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，脫扣信號,，儲能機(jī)構(gòu)儲能信號,，合閘準(zhǔn)備就緒信號，欠電壓脫扣信號,。
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,，脫扣信號，帶脫扣原因,、操作電流和時標(biāo)的脫扣信號,，告警信號，帶時標(biāo)的告警信號,。
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 電動機(jī)回路監(jiān)控
針對電動機(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,、啟動次數(shù)、脫扣次數(shù),、設(shè)備運(yùn)行小時數(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,，對數(shù)據(jù)作規(guī)范化預(yù)處理，處理的數(shù)據(jù)與時標(biāo)相對應(yīng),，并可在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中儲存一周。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，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,，也可顯示整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù),。系統(tǒng)對重要的信息進(jìn)行存盤歸檔，同時,，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)域不同的時間生成用電報(bào)表,，自動計(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，可依據(jù)操作信息及列表文件提供的有價值信息,，有效地為每一臺開關(guān)裝置和設(shè)備組織有針對性的維護(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)動作,，故障切斷電源的次數(shù),，同時給出了下次應(yīng)進(jìn)行維護(hù)和檢修的時間和內(nèi)容。開關(guān)保護(hù)裝置必須進(jìn)行檢修時,，可以通過SMS方式直接把維護(hù)和檢修的時間和內(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,，自動采集電能消耗的定量信息，與各類負(fù)荷相對應(yīng),。這意味著,，每一個負(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,，還能夠統(tǒng)計(jì)成本帳單中能源中斷供應(yīng)的時間和百分比。
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,，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?，F(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)域自動或者手動投切電容器組，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,，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)對低壓系統(tǒng)的一體化綜合監(jiān)控,，具有實(shí)時數(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計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)等基本功能和其它高級電能管理功能,。
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,。