胡冠楠
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定
摘要：本文介紹了一套適用于大型企業(yè)的電能管理系統(tǒng)，根據(jù)節(jié)能降耗的系統(tǒng)目標(biāo)和企業(yè)能耗管理人員的使用要求，提出了系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計了分層分布式的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了分時電價、單耗定額、電能質(zhì)量3種考核模型，為企業(yè)節(jié)電管理提供數(shù)據(jù)支持，節(jié)獎超罰，提高員工節(jié)能降耗的自主意識，以實現(xiàn)降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：電能量監(jiān)視；能量管理；分層分布式結(jié)構(gòu)
0引言
近年來，中國市場經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展不但造成社會總體用電量的大幅增長，能源浪費現(xiàn)象也愈加嚴(yán)重。因此，節(jié)能減排工作正逐步受到社會各行業(yè)的關(guān)注。
工業(yè)一直是我國能耗支出的大戶，能耗總量約占我國資源消耗總額的 70%。所以，通過加大工業(yè)電氣節(jié)能科學(xué)技術(shù)研發(fā)，進(jìn)一步改善能源管理水平，并不斷完善節(jié)電技術(shù)，提高企業(yè)的節(jié)電工作力度，對于減少中國電力供需矛盾，降低工業(yè)生產(chǎn)成本以及增加中國企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會利潤有著重大的意義。由于缺乏一個統(tǒng)一集成的全公司范圍電能量管理系統(tǒng)，大部分企業(yè)能源管理工作都還處于粗放型時期，其節(jié)能措施不健全，獎懲措施不完善，職工自主節(jié)電意識淡漠以及能源利用效率相對落后。所以，利用現(xiàn)代化的電氣、通信和計算機(jī)技術(shù)構(gòu)建一個綜合的電能耗監(jiān)測和管理體系，對大型企業(yè)的能耗設(shè)施運轉(zhuǎn)進(jìn)行有效監(jiān)測與控制，為大型企業(yè)的電能管理提供有效的決策支持，已勢在必行。
1系統(tǒng)功能需求
為完成對全廠電能數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和集成管理，實現(xiàn)節(jié)能降耗的系統(tǒng)目標(biāo)企業(yè)電能管理系統(tǒng)有以下功能需求。①數(shù)據(jù)采集。采用多線程數(shù)據(jù)采集技術(shù)，完成對全廠電氣設(shè)備實時工作狀態(tài)信息的采集。采集各生產(chǎn)設(shè)備的電參量，主要包括電壓、電流、有功、無功和斷路器刀閘狀態(tài)等模擬量、數(shù)字量信息，不斷刷新數(shù)據(jù)庫，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要預(yù)處理和數(shù)據(jù)解析操作。②數(shù)據(jù)展現(xiàn)。采用了直觀豐富的圖形化顯示功能，可以真實展示各種設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)，包括斷路器的開合信號、潮流信息和負(fù)載曲線等。顯示模塊分為圖形顯示、數(shù)據(jù)顯示、波形顯示和狀態(tài)量顯示等幾種形式。③事故預(yù)警。設(shè)定各電量參數(shù)的上、下限值，實現(xiàn)越限監(jiān)視和報警，在事故發(fā)生前提前預(yù)警，識別故障隱患。④報表管理。統(tǒng)計全廠用電設(shè)備的電能消耗情況，生成數(shù)據(jù)報表、圖形報表等各種不同形式的日報表、月報表，報表管理子系統(tǒng)不僅支持歷史數(shù)據(jù)查詢、報表打印，同時支持對數(shù)據(jù)缺失值進(jìn)行人工修改。⑤用戶管理。對企業(yè)不同用戶賦予不同級別的權(quán)限，高權(quán)限用戶賬號可以管理低權(quán)限用戶賬號，分級操作。高權(quán)限用戶具有權(quán)限設(shè)置功能，所有用戶均具有登錄認(rèn)證、賬戶信息維護(hù)等功能。⑥負(fù)荷管理。在用電監(jiān)測的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析和測算峰谷電量，并繪制負(fù)荷曲線，通過對年、月、日等負(fù)荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結(jié)合班組排產(chǎn)計劃，對未來一段時間內(nèi)的電力需求量作出合理預(yù)估，及時調(diào)整優(yōu)化生產(chǎn)策略，以達(dá)到削峰填谷、節(jié)約成本的目的。