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上海夏普電器低壓配電網(wǎng)絡(luò)的改造及電能管理系統(tǒng)的實現(xiàn)
李功
上海安科瑞電氣有限公司，上海 嘉定
摘要：本文介紹基于Acrel-3000電能管理組態(tài)軟件和ACR120EFL多功能電力儀表設(shè)計并實現(xiàn)了一套分散式采集和集中控制管理的工廠電能管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了微機在監(jiān)控中心無人管理的功能，主機作為Web服務(wù)器，局域網(wǎng)用戶只需使用IE瀏覽器即可對電能管理系統(tǒng)訪問，提高了供電質(zhì)量和管理水平，具有簡明實用、投資少等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：電能管理軟件；電力儀表；智能配電系統(tǒng)；節(jié)能；夏普電器；應(yīng)用
1 項目概述
上海夏普電器是由上海廣電(集團)公司、上海廣電信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司、日本夏普株式會社、日本三菱商式株式會社、日本夏普電子技術(shù)公司(美國銷售公司)共同投資1.5598億美元組建的綜合家用電器合資企業(yè)。公司成立于一九九二年六月，地處上海浦東新區(qū)金橋出口加工區(qū)，是第一家入駐浦東的大型家電合資企業(yè)。
上海夏普電器現(xiàn)在分為兩個廠區(qū)，新廠主要生產(chǎn)洗衣機和冰箱等電器，老廠主要生產(chǎn)空調(diào)設(shè)備。原先廠區(qū)的配電室內(nèi)安裝的電力儀表主要為指針式，且多為電流和電壓表，工廠對于所生產(chǎn)產(chǎn)品的耗能情況只是在總量上有個統(tǒng)計，而對于每個回路設(shè)備的耗能情況沒有做到詳細的統(tǒng)計，這對于工廠下一步推進企業(yè)節(jié)能降耗工作帶來了諸多不便。通過這次對上海夏普電器公司各配電室內(nèi)老式電力儀表的更新改造，拆除原先指針式電流電壓表，安裝上海安科瑞電氣股份有限公司的ACR120EFL多功能電力儀表，使得工廠能夠?qū)θ珡S的產(chǎn)品耗能情況做到更加精細化的預(yù)算和管理，為企業(yè)的推進節(jié)能降耗打下基礎(chǔ)。
2 用戶需求
電能監(jiān)測要求精確到辦公區(qū)和每條生產(chǎn)線的主要用電設(shè)備，如生產(chǎn)線的注塑機、冷卻泵、沖床和辦公區(qū)的照明、熱泵、電梯等設(shè)備。在時間上需要從年度到每季度、每月、每周、每天，將每個重要用電環(huán)節(jié)的電能消耗與產(chǎn)量產(chǎn)值的關(guān)系清晰呈現(xiàn)出來，并且與每條生產(chǎn)線、班組乃至個人的績效考核結(jié)合起來，真正做到電能管理的精細化和全面化，將節(jié)能降耗工作落到實處。
按照上海市電網(wǎng)兩部制分時電價規(guī)定對全廠用電進行分時段計量。通過電能管理軟件合理制定重要用電設(shè)備的用電計劃，將設(shè)備用電計劃落實到生產(chǎn)班組和個人。將計劃用電界面通過工廠現(xiàn)有局域網(wǎng)進行Web發(fā)布，使得設(shè)備管理人員通過圖表、曲線、報表等軟件功能及時監(jiān)測到設(shè)備運行和電能消耗情況，將節(jié)能意識從工廠管理層滲透到基層。
3 設(shè)計方案
3.1 主要設(shè)計參考標準
l DL 448-91 《電能計量裝置管理規(guī)程》
l DL/T 814-2002 《配電自動化系統(tǒng)功能規(guī)范》
l DL/T448-2003 《電能計量裝置技術(shù)管理規(guī)程》
l ISO/IEC11801 《國際綜合布線標準》
l GBJ232-82 《電測量儀表裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》
3.2 廠區(qū)配電回路電表改造平面圖
3.3 改造回路確定
根據(jù)夏普工廠配電系統(tǒng)的現(xiàn)有情況和用戶需求分析，確定需要進行改造的配電柜回路（部分）如下表：
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序
號 |
總開關(guān)柜
名稱 |
回路名稱 |
柜體編號 |
變壓器
名稱 |
倍率
**/5A |
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一，洗衣機B室 |
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1 |
NP2 |
100V∕200V 60HZ 電源 |
B21饋電柜 |
BT2 |
500 |
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2 |
NC2-0 |
成型1號部品升降機 |
B22饋電柜 |
300 |
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3 |
B14 |
不銹鋼槽加工2號線（北） |
B14饋電柜 |
400 |
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4 |
N10-5 |
不銹鋼槽加工線（北）沖床 |
B13饋電柜 |
100 |
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5 |
