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淺談某水務集團給水廠電能管理系統(tǒng)平臺設計應用方案

更新時間：2023-05-11

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　　吳柯霓

　　安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

　　摘要：節(jié)能降耗是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展關注的重點，做好電能管理、提高電能使用效率具有極其重要的意義。筆者依托某集團給水廠電能管理系統(tǒng)平臺的建設，從電能管理需求和建設目標出發(fā)，結合實際總體規(guī)劃了平臺的架構，再分別從硬件及軟件角度介紹整個平臺的構成。本系統(tǒng)已成功部署了三年，電能管理系統(tǒng)平臺運行穩(wěn)定、可靠。

　　關鍵詞：節(jié)能降耗；電能管理；總體規(guī)劃

　　背景

　　電能管理系統(tǒng)為企業(yè)提供精細化的管理模式和節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可為企業(yè)提供一個節(jié)能、安全、優(yōu)化的信息化平臺，通過網絡延伸布設，使企業(yè)信息化傳遞更加快速，使即時電能消耗和企業(yè)生產用能狀況一目了然，使企業(yè)更為便捷、全面和準確地對生產過程中的電能消耗、電能損失、電能平衡、電能成本、電能趨勢變化和電能利用水平進行實時掌控。在電能統(tǒng)計和監(jiān)測的基礎上，制定相關的節(jié)能措施，進一步挖掘節(jié)能潛力，使企業(yè)持續(xù)改進使用策略、提高電能信息化管理層次和降低企業(yè)電能成本，全面提升企業(yè)市場綜合競爭力。

　　1 需求分析

　　某水務公司的給水廠平均電能均占生產成本50%以上，節(jié)能降耗是水廠成本管理的重點，因此建設電能管理系統(tǒng)意義重大。

　　某水務集團下轄10余處給水廠，本次電能管理系統(tǒng)將在各水廠分批次逐步實施，本文依托2019年實施的兩個給水廠電能管理系統(tǒng)作為試點。

　　本次電能管理系統(tǒng)建設計劃分為兩個層級：給水廠電能管理系統(tǒng)和集團級電能管理系統(tǒng)。

　　1.1 給水廠電能管理系統(tǒng)擬要實現(xiàn)功能需求

　　(1)全廠能效計量：實現(xiàn)給水廠電能計量及相關數(shù)據的采集、監(jiān)視、統(tǒng)計、分析。

　　(2)能效實績考核：對各電能單元分區(qū)責任制管理，提高員工節(jié)能意識和節(jié)能降耗積極性；對關鍵能效指標監(jiān)控、預警，實現(xiàn)班組、全廠能效實績考核。

　　(3)設備經濟運行：通過對重點電能設備的效率核算、監(jiān)視和控制，實現(xiàn)設備經濟運行。

　　(4)電能質量監(jiān)控：通過系統(tǒng)對諧波分量圖趨勢圖的監(jiān)控，實現(xiàn)電能質量及諧波監(jiān)測、分析，避免發(fā)生諧波危害和電力系統(tǒng)電能質量問題。同時提高功率因數(shù)、負荷均衡和變配電效率，降低供電系統(tǒng)損耗。

　　1.2 集團級電能管理系統(tǒng)實現(xiàn)功能需求

　　(1)集團能效全面管理：各給水廠電能管理系統(tǒng)關鍵數(shù)據上傳集團電能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)所屬水廠電能管理的全覆蓋。

　　(2)節(jié)能降耗管理：通過電能計量及相關數(shù)據的采集、統(tǒng)計、分析，推動水廠經濟運行和節(jié)能技改工作的實施，形成節(jié)能技術交流培訓平臺。

　　(3)能效實績評價與考核：利用大數(shù)據對水廠內部、水廠之間關鍵能效指標對標、分析，評價水廠能效挖掘潛力，通過目標指標考評和節(jié)能降耗經驗推廣，激勵員工、班組、水廠節(jié)能降耗積極性，有效降低電能成本。

　　2 建設目標

　　為了做好某水務集團節(jié)能減排工作，進一步增強水務集團工作人員節(jié)能意識，加強電能管理，降低電能成本，結合某水務集團水廠電能的現(xiàn)狀，本次電能管理系統(tǒng)建設目標如下：

　　2.1 各水廠能效工況統(tǒng)計、分析與預警

　　開展集團以及各單位電能工況統(tǒng)計、分析與預警，集團所屬各單位間關鍵電能指標對標，查問題找原因，尋找節(jié)能降耗重點目標，進行管理提升或節(jié)能技改。

