1． 概述
降低工礦企業(yè)、基建和商業(yè)大樓的能源消耗,，實(shí)現(xiàn)節(jié)能,，節(jié)電，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已成為企業(yè)經(jīng)理和管理人員的熱門話題,。采用節(jié)能產(chǎn)品,，用信息化和透明化技術(shù)管理配電系統(tǒng)是技術(shù)發(fā)展的必然的趨勢。西門子基于工業(yè)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢,，提出了全集成電能管理（Totally Integrated Power,，簡稱TIP）的理念，提供了完整的解決方案如圖1,，包括：配電產(chǎn)品,、配電設(shè)計(jì)工具軟件和電能管理系統(tǒng)。西門子信息化電能管理解決方案是通過實(shí)時(shí)采集相關(guān)的電力參數(shù),，用信息來管理配電系統(tǒng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的用電負(fù)荷,，有效地控制和優(yōu)化電能的消耗。西門子信息化電能管理系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在工礦企業(yè),，商業(yè)建筑,，市政及基礎(chǔ)設(shè)施。使用信息化電能管理系統(tǒng)的目的在于節(jié)能,、省電,、省錢。
圖1 TIP解決方案概覽
2． 電能管理系統(tǒng)架構(gòu)
信息化電能管理系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì)思想,，整個(gè)系統(tǒng)大體分為三層：現(xiàn)場設(shè)備層,，PLC數(shù)據(jù)處理層和運(yùn)行監(jiān)控層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示,。
圖2 電能管理系統(tǒng)架構(gòu)
2.1 現(xiàn)場設(shè)備層
在現(xiàn)場設(shè)備層,，通過PROFIBUS總線，集成具有通信功能的智能線路保護(hù)設(shè)備和測量設(shè)備,。如SENTRON 3WL和3VL系列斷路器,；SIMEAS-P多功能測量設(shè)備和電能表,；SIMOCODE智能電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)裝置；SIPROTEC中壓綜合繼電保護(hù)裝置,；ET200S數(shù)據(jù)采集與控制裝置等,。
2.1.1 中壓綜合繼電保護(hù)
中壓綜合繼電保護(hù)裝置SIPROTEC系列是一種集保護(hù)、測量,、控制,、故障錄波、顯示和通信于一體的綜合繼電保護(hù)裝置,，其主要功能如下：
l 保護(hù)功能：過流,、速斷、接地,、零序電流,、中性點(diǎn)接地過流、過負(fù)荷,、負(fù)序過流（不平衡電流保護(hù)）,、過/欠電壓、重合閘,、溫度保護(hù)等,。可以靈活的應(yīng)用于中壓系統(tǒng)的饋線保護(hù),，變壓器保護(hù),，以及中壓系統(tǒng)中大量應(yīng)用的電機(jī)保護(hù)。
l 測量功能：電壓,、電流,、功率、電能,、頻率,、功率因數(shù)、諧波含量等,。
l 控制功能：分/合閘,，重合閘控制報(bào)警等。無論是遠(yuǎn)方還是就地控制,，通過密碼權(quán)限管理,，保證系統(tǒng)和人員的安全。
l 監(jiān)視功能：有LCD屏幕顯示測量數(shù)據(jù)等,。
l 邏輯編程功能：綜合保護(hù)裝置中內(nèi)置有CFC邏輯編程功能,，可以為不同的應(yīng)用場合提供靈活的調(diào)整和運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)告警以及聯(lián)閉鎖等功能。
l 靈活豐富的通訊功能：保護(hù)裝置集成了IEC 60870-5-103, Profibus, Modbus, DNP3.0, IEC 61850等規(guī)約,。
2.1.2 低壓重要饋線回路監(jiān)控
針對(duì)重要的低壓饋線回路，比如變壓器低壓側(cè)出線,、低壓母聯(lián)等,，西門子提供了SENTRON 3WL系列斷路器方案。SENTRON 3WL采用了一致的模塊化結(jié)構(gòu),，通過3WL內(nèi)部的系統(tǒng)總線能夠和電子脫扣器ETU45B,、ETU55B和ETU76B連接通信，通過和COM15通信模塊實(shí)現(xiàn)了Profubus通信能力,。具有通信能力的SENTRON 3WL斷路器能夠完成如下4遙功能：