N13 |
不銹鋼槽二次加工線 |
500 |
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6 |
N107A |
洗衣機捆包線 |
B12饋電柜 |
300 |
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7 |
N12 |
不銹鋼槽加工線（南） |
400 |
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8 |
NP1 |
100∕200V60HZ電源 |
B11饋電柜 |
500 |
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二、洗衣機底層A'室（待加表17塊） |
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1 |
3PP1 |
注塑機250T |
ILC3饋電柜 |
AT3 |
200 |
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2 |
3PP4 |
注塑機1300T |
600 |
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3 |
3PP2 |
注塑機900T |
ILC2饋電柜 |
500 |
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4 |
3PP3 |
注塑機900T |
500 |
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三、洗衣機A室(中二層) |
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1 |
N7 |
注塑機 200噸 |
A22饋電柜 |
AT2 |
300 |
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2 |
N5 |
注塑機 1300噸 |
A23饋電柜 |
1000 |
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3 |
N11 |
注塑機4臺 350噸 350噸 550噸 650噸 |
1000 |
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4 |
N4 |
注塑機 1300噸 |
A24饋電柜 |
1000 |
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5 |
N8 |
注塑機 850噸 |
A11饋電柜 |
AT1 |
1000 |
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6 |
N9 |
注塑機 850噸 |
A12饋電柜 |
1000 |
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7 |
N13-01 |
洗衣機外殼成型線 |
A13饋電柜 |
1000 |
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8 |
NC6-01 |
平衡圈 （金屬板輕機電源） |
A65饋電柜 |
AT6 |
300 |
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9 |
NA64 |
洗衣機車間新風(fēng) |
A64饋電柜 |
500 |
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10 |
NL2 |
冷凍機NB2 |
A62饋電柜 |
AT6 |
800 |
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11 |
NLK2 |
冷卻泵 |
600 |
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12 |
NL1 |
冷凍機NB1 |
A61饋電柜 |
800 |
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13 |
NLK1 |
冷卻泵 |
600 |
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14 |
N6 |
注塑機120噸 |
A57饋電柜 |
AT5 |
300 |
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15 |
N3 |
注塑機1300噸 |
A65饋電柜 |
1000 |
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16 |
N56-01 |
洗衣機外殼成型線 |
1000 |
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17 |
N2 |
注塑機1300噸 |
A55饋電柜 |
1000 |
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18 |
N1 |
注塑機1600噸 |
A54饋電柜 |
1200 |
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四、洗衣機C室 |
