源研究与管理 2020（4）。

　　谢尧钟。智慧电能管理的设计与应用

　　安科瑞企业微电网设计与应用手册 2022.05版