l 狀態(tài)量：開關(guān)分/合信號(hào),，脫扣信號(hào)，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能信號(hào),，合閘準(zhǔn)備就緒信號(hào),，欠電壓脫扣信號(hào)。
l 模擬量：電流,，電壓,，功率，電能,，功率因數(shù),，頻率，以及它們的最大值/最小值,，斷路器溫度,，同時(shí)還具有諧波測量和故障錄波功能。
l 遠(yuǎn)程分/合斷路器,。
l 遠(yuǎn)程參數(shù)整定能力,。
2.1.3 低壓一般饋線回路監(jiān)控
針對(duì)一般饋線回路，比如,，一般的低壓出線回路,，西門子提供了SENTRON 3VL系列斷路器方案。SENTRON 3VL通過COM10通信模塊或者SEMEAS P表實(shí)現(xiàn)了Profibus通信,。和SEMEAS P表組合的SENTRON 3VL斷路器能夠完成如下4遙功能：
l 狀態(tài)量：開關(guān)分/合信號(hào),，脫扣信號(hào)，帶脫扣原因,、操作電流和時(shí)標(biāo)的脫扣信號(hào),，告警信號(hào)，帶時(shí)標(biāo)的告警信號(hào),。
l 模擬量：電壓,，電流，有功，無功,，視在功率,，功率因素,系統(tǒng)頻率，相角,，有功電度,，無功電度,電壓和電流的不平衡度，以及諧波測量和電壓和電流的波形畸變THD,。
l 遠(yuǎn)程分/合斷路器,。
l 遠(yuǎn)程參數(shù)整定能力。
另外,，也可以采用智能I/O模塊采集斷路器3VL的模擬量和狀態(tài)量以及實(shí)現(xiàn)斷路器3VL分/合控制,。
2.1.4 電動(dòng)機(jī)回路監(jiān)控
針對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)與智能控制，西門子提供了SIMOCODE-DP解決方案,。SIMOCODE-DP系統(tǒng)能夠保護(hù)額定電流范圍從0.25至820A的單相或者三相電機(jī)等電氣設(shè)備,，具有過載、不平衡電流,、相線故障,、接地故障、轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能,。通過以下兩種途徑可以實(shí)現(xiàn)SIMOCODE-DP的在線修改參數(shù),、診斷和調(diào)試。一種是在當(dāng)?shù)?，通過RS-232系統(tǒng)接口進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,，使用Win-SIMOCODE-DP/Smart實(shí)現(xiàn)SIMOCODE-DP的在線參數(shù)分配、操作,、監(jiān)控和測試,。另外一種在控制中心使用OM-SIMOCODE-DP，通過Profibus通信,，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)SIMOCODE-DP的在線參數(shù)分配,、操作、監(jiān)控和測試,。能夠獲取的遙測量有三相電流,、啟動(dòng)次數(shù)、脫扣次數(shù),、設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)等,；遙信量有運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等,。
2.2 PLC數(shù)據(jù)處理層
PLC數(shù)據(jù)處理層位于現(xiàn)場設(shè)備層和運(yùn)行監(jiān)控中心層之間,，主要完成上下層之間的網(wǎng)絡(luò)連接轉(zhuǎn)換和信息的處理交換,。通過PROFIBUS現(xiàn)場總線，把采集的數(shù)據(jù)傳送到PLC數(shù)據(jù)處理層,，對(duì)數(shù)據(jù)作規(guī)范化預(yù)處理,，處理的數(shù)據(jù)與時(shí)標(biāo)相對(duì)應(yīng)，并可在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中儲(chǔ)存一周,。PLC獲取和處理的數(shù)據(jù)有選擇性地上傳到控制中心,，以便于集中監(jiān)視現(xiàn)場工況信息；同時(shí),，下達(dá)來自于控制中心的遙控和遙調(diào)信息給現(xiàn)場設(shè)備層的各類智能設(shè)備及儀表。通過組態(tài)編程,，PLC能夠自動(dòng)控制現(xiàn)場設(shè)備層的智能設(shè)備,。
2.3 運(yùn)行監(jiān)控中心層