　　對于重點耗能設備由于客觀原因偏離額定工況時增加的電能，通過工況統(tǒng)計、分析與預警等手段，科學化合理調整工藝流程和技術路線等。

　　2.2 節(jié)能降耗管理

　　建立節(jié)能技改臺賬，進行節(jié)能效果統(tǒng)計、分析；進行節(jié)能技術、措施研究與推廣；以本項目為契機，構建節(jié)能技術交流培訓平臺。

　　2.3 能效實績評價與考核

　　以各給水廠分級管理電能作為考核指標，對水廠電能管理水平進行評價、分級管理；各給水廠的電能預算指標進行年度、月度考核評價。

　　3 設計方案

　　3.1 總體規(guī)劃

　　3.1.1整體規(guī)劃，分步實施原則

　　某水務集團電能管理系統(tǒng)建設要遵循整體規(guī)劃，分步實施，從集團發(fā)展戰(zhàn)略、電能管理先進手段、電能結構調整等高度出發(fā)，做到整體規(guī)劃，分為遠期規(guī)劃、中期規(guī)劃和近期規(guī)劃，并進行分步實施。

　　3.1.2 技術成熟，應用創(chuàng)新原則

　　電能管理系統(tǒng)建設應選擇成熟的、主流的和符合技術發(fā)展趨勢的相關產品，使電能監(jiān)控系統(tǒng)建設及運營兼具經濟性及創(chuàng)新性。

　　3.1.3 充分兼容，減少投資原則

　　電能管理系統(tǒng)建設應充分考慮系統(tǒng)之間的兼容性原則，系統(tǒng)應充分兼容其他電能信息化相關系統(tǒng)。

　　3.1.4 結合實際，彰顯特色原則

　　電能管理系統(tǒng)的建設過程中，從水廠電能使用現(xiàn)狀出發(fā)，充分考慮實際需求，在滿足基本需求的基礎上，讓系統(tǒng)功能更豐富而具有特色。

　　3.2 總體架構及硬件系統(tǒng)

　　本次電能管理系統(tǒng)從業(yè)務層級上可分為水廠監(jiān)控級和集團運營管理級，其中水廠和集團都是切實存在的公司實體，其對應的功能需求如下。集團運營管理層：電能數(shù)據的挖掘分析，績效考核；目標制定，計劃制訂等運營管理；水廠現(xiàn)場監(jiān)控層：承上啟下的作用，現(xiàn)場生產數(shù)據的過濾與匯總，對水廠進行專業(yè)管控。本次電能管理系統(tǒng)由電能計量裝置、數(shù)據網關、傳輸網絡、工作站、服務器、運營管理軟件等組成，總體架構詳見圖1。

圖1 某水務集團水廠電能管理系統(tǒng)架構圖

　　3.3 軟件系統(tǒng)

　　3.3.1 軟件系統(tǒng)架構

　　本次電能管理系統(tǒng)軟件的架構采用目前*為主流、成熟的三層架構：即數(shù)據層、應用層、表現(xiàn)層，如下圖2所示。

圖2 電能管理系統(tǒng)軟件架構圖

　　3.3.1.1 數(shù)據層

　　數(shù)據層是整個電能管理的基礎，其包括數(shù)據采集以及數(shù)據存儲。

　　數(shù)據采集包括智能設備采集、手動錄入系統(tǒng)和與其他系統(tǒng)通信的三種方式；采用基于SQL結構的大型數(shù)據庫將采集上來的電能數(shù)據按照分項分類的標準存儲。

　　3.3.1.2 應用層

　　應用層主要分成四個功能模塊，分別是數(shù)據及消息管理、分析展示、輔助管理及后臺管理四個功能模塊。

　　數(shù)據及消息處理的主要功能包括電能數(shù)據的采集、電能數(shù)據的轉發(fā)上傳，以及電能數(shù)據的備份、校驗和還原功能。

　　分析展示主要是將電能數(shù)據結合企業(yè)的特點，進行多維度的分析，然后將結果通過曲線、圖表等等方式展現(xiàn)出來。

　　輔助管理功能是根據運行的電能數(shù)據，幫助企業(yè)管理者制定相關的考核指標、進行考核并將電能數(shù)據結果進行展示。

　　后臺管理系統(tǒng)是對整個能效管理系統(tǒng)的工程管理，如用戶權限的設置，系統(tǒng)增容以及界面設置等功能。

　　3.3.1.3 表現(xiàn)層

　　表現(xiàn)層的主要功能是將電能數(shù)據信息及分析結果通過一定的方式展現(xiàn)給對應用戶，不同的用戶分組擁有不同的權限，可以看到對應的數(shù)據。系統(tǒng)是基于B/S結構，展示主要以圖形、報表級曲線等方式，通過Web瀏覽器方式實現(xiàn)。

