摘 要：文中從電氣設(shè)計角度說明了電能管理系統(tǒng)的實施方案，以南京凱盛國際工程有限公司設(shè)計的某5000t/d水泥生產(chǎn)線中電能管理系統(tǒng)的應(yīng)用，介紹系統(tǒng)在實際運行中所實現(xiàn)的功能和效果。此系統(tǒng)對于工廠的節(jié)能降耗和提高自動化管理水平，起到了非常積極的作用，獲得良好的使用效果和經(jīng)濟效益。 

關(guān)鍵詞：電能管理系統(tǒng)；電氣設(shè)計；水泥生產(chǎn)線；節(jié)能降耗

 

      水泥企業(yè)作為傳統(tǒng)的高能耗高污染企業(yè)，節(jié)能減排一直是其轉(zhuǎn)型改革的重點。隨著智能制造概念的提出，加快推動新一代信息技能和制造技術(shù)融合發(fā)展，使得水泥工廠的信息化技術(shù)不斷提高。在新型水泥工廠中，電能采集使用智能化電表，傳輸信號由傳統(tǒng)的4～20mA信號更換為ModBus總線通訊，可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更多，并且有效保證了數(shù)據(jù)的實時性和準確性。電能管理系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進行記錄存儲，通過數(shù)據(jù)的計算、分析、查詢和整合，以報表和圖形的方式展示給生產(chǎn)管理者。本文以國內(nèi)某5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線為例，介紹電能管理系統(tǒng)在水泥廠中的設(shè)計實施及應(yīng)用。

 

      本項目是從石灰石破碎至水泥磨的整個水泥熟料工藝生產(chǎn)線。全廠共設(shè)計150多塊智能電表，分布在石灰石破碎電氣室、原料處理電氣室、原料磨電氣室、窯尾電氣室、窯頭電氣室、煤磨電氣室和水泥磨電氣室共七個電氣室中。智能電表采用標準ModBus-RTU總線通訊，將數(shù)據(jù)傳輸至DCS系統(tǒng)。電能管理系統(tǒng)通過OPC協(xié)議與DCS控制系統(tǒng)通訊，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)存儲，通過數(shù)據(jù)的計算、分析、查詢和整合，以報表和圖形的形式展示給生產(chǎn)管理層，管理層通過對數(shù)值的對比分析，獲取不同工況或不同的操作方式產(chǎn)生的能耗差別，去指導(dǎo)生產(chǎn)從而達到節(jié)能降耗的目的。

 

2 電氣設(shè)計 

2.1　電表設(shè)計

      根據(jù)工藝生產(chǎn)車間分布，全廠設(shè)七個電氣室，電表根據(jù)對應(yīng)設(shè)備或電源所屬車間，統(tǒng)一安裝在各電氣室中。電表的主要目的是為計算電耗參數(shù)提供數(shù)據(jù)，因此，電表的設(shè)計應(yīng)滿足工廠生產(chǎn)時所需的各項電耗指標。以原料磨電氣室為例，高壓總進線柜設(shè)計一塊電表，用來測量整個原料磨車間的總用電量。車間內(nèi)重要設(shè)備如原料磨主電機、高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機等單獨設(shè)計電表，用來計算單個設(shè)備的電耗。車間照明、檢修電源和維修用電動葫蘆等統(tǒng)一設(shè)置一塊電表，在計算生產(chǎn)電耗時，可以將這類數(shù)據(jù)減去。其它電氣室也遵循這一原則來設(shè)計。

2.2　電表選型

      根據(jù)國家標準《電力裝置的電測量儀表裝置設(shè)計規(guī)范》，電表應(yīng)按其所計量對象的重要程度和計量電能的多少分類。如表1所示，水泥廠的電表準確度應(yīng)不低于三類標準。中性點有效接地系統(tǒng)的電表應(yīng)采用三相四線的接線方式，中性點非有效接地系統(tǒng)的電表宜采用三相三線的接線方式。根據(jù)電能管理系統(tǒng)以及水泥廠DCS控制系統(tǒng)的需求，多功能電表可測量各種常用電力參數(shù)、有功電能、無功電能，并具有數(shù)字通訊、越限報警、監(jiān)測開關(guān)狀態(tài)、電能脈沖輸出和模擬量輸出等功能，能夠完成工控系統(tǒng)不同PLC，工業(yè)控制計算機通信軟件的組網(wǎng)。

2.3　數(shù)據(jù)采集

      電表采用ModBus總線串聯(lián)，經(jīng)過ModBus-RTU協(xié)議傳送至DCS控制系統(tǒng)?？紤]到通訊速率、現(xiàn)場安裝條件易擾性和保證數(shù)據(jù)實時性等因素，在設(shè)計時一條總線配置20多塊電表。如窯頭站一共有38塊電表，分配成兩條ModBus總線連接至DCS系統(tǒng)。由于單條總線通訊量少，總線距離短，很大地提高了通訊系統(tǒng)的抗干擾性，而且在后期維護中，對單個電表的更換和維修，也不會影響到整個站的數(shù)據(jù)通訊。DCS系統(tǒng)負責采集電表傳輸?shù)母黜棓?shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和編程工作，在監(jiān)控畫面上實時顯示各設(shè)備的電流、功率等運行參數(shù)，并且通過OPC標準協(xié)議可為第三方電能管理系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)。