操作與監(jiān)控中心硬件配置根據(jù)用戶的實(shí)際需求，可以配置出靈活豐富,、功能強(qiáng)大的系統(tǒng),，比如，考慮冗余情況,，配置主備數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,、主備前置機(jī)、操作員工作站,、WEB服務(wù)器等,，基于控制中心系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)還可以配置不同的網(wǎng)段,。監(jiān)控中心軟件由WinCC開發(fā)出友好的人機(jī)界面,。配電實(shí)時(shí)工況信息以曲線、表格以及參數(shù)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,，也可顯示整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù),。系統(tǒng)對(duì)重要的信息進(jìn)行存盤歸檔，同時(shí),，提供靈活豐富的報(bào)表功能,，用戶可以依據(jù)實(shí)際需求靈活自定義報(bào)表。因此,，管理人員在控制中心利用透明化的能源管理來進(jìn)行有效地分析和決策,，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、省電,、降低運(yùn)行成本,。
3．電能管理系統(tǒng)特點(diǎn)
l 增加了從電源設(shè)備到各類終端負(fù)載電能消耗透明度，優(yōu)化運(yùn)行成本,。
l 可依據(jù)電能需求模式和要求,，更精確，有效和經(jīng)濟(jì)地購買電能。
l 采用分析診斷,，定向服務(wù)/維護(hù)等手段,，優(yōu)化開關(guān)設(shè)備的性能和用電負(fù)荷。
l 系統(tǒng)為開放式和模塊化結(jié)構(gòu),，故系統(tǒng)的集成,，組態(tài)，擴(kuò)展更靈活,。
4．電能管理主要功能
信息化電能管理解決方案是根據(jù)配電系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的研究而提出的,。它能分析電能分配與各類負(fù)載消耗電能的全過程。目的就是從能源消費(fèi)的觀點(diǎn)管理和配置配電系統(tǒng),，降低運(yùn)行費(fèi)用,。不論是工業(yè)廠房還是商業(yè)建筑，基本追求的目標(biāo)是合理,、有效和經(jīng)濟(jì)地使用電能,，減少電能的消耗，最大限度地降低電能的費(fèi)用,。
4.1 集中監(jiān)視和透明化管理
通過集中監(jiān)視,，系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)在線的能源消耗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可按不同的區(qū)域不同的時(shí)間生成用電報(bào)表,，自動(dòng)計(jì)算單位能耗,，有利于改進(jìn)成本。通過靈活的負(fù)荷曲線,，除了能夠獲取實(shí)時(shí)負(fù)荷外,，還能進(jìn)行歷史趨勢分析，有效地優(yōu)化重要負(fù)荷的能耗,。工礦企業(yè)的操作員通過視窗人機(jī)界面對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行可視性操作和有效地管理如圖3,。每一臺(tái)線路保護(hù)開關(guān)均可以在控制室（或本地）進(jìn)行分合操作?？梢暬倪h(yuǎn)程操作毫無疑問地增加了系統(tǒng)和操作人員的安全性,。當(dāng)我們制定預(yù)防性的維護(hù)和檢修計(jì)劃工作同時(shí)，可依據(jù)操作信息及列表文件提供的有價(jià)值信息,，有效地為每一臺(tái)開關(guān)裝置和設(shè)備組織有針對(duì)性的維護(hù)和檢修工作,。例如，開關(guān)操作信息清單詳細(xì)記錄了設(shè)備的操作次數(shù)以及保護(hù)動(dòng)作,，故障切斷電源的次數(shù),，同時(shí)給出了下次應(yīng)進(jìn)行維護(hù)和檢修的時(shí)間和內(nèi)容。開關(guān)保護(hù)裝置必須進(jìn)行檢修時(shí),，可以通過SMS方式直接把維護(hù)和檢修的時(shí)間和內(nèi)容傳輸給維護(hù)人員,，今后,，也可以通過WAP（網(wǎng)上協(xié)議）來傳送。預(yù)防性的維護(hù)和檢修計(jì)劃意味著能保證連續(xù)供電,，減少了昂貴的停電時(shí)間,。
4.2 負(fù)荷管理
與供電局簽訂的供電合同中的有關(guān)電耗指標(biāo)，可以通過軟件的“負(fù)荷管理”功能優(yōu)化如圖4,。通過實(shí)時(shí)的負(fù)荷曲線和歷史負(fù)荷曲線趨勢分析,，可消除或避免高峰用電，或不履行供電合同而招致的罰款,。按負(fù)荷重要性的列表文件管理負(fù)荷,，通過自動(dòng)控制，切換或卸負(fù)荷等手段,，使系統(tǒng)按合同的電耗指標(biāo)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,。
4.3 成本管理