　　3.3.2 軟件系統(tǒng)的內容

　　電能管理系統(tǒng)軟件建設主要有：

　　(1)Web系統(tǒng)：支持在一個平臺系統(tǒng)上能建立多個基于Web系統(tǒng)的服務及其功能。

　　(2)安裝SOA工作流引擎：采用標準的SOA架構，通過SOA工作流引擎與數(shù)據庫進行高速的數(shù)據交互。

　　(3)安裝網絡服務協(xié)議：amtp.pops,imap4,web soap等。

　　(4)數(shù)據庫系統(tǒng)：建立大型的網絡數(shù)據庫系統(tǒng)、大型的關系數(shù)據庫SQL Sever2008和實時的工業(yè)數(shù)據庫系統(tǒng)。

　　(5)建立安全系統(tǒng)：設置防火墻軟件、防病毒軟件，可有效地防止入侵。

　　(6)電能管控系統(tǒng)軟件：在建設周期內可以動態(tài)實現(xiàn)根據車間內需要修正軟件功能。

　　3.3.3 軟件系統(tǒng)功能

　　本次電能管理系統(tǒng)軟件所能實現(xiàn)的主要功能(不限于)如下：

　　3.3.3.1 數(shù)據采集及管理

　　系統(tǒng)通過網絡傳輸層將電能數(shù)據采集上來，并將其存儲至實時數(shù)據庫中，存儲的數(shù)據帶有時間、用途及位置等信息。

　　3.3.3.2 系統(tǒng)管理

　　靈活的用戶配置界面，可以讓用戶很方便地進行用戶配置、區(qū)域管理、分類分項及分科室管理，并能很方便進行儀表信息管理。

　　上述功能須在專用客戶端上進行，以保障系統(tǒng)的數(shù)據安全和生產運行安全。

　　3.3.3.3 電能管理

　　(1)用戶可自定義實現(xiàn)基于GIS 地圖的電能監(jiān)測與管理、各生產構筑物分項用能數(shù)據分析展示、用能查詢，當能源監(jiān)測點發(fā)生異常，可以直接在地圖上進行位置鎖定，幫助客戶縮短故障恢復時間。

　　(2)對電能系統(tǒng)內節(jié)點設定報警限值，設定的內容包括報警內容、報警類型、報警等級、報警級別、位置、能源類型、周期、指標、單位、設定值等。

　　(3)報警管理包括報警設定、實時報警、統(tǒng)計分析、歷史查詢等管理功能。

　　(4)提供對歷史報警信息的查詢功能，實現(xiàn)多種查詢條件的查詢，列表展現(xiàn)報警信息列，可導出Excel，也可查看每條報警信息的詳細情況。

　　(5)提供對報警信息的分析功能，方便客戶查看各種記錄信息和分析報警原因，給出分類統(tǒng)計、縱向對比等多種分析方法。

　　(6)對電能消耗總體情況和分項情況進行統(tǒng)計，按照年、季、月、周和天的時間進行統(tǒng)計分析，并以柱狀圖、曲線、數(shù)字表現(xiàn)形式顯示和輸出，實現(xiàn)電能統(tǒng)計需求。

　　(7)可以從數(shù)據庫中任意選取數(shù)據形成方案，并針對所選方案完成圖形化對比分析展示。

　　(8)通過自由分析功能，可實現(xiàn)客戶對該系統(tǒng)內電能數(shù)據的任意組合查看，查看方式為圖表。包括自由分析方案的定義(新建和修改)、查看、導出或打印自由分析圖表等功能。功能頁面上包括自由分析查詢、方案編輯等管理功能。

　　3.3.3.4 報表管理及發(fā)布

　　系統(tǒng)可以生成各類電能的日報表、月報表、年報表等各種報表，實現(xiàn)電能精確計量和運行監(jiān)管功能，清晰描述企業(yè)總的用電現(xiàn)狀。

　　系統(tǒng)提供各種電能對比、電能審計相關報表，包括但不限于以下各類報表：

　　(1)按日、月、年提供某個工藝段電能報表。

　　(2)各工藝段用電環(huán)比、同比報表。

　　(3)工作時間與非工作時間用電分析。

　　(4)分時、分區(qū)電能消耗對比分析。

　　(5)同時實現(xiàn)報表的自動生成與實時發(fā)布功能。報表提供打印、過濾、排序等功能，打印方式支持Word、Excel、PDF、棒圖、曲線等圖表打印功能。