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1 |
C01 |
洗衣機全自動總裝線 |
C21饋電柜 |
CT2 |
500 |
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2 |
CO2 |
洗衣機全自動脫水槽組裝線 |
C22饋電柜 |
500 |
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3 |
2APO4-1-1 |
滾筒線60HZ, 電源 |
C24饋電柜 |
500 |
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4 |
1AP04-1 |
滾筒線100V ∕200V電源 |
C15饋電柜 |
CT1 |
1000 |
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5 |
AP02 |
滾筒總裝線 |
C14饋電柜 |
500 |
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6 |
BK11 |
全自動100V ∕200 V 50HZ 電源 |
C11饋電柜 |
CT1 |
1000 |
3.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)通過安裝在工廠電網(wǎng)中主要受電點和樞紐配電柜中的電能監(jiān)測儀表采集到配電網(wǎng)的各項電力參數(shù)信號，再將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中，計算機對數(shù)據(jù)進行存儲、計算和分類存儲到數(shù)據(jù)庫中，然后通過計算軟件將電能以報表、圖表的形式進行展示。電能管理人員可通過計算機看到電能的輸入、傳輸、消耗的全過程。
整個電能管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，按功能或區(qū)域進行劃分，模塊化設(shè)計。整個系統(tǒng)分為三層，即現(xiàn)場層、中間層、主控層。
現(xiàn)場層主要任務(wù)是將現(xiàn)場的各種配電系統(tǒng)的運行參數(shù)進行采集和測量，并將采集和測量的各種數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)。中間層位于現(xiàn)場層與主控層之間，采用高性能、嵌入式通訊服務(wù)器。通訊服務(wù)器負責(zé)把現(xiàn)場層儀表采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)接、數(shù)據(jù)交換上傳到主控層，是主控層與現(xiàn)場層的橋梁。主控層主要設(shè)置工業(yè)計算機，是人機交互層。
主要功能為：一次主接線圖界面顯示；事件記錄，系統(tǒng)運行異常監(jiān)測；故障報警及操作記錄；電能報表查詢與打印；系統(tǒng)負荷、用戶權(quán)限管理等主要功能；當(dāng)前月用電計劃設(shè)定，超計劃報警；功率越限報警。
整個系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)分布式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如下圖。監(jiān)控主機位于辦公樓二樓的環(huán)境品質(zhì)檢測部，數(shù)據(jù)采集主要劃分為三個區(qū)，洗衣機生產(chǎn)回路設(shè)備、冰箱生產(chǎn)回路設(shè)備和老廠空調(diào)生產(chǎn)回路設(shè)備。電力儀表的通訊為485總線結(jié)構(gòu)，將信號通過屏蔽雙絞線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器連入廠區(qū)的局域網(wǎng)中。
網(wǎng)絡(luò)拓撲圖
間隔層主要的設(shè)備為： ACR120EFL網(wǎng)絡(luò)電力儀表、開關(guān)量、模擬量采集模塊和智能斷路器等。這些裝置分別對應(yīng)相應(yīng)的一次設(shè)備安裝在電氣柜內(nèi)，這些裝置均采用RS485通訊接口，通過現(xiàn)場MODBUS總線組網(wǎng)通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集。
通訊層主要為：通訊服務(wù)器，其主要功能為把分散在現(xiàn)場采集裝置集中采集，同時遠傳至站控層，完成現(xiàn)場層和站控層之間的數(shù)據(jù)交互。
站控層：設(shè)有高性能工業(yè)計算機、顯示器、UPS電源、打印機、報警蜂鳴器等設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)安裝在計算機上，集中采集顯示現(xiàn)場設(shè)備運行狀況，以人機交互的形式顯示給用戶，同時用戶可以通過系統(tǒng)軟件發(fā)送指令至現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)遠程遙控功能。
ACR120EFL網(wǎng)絡(luò)電力儀表采用RS485接口和MODBUS-RTU通訊協(xié)議，RS485采用屏蔽線傳輸，一般都采用二根連線，接線簡單方便；通訊接口是半雙工通信即通信的雙方都可以接收、發(fā)送數(shù)據(jù)但是在同一時刻只能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾能力增強，總線上允許連接多達32個設(shè)備，最大傳輸距離為1.2km。
