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(shì)。西門子基于工業(yè)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出了全集成電能管理（Totally Integrated Power，簡(jiǎn)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(lái)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(chǎng)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(chǎng)設(shè)備層
在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量設(shè)備。如SENTRON 3WL和3VL系列斷路器；SIMEAS-P多功能測(cè)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(cè)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?？梢造`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(cè)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(wú)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(wú)功，視在功率，功率因素,系統(tǒng)頻率，相角，有功電度，無(wú)功電度,電壓和電流的不平衡度，以及諧波測(cè)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)兀ㄟ^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(cè)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(cè)試。能夠獲取的遙測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)工況信息；同時(shí)，下達(dá)來(lái)自于控制中心的遙控和遙調(diào)信息給現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(kù)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(lái)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(gòu)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(shì)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(shì)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。可視化的遠(yuǎn)程操作毫無(wú)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(lái)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(shì)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(lái)越被廣大的低壓用戶采納。有關(guān)電能質(zhì)量的國(guó)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(wú)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(cè)量功能模塊F05能夠測(cè)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(cè)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(cè)量功能。圖6為SEMEAS P表測(cè)量的諧波顯示。功率因數(shù)的監(jiān)測(cè)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(chǎng)設(shè)備的諧波測(cè)量以及瞬態(tài)波形記錄，在控制中心能夠?qū)@些測(cè)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(lái)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(chǎng)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。