　　3.3.3.5 績效考核

　　采用績效管理的方法實現(xiàn)對客戶電能使用的一種考核方法，目的是促進客戶(電能使用者) 提高能源管理水平、提供電力系統(tǒng)或設備的運行效率、人員的節(jié)能意識等以實現(xiàn)節(jié)能的目的。其包括績效設定、實時績效、績效分析等管理功能。

　　3.4 管控中心

　　電能管理系統(tǒng)建設通過互聯(lián)網進行數(shù)據傳輸，單個水廠不需建設單獨的數(shù)據主控中心，每個水廠的系統(tǒng)數(shù)據傳輸給集團網絡中心服務器，每個水廠電能管理僅增加服務器、工作站及防火墻等基礎設備，數(shù)據中心建設在集團電能管控中心，其作為節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的支撐。

　　本次電能管理系統(tǒng)采用的體系架構為C/S和B/S架構。B/S架構的特點是通過瀏覽器訪問服務器的程序，在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺能上網的電腦就能使用，客戶端零維護，系統(tǒng)的擴展非常容易。C/S結構的特點是客戶端要安裝客戶端程序，通過客戶端程序與服務器進行交互，充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力，很多工作可以在客戶端處理后提交給服務器，客戶端響應速度快。B/S架構的應用，適用于用戶交互量不大的應用，對于要求高速、頻繁交互的模式則采用C/S體系，所以兩者在應用時采用相互補充。

　　4 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

　　4.1 概述

　　用戶端消耗著整個電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側管理等課題。

　　安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據支撐。

　　4.2 應用場所

　　(1)辦公建筑(商務辦公、大型公共建筑等)；

　　(2)商業(yè)建筑(商場、金融機構建筑等)；

　　(3)旅游建筑(賓館飯店、娛樂場所等)；

　　(4)科教文衛(wèi)建筑(文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等)；

　　(5)通信建筑(郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據中心等)；

　　(6)交通運輸建筑(機場、車站、碼頭建筑等)。

　　4.3 系統(tǒng)結構

4.4 系統(tǒng)功能

　　4.4.1 實時監(jiān)測

　　系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、告警等信號。

4.4.2 電能統(tǒng)計報表

　　系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

4.4.3 詳細電參量查詢

　　在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中�，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4.4.4運行報表

　　系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、對應時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

4.4.5 變壓器運行監(jiān)視

　　系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

4.4.6 實時報警

　　系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

4.4.7 歷史事件查詢

　　系統(tǒng)能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

4.4.8 電能質量監(jiān)測

　　系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

4.4.9 遙控操作

　　系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

4.4.10 用戶權限管理

　　系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經的操作(如配電回路名稱修改等)�？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.4.11 通訊狀態(tài)圖

　　系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.4.12 視頻監(jiān)控

　　視頻監(jiān)控展示了當前實時畫面(視頻直播)，選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

4.4.13 用戶報告

　　用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

4.4.14 APP支持

　　電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”和“缺陷記錄”五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

4.5 系統(tǒng)硬件配置清單

5 結語

　　節(jié)能降耗是水務公司可持續(xù)發(fā)展的根本，它是水務公司降本增效，提高生產運營效益的重要途徑，更是水務公司應當承擔的重要社會責任。因此對于水務公司來說，搞好電能管理，提高電能使用效率是具有重要的意義的。

　　本次給水廠電能管理系統(tǒng)已部署在某集團調度中心及給水廠中控室，具體實現(xiàn)的功能有：水廠電能消耗能流圖表、電能預警、統(tǒng)計分析、歷史查詢、同類對比、自由分析、績效考核、報表管理、節(jié)能效果分析等，本系統(tǒng)已投入運行將近3年，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定、可靠，滿足了電能生產及運營管理要求，為給水廠的電能管理提供有效的支撐。

　　【參考文獻】

　　[1]趙博龍.某水務集團給水廠電能管理系統(tǒng)平臺設計與實踐.

　　[2]陸子平.高校教育資源數(shù)據中心的研究與架構[J].現(xiàn)代教育技術,2008(02):93-96.

　　[3]李秋雯.基于web的高校技能培訓與認證管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].電子科技大學,2015.

　　[4]尹子會,付煒平,劉朝輝.基于五防原理的變電站現(xiàn)場作業(yè)安全管控系統(tǒng)應用[J].科技風,2015(15):113-114.

　　[5]孫雅雯.基于Vague集模糊理論的節(jié)能方案選擇在校園節(jié)能監(jiān)管平臺中的應用研究[D].安徽大學,2014.

　　[6]朱磊.重慶煙廠能源綜合管理系統(tǒng)的研究與設計[D]重慶大學,2009.

　　[7]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2022.05版.

　　作者簡介：吳柯霓，女，現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理系統(tǒng)的研發(fā)與應用