3.5 電能管理軟件設(shè)計
軟件開發(fā)平臺采用Acrel-3000電能管理組態(tài)軟件。該組態(tài)軟件是對現(xiàn)場電力參數(shù)進行采集與過程控制的專用軟件，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，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)”的方式可以縮短自動化工程師的系統(tǒng)集成的時間，提高集成效率。
該系統(tǒng)實施后，實現(xiàn)了各類用電設(shè)備的一次系統(tǒng)圖顯示、各回路實時電參量遙測、重要回路電能報表、以及進線回路的負荷用電趨勢、重要回路的分合閘報警、用戶權(quán)限管理等功能，軟件運行界面見下圖。
上圖為動力房BT1、AT1變壓器室低壓一次配電示意圖，功能有電量遙測主要監(jiān)測運行設(shè)備的電參量，其中包括：三相線電壓，電流，功率，電能等電參量及配出回路的三相電流；遙信功能實現(xiàn)顯示現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，主要包括：開關(guān)的分、合閘運行狀態(tài)和通訊故障報警；斷路器變位時會發(fā)出報警信號，提醒用戶及時處理故障。
圖上各個斷路器圖形，如果是紅色說明此分支斷路器合閘母線有電，如果是綠色說明斷路器分閘母線無電。
通過詳細電參量界面，可查看各回路設(shè)備的實時詳細電參數(shù)，如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等，使用戶在監(jiān)控值班室內(nèi)就可實時觀察到每一個用電設(shè)備的運行參數(shù)。如上圖所示。
在電流功率趨勢曲線界面，可以查看某一具體用電設(shè)備的電流趨勢曲線和功率趨勢曲線，通過電流趨勢曲線用戶可以查看到某段時間內(nèi)的設(shè)備運行最大電流以及該峰值電流的發(fā)生時刻，還可查看到該段時刻內(nèi)三相電流的平均值，為設(shè)備的維護和制定合理的用電計劃提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。運行界面如下圖所示。
通過匯總圖表分析功能，用戶可以查看設(shè)定時間段內(nèi)分類匯總的空調(diào)、冰箱和洗衣機的匯總用電量，并以柱狀圖或者餅圖的方式直觀顯示出來。也可以更進一步的查看各分類用電設(shè)備中每一臺設(shè)備的任意時段用電量，并以柱狀圖顯示，確定高耗能設(shè)備。
本軟件還根據(jù)客戶的要求和使用習(xí)慣設(shè)計了計劃用電功能。在計劃用電界面顯示了各個回路當(dāng)月實時用電量，用戶可以對本月各個設(shè)備制定計劃用電量，如超出設(shè)定的計劃值就會彈出報警窗口提示用戶。進度條顯示了本月實時用電數(shù)達到計劃用電數(shù)的百分比，讓用戶能隨時掌握每臺設(shè)備的用電情況。通過該界面還可以對每個回路的功率上限進行設(shè)定，超過這個設(shè)定值會彈出報警窗口提示用戶，通過報警查詢功能可以查看歷史報警記錄。界面如下圖。
系統(tǒng)特點
畫面顯示直觀，數(shù)據(jù)刷新快，同時系統(tǒng)操作簡便，用戶不需復(fù)雜的配置即可使用，系統(tǒng)功能模塊豐富，各種功能可根據(jù)用戶的需求靈活配置，系統(tǒng)的設(shè)計快捷方便，能夠滿足以后的系統(tǒng)升級擴容。
4 運行效果
系統(tǒng)自2011年7月正式投入運行，經(jīng)過一個月的數(shù)據(jù)采集通過電能管理軟件分析，發(fā)現(xiàn)工廠有28%的電能消耗在22臺空壓機和29臺注塑機上，且這些機器的電能消耗76%是在峰時段內(nèi)發(fā)生的。工廠環(huán)境品質(zhì)管理部門根據(jù)分析結(jié)果及時調(diào)整班組生產(chǎn)計劃，優(yōu)化生產(chǎn)線工藝流程，成功的使得空壓機、注塑機的電能消耗70%發(fā)生在平時段和谷時段。僅此一項在2011年9月至12月間就為工廠節(jié)約電能支出約6萬元。夏普電器電能管理系統(tǒng)的實現(xiàn)總計花費51萬元，自運行以來保守計算月節(jié)約電能支出1.5萬元，投資回報期為34個月。
總的來說電能管理系統(tǒng)和安科瑞網(wǎng)絡(luò)電力儀表的綜合應(yīng)用，具有實施簡明，投資少等顯著優(yōu)點，可以方便和實時地監(jiān)控配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對現(xiàn)場的用電設(shè)備進行統(tǒng)一管理，免去工作人員到現(xiàn)場記錄的繁瑣工作，系統(tǒng)對各種用電設(shè)備的歷史運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行管理分析，便于維護人員明確設(shè)備狀況，制定詳細的設(shè)備維護計劃，減少工作人員，提高效率。同時，根據(jù)建立的電能計量體系，可以了解、分析工廠生產(chǎn)總體能耗，提出降耗計劃，采取節(jié)能降耗措施，逐步提高用電效率。
參考文獻
任致程、周中編著 電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南 中國電力出版社 2007.4
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