⑦電能質(zhì)量管理。實時檢測電網(wǎng)供電質(zhì)量，包括電壓偏差、三相不平衡度、頻率偏差、諧波畸變率和電壓波動等。⑧考核管理。制定分時電價、單耗定額和電能質(zhì)量 3 種考核模型，為管理層制定考核制度提供決策依據(jù)，節(jié)獎超罰，充分調(diào)動全廠員工的自主節(jié)電意識，形成良性競爭機(jī)制。⑨班組管理。通過值班記錄，統(tǒng)計各部門的班組能耗數(shù)據(jù)，并按照實際電價計算電費，便于決策層實時掌握各班組的能耗情況，實現(xiàn)精細(xì)化管理的目的。⑩ web發(fā)布。采用 web 發(fā)布技術(shù)，便于用戶可以在任一臺聯(lián)網(wǎng)的終端問電能管理系統(tǒng)，依次提高管理信息的透明度，增強(qiáng)企業(yè)管理決策的公信力。
2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)電能管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)也在不斷創(chuàng)新，主要經(jīng)歷了3個發(fā)展階段，即集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分層分布式系統(tǒng)結(jié)。3種結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2和圖3所示。
圖1 集中式結(jié)構(gòu)圖
圖2 分布式結(jié)構(gòu)圖
圖3 分層分布式結(jié)構(gòu)圖
綜合比較3種結(jié)構(gòu)形式，分層分布式架構(gòu)的優(yōu)點主要有以下4點。①系統(tǒng)總體安全性較高，任意部分發(fā)生的故障均只危害局部。②組態(tài)靈活。③有效降低了二次生產(chǎn)設(shè)備，節(jié)約了大部分二次電纜，生產(chǎn)成本低，操作維修簡單。④抗干擾能力強(qiáng)。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)豐富，主要體現(xiàn)在采集點多、保存的信息量大等方面。系統(tǒng)的功能包含了覆蓋到全廠的電力數(shù)據(jù)收集、監(jiān)視和 web 開發(fā)等基礎(chǔ)應(yīng)用外，還應(yīng)具有對電力數(shù)據(jù)的檢索、分類、管理等功能。由于電力數(shù)據(jù)處理工作與工業(yè)生產(chǎn)直接相關(guān)，綜合考慮安全性、實時性、準(zhǔn)確度等因素，企業(yè)電能管理系統(tǒng)采用分層分布式架構(gòu)，如圖4所示。
圖4 分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
①間隔層。間隔層主要由用于電參量采集測量的各類型儀表、計算機(jī)保護(hù)裝置和繼電保護(hù)單元等組成，是電能監(jiān)視與管理系統(tǒng)必要的基本組成元素，肩負(fù)著采集數(shù)據(jù)的重任。間隔層位于系統(tǒng)的底層，負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)運行的實時電氣參量、底層設(shè)備的狀態(tài)信息，及時響應(yīng)和執(zhí)行對外服務(wù)層以及站級管理層發(fā)布的控制命令。在故障發(fā)生時，微機(jī)保護(hù)裝置則快速有效地啟動保護(hù)，將故障影響控制在小范圍內(nèi)。②站級管理層。該層是對外服務(wù)層的下層，間隔層的上層，屬于承上啟下的中介層，是對外服務(wù)層和間隔層之間的數(shù)據(jù)交換通路。該層主要由通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和通信管理設(shè)備組成，可以實現(xiàn)間隔層和對外服務(wù)層之間的高速、可靠的數(shù)據(jù)交換。負(fù)責(zé)匯總底層采集設(shè)備、保護(hù)裝置等的實時數(shù)據(jù)信息，并對收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類、提取、解析和發(fā)布。③對外服務(wù)層。作為系統(tǒng)的核心部分，實時匯總企業(yè)電能數(shù)據(jù)信息并不斷刷新數(shù)據(jù)庫，對收集到的信息進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)平滑、缺失值補(bǔ)救預(yù)處理后，按照既定規(guī)約將傳送數(shù)據(jù)給各應(yīng)用軟件，實現(xiàn)對全廠設(shè)備用電數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和管理。