1． 概述
降低工礦企業(yè)、基建和商業(yè)大樓的能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能，節(jié)電，經(jīng)濟運行已成為企業(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智能電動機控制與保護裝置；SIPROTEC中壓綜合繼電保護裝置；ET200S數(shù)據(jù)采集與控制裝置等。
2.1.1 中壓綜合繼電保護
中壓綜合繼電保護裝置SIPROTEC系列是一種集保護、測量、控制、故障錄波、顯示和通信于一體的綜合繼電保護裝置，其主要功能如下：
l 保護功能：過流、速斷、接地、零序電流、中性點接地過流、過負(fù)荷、負(fù)序過流（不平衡電流保護）、過/欠電壓、重合閘、溫度保護等?？梢造`活的應(yīng)用于中壓系統(tǒng)的饋線保護，變壓器保護，以及中壓系統(tǒng)中大量應(yīng)用的電機保護。
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)整和運用，以實現(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)量以及實現(xiàn)斷路器3VL分/合控制。
2.1.4 電動機回路監(jiān)控
針對電動機保護與智能控制，西門子提供了SIMOCODE-DP解決方案。SIMOCODE-DP系統(tǒng)能夠保護額定電流范圍從0.25至820A的單相或者三相電機等電氣設(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)保護功能。通過以下兩種途徑可以實現(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)接口進行點對點通信，使用Win-SIMOCODE-DP/Smart實現(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)備運行小時數(shù)等；遙信量有運行狀態(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)用戶的實際需求，可以配置出靈活豐富、功能強大的系統(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、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)出友好的人機界面。配電實時工況信息以曲線、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)對重要的信息進行存盤歸檔，同時，提供靈活豐富的報表功能，用戶可以依據(jù)實際需求靈活自定義報表。因此，管理人員在控制中心利用透明化的能源管理來進行有效地分析和決策，實現(xiàn)節(jié)能、省電、降低運行成本。
3．電能管理系統(tǒng)特點
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)濟地購買電能。
l 采用分析診斷，定向服務(wù)/維護等手段，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的觀點管理和配置配電系統(tǒng)，降低運行費用。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)濟地使用電能，減少電能的消耗，最大限度地降低電能的費用。
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表，自動計算單位能耗，有利于改進成本。通過靈活的負(fù)荷曲線，除了能夠獲取實時負(fù)荷外，還能進行歷史趨勢分析，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界面對配電系統(tǒng)進行可視性操作和有效地管理如圖3。每一臺線路保護開關(guān)均可以在控制室（或本地）進行分合操作。可視化的遠(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)防性的維護和檢修計劃工作同時，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)以及保護動作，故障切斷電源的次數(shù)，同時給出了下次應(yīng)進行維護和檢修的時間和內(nèi)容。開關(guān)保護裝置必須進行檢修時，可以通過SMS方式直接把維護和檢修的時間和內(nèi)容傳輸給維護人員，今后，也可以通過WAP（網(wǎng)上協(xié)議）來傳送。預(yù)防性的維護和檢修計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)濟運行。
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)載均建立獨立賬戶，從該賬戶中很快地得到耗電量，電費等詳細(xì)的表格數(shù)據(jù)信息，同時，還能夠統(tǒng)計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組合也實現(xiàn)4遙功能，從而全面實現(xiàn)對低壓系統(tǒng)的一體化綜合監(jiān)控，具有實時數(shù)據(jù)采集、一次接線圖顯示、參數(shù)設(shè)置、事件報警記錄、曲線棒圖、報表打印、故障智能分析及與上級計算機聯(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，最終實現(xiàn)節(jié)能、省電、經(jīng)濟運行。