成本管理如圖5所示，自動(dòng)采集電能消耗的定量信息,，與各類負(fù)荷相對(duì)應(yīng)。這意味著,，每一個(gè)負(fù)載均建立獨(dú)立賬戶,，從該賬戶中很快地得到耗電量，電費(fèi)等詳細(xì)的表格數(shù)據(jù)信息,，同時(shí),，還能夠統(tǒng)計(jì)成本帳單中能源中斷供應(yīng)的時(shí)間和百分比。
圖5 成本管理
4.4 電能質(zhì)量
大量工業(yè)要求連續(xù)可靠供電,，盡可能地減少電網(wǎng)對(duì)用戶的干擾,，要求提供合格的電能也越來越被廣大的低壓用戶采納。有關(guān)電能質(zhì)量的國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)陸續(xù)出版,，電能的質(zhì)量指標(biāo)如“供電電壓的允許偏差”,，“公用電網(wǎng)諧波”，“三相電壓允許的不平衡度”以及“電壓波動(dòng)和閃變”等,，必將是電力公司與用戶簽訂供電合同的主要內(nèi)容之一,。
電能質(zhì)量不合格(或不符合要求)通常指供電電壓的幅值變化，波形畸變和頻率偏移等超過電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo),。不合格的電能質(zhì)量有時(shí)還表現(xiàn)為功率因數(shù)低,，無功損耗大或供電可靠性差等。
西門子斷路器3WL的增強(qiáng)型測量功能模塊F05能夠測量配電系統(tǒng)的29次諧波,，同時(shí),，還具有瞬態(tài)波形記錄功能。通過諧波測量,，不但能夠分析電網(wǎng)質(zhì)量,，而且還可能找到故障失常的原因,，以便于減少或者消除失常現(xiàn)象,。和斷路器3VL通信的SEMEAS P表同樣具有21諧波測量功能,。圖6為SEMEAS P表測量的諧波顯示。功率因數(shù)的監(jiān)測管理,，有助于在不同的區(qū)域自動(dòng)或者手動(dòng)投切電容器組,，提高功率因數(shù)。因此,，通過現(xiàn)場設(shè)備的諧波測量以及瞬態(tài)波形記錄,，在控制中心能夠?qū)@些測量值以及事件進(jìn)行系統(tǒng)地分析，有利于發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中存在的問題以及采取相應(yīng)的措施,，來提高電能質(zhì)量和用電水平,。
圖6 諧波顯示
5．應(yīng)用案例
信息化電能管理系統(tǒng)以Profibus總線將現(xiàn)場各類設(shè)備采集的信息上傳到PLC，同時(shí),，PLC和控制中心之間通過Profinet實(shí)現(xiàn)通信,，快速交換信息，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的分層分布式配電電能管理系統(tǒng),。圖7為北京西門子大樓配電系統(tǒng)原理圖,，系統(tǒng)采用Siemens WinCC作為上位監(jiān)控軟件，在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)電能管理功能,。Siemens PLC作為各個(gè)監(jiān)控分區(qū)的中央控制器,，通過Profibus總線，利用COM15通信模塊實(shí)現(xiàn)斷路器3WL的4遙功能,；同樣,，使用SIMEAS P表和斷路器3VL組合也實(shí)現(xiàn)4遙功能，從而全面實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓系統(tǒng)的一體化綜合監(jiān)控,，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,、一次接線圖顯示、參數(shù)設(shè)置,、事件報(bào)警記錄,、曲線棒圖、報(bào)表打印,、故障智能分析及與上級(jí)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)等基本功能和其它高級(jí)電能管理功能,。
圖7 北京西門子大樓配電原理圖
6．小結(jié)
信息化電能管理系統(tǒng)是西門子全集成電能管理的重要組成部分。它采用分層分布式設(shè)計(jì)思想,，為工礦企業(yè),、商業(yè)大樓等用戶提供了配電系統(tǒng)的透明化監(jiān)控，通過負(fù)荷管理,、成本管理,、電能質(zhì)量分析等手段為管理人員提供了豐富的決策參考信息,，有利于管理人員對(duì)能源管理進(jìn)行正確的分析和作出明智的決策，有效地優(yōu)化和控制能源消耗,，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能,、省電、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,。