同時，對外服務(wù)層還發(fā)布有關(guān)控制命令轉(zhuǎn)間隔層、站級管理層執(zhí)行。主要功能包括數(shù)據(jù)實時展現(xiàn)、事故報警、電能質(zhì)量管理、報表管理、用戶管理、智能查詢、設(shè)備檢修維護(hù)管理和智能操作票等。對外服務(wù)層通過 web 服務(wù)器與企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)互聯(lián)，提供基于內(nèi)部局域網(wǎng)辦公網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口和相關(guān)功能服務(wù)，同時還可以提供基于 internet 的相關(guān)外部門戶服務(wù)功能。
2.2考核模型
為了提高企業(yè)員工的自主節(jié)能意識，完善考核制度，為管理者提供獎懲依據(jù)，需要建立一套科學(xué)的考核模型，為企業(yè)電能管理制度的制定提供決策支持。
2.2.1分時電價考核
企業(yè)內(nèi)部應(yīng)該將分時電價考核納入成本管理之中，建立分時電耗計量和分時電費結(jié)算模式。為了實現(xiàn)“削峰平谷”，減少電費支出，對企業(yè)各部門、各車間進(jìn)行分時電價統(tǒng)計考核。
根據(jù)電業(yè)局對用電尖、峰、平、谷時段的規(guī)定，對各車間每天不同時段的用電量及相應(yīng)的電費進(jìn)行統(tǒng)計。
假設(shè)第i個車間第j天的用電量為q尖ij，而其在尖、峰、平和谷不同時段的用電量分別為q尖ij，q峰ij，q平ij和q谷ij，其中：
ρ平表示平段電價，系統(tǒng)以ρ平作為基準(zhǔn)值，按照事先設(shè)定的系數(shù)，尖段電價、峰段電價、谷段電價分別取1.75ρ平、1.5ρ平、0.5ρ平。
實行峰谷分時段電價后，各車間在電費的杠桿作用推動下，積極、合理地改變用電策略，削尖峰填谷底，以便實現(xiàn)平滑電力負(fù)荷曲線的目的，做到“移峰填谷”。“移峰填谷”除了減少電費支出，還可以提高企業(yè)員工節(jié)能節(jié)電的意識，降低生產(chǎn)成本，增加公司效益。
2.2.2 單耗定額考核
單位產(chǎn)品消耗的電能量是衡量企業(yè)能耗的重要指標(biāo)，制定單耗標(biāo)準(zhǔn)以及具體的考核制度，使企業(yè)各部門、各車間的能源耗費水平直接和效益掛鉤，以增強(qiáng)員工的節(jié)電積極性，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。假設(shè)第 i 個車間第 j 個月的電能單耗為 qij，則
式中：qij為第i個車間第j個月的實際用電單耗；qij為第i個車間第j個月的總用電量；gij為第i個車間第j個月的產(chǎn)品總產(chǎn)量；qij(f)為第i個車間第j個月的輔助生產(chǎn)用電；qij(z)為第i個車間第j個月的直接生產(chǎn)用電。
假設(shè)第i個車間第j個月的單耗標(biāo)準(zhǔn)定額為qij(0)，實際的電能單耗為qij，?qij=qij-qij(0) 為第i個車間第j個月的單耗差額。取階梯值為p，將差額電量?qij 按進(jìn)行分級，共分為n 級，其中，p為分級階梯值。
當(dāng)某車間的真實單耗用電大于單耗定額標(biāo)準(zhǔn)值qij(0)時，定義懲罰系數(shù)c，則對 ?qij中處于 (n-1)p 和np之間的部分按 nρmcpc 元 /度繳納罰款。每級的懲罰金額為
當(dāng)某車間的真實單耗用電小于單耗定額標(biāo)準(zhǔn)值qij(0) 時，定義獎勵系數(shù) d，令 d>c，則對 ?qij 中處于(n-1)p 和 np 之間的部分按nρmcpc 元 / 度進(jìn)行獎勵。每級的獎勵金額為
因此，若第 i 個車間第 j 個月的實際單耗與單耗定額之間的差額為 ?qij，則可得出該車間該月可獲得的獎懲金額 m 為
2.2.3電能質(zhì)量考核
定義 ?ub（電壓偏差），?fb（頻率偏差），εb（三相不平衡度），thdb（諧波畸變率），db（電壓波動率）分別代表 5 項電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)值，則這 5 項電能質(zhì)量考核指標(biāo)分別定義如下。
其中，db代表電壓波動國家標(biāo)準(zhǔn)值，d 表示電壓波動。
頻率偏差指標(biāo) sfd為
其中，?fb 代表頻率偏差國家標(biāo)準(zhǔn)值，?f 表示頻率偏差。
諧波畸變率指標(biāo) shd為
其中，thdb代表諧波畸變率國家標(biāo)準(zhǔn)值，thd表示諧波畸變率。
電能質(zhì)量綜合指標(biāo) spqi為
根據(jù)spqi的值將電能質(zhì)量分為a(spqi<0.25)，b(0.25≤spqi<0