 

3 功能效果

       以南京凱盛國際工程有限公司自主開發(fā)的水泥工廠電能管理系統(tǒng)為例，詳細介紹其主要功能和運行效果。通常來說，水泥工廠電能績效指標，包括廠區(qū)內(nèi)各關(guān)鍵設(shè)備電耗、工序電耗、綜合電耗、單位熟料發(fā)電量、單位煤耗發(fā)電量等[1]。根據(jù)這些關(guān)鍵指標，結(jié)合生產(chǎn)過程中影響各指標的重要因素，電能管理系統(tǒng)通過內(nèi)部分析計算，以報表和圖表形式，發(fā)布電能統(tǒng)計報告，并針對各工藝車間段，各主要設(shè)備，各班次提供能耗分析，從而幫助工廠管理人員及時發(fā)現(xiàn)能耗異常，解決問題，降低生產(chǎn)成本。表2為熟料燒成工藝車間的月電耗報表，圖１為原料磨車間及相關(guān)設(shè)備的電耗柱狀圖。電能分析管理主要包括以下幾方面：（1）用電量管理：系統(tǒng)自動統(tǒng)計各工藝段以及整個工廠的用電量，當總用電量到達上，系統(tǒng)會自動發(fā)出預(yù)警，生產(chǎn)管理者可以根據(jù)預(yù)警信息，選擇相應(yīng)的措施，保證用電量控制在要求范圍內(nèi)。（2）電能異常管理：長期記錄連續(xù)正常生產(chǎn)時的各項數(shù)據(jù)，智能分析并建立一整套電能消耗規(guī)則，當出現(xiàn)電能使用異常情況時，系統(tǒng)會自動發(fā)出預(yù)警，并標識出與此異常相關(guān)的設(shè)備，幫助管理者和操作人員及時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，保證生產(chǎn)的正常和連續(xù)性。（3）重要設(shè)備負荷管理：全廠重要的大型電機設(shè)備，例如窯尾排風(fēng)機、高溫風(fēng)機等，通過采集電機的各項運行數(shù)據(jù)，建立一套以負荷率和運轉(zhuǎn)率為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)模型，以直觀的圖形展現(xiàn)給生產(chǎn)管理者，對今后的生產(chǎn)改造具有積極的指導(dǎo)意義。目前該套系統(tǒng)已在生產(chǎn)線成功投入運行，其實際運行效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析和量化，客觀呈現(xiàn)了各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗情況，為全廠的進一步節(jié)能降耗措施，提供了科學(xué)、實際的指導(dǎo)作用。（2）可定制的各種數(shù)據(jù)報表和圖形界面，自動生成和推送，替代了傳統(tǒng)的人工抄寫記錄工作，節(jié)約了人工成本，也提高了數(shù)據(jù)的準確性和實時性。（3）智能化分析和預(yù)警，實時地標識出能耗異常情況以及相關(guān)的設(shè)備，保證了正常連續(xù)的生產(chǎn)，避免因設(shè)備或者工藝原因造成生產(chǎn)損失。（4）提高了操作人員的工作效率，通過長期大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和分析，得出參數(shù)模型，人工與自動化相結(jié)合，使生產(chǎn)長期保持高效、穩(wěn)定地狀態(tài)。 

 

圖1　車間及設(shè)備電耗柱狀圖

 

4.1概述

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

       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(jù)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(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

4.2應(yīng)用場所

       （1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

       （2）商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)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、電視等）；

       （6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

      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(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

 

      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(nèi)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。

 

 

      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）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(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

 

      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。

 

      6）實時報警

      系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)、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(jù)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。

 

      7）歷史事件查詢

      系統(tǒng)能夠?qū)b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。

 

      8）電能質(zhì)量監(jiān)測

      系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)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(yīng)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。

 

      9）遙控操作

      系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、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(quán)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(nèi)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(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

 

      10）用戶權(quán)限管理

      系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

 

      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(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)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(shè)備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

 

      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(nèi)視頻信息。

 

      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(jù)，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。

 

      14）APP支持

      電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)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(zhì)量、各種事件報警查詢，設(shè)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

 

 

      電能管理系統(tǒng)的成功運行，提高了水泥工廠的自動化、智能化和信息化水平。企業(yè)人員在熟悉使用系統(tǒng)的過程中，也在不斷提升自身的管理水平和生產(chǎn)水平，通過實時的能耗分析和預(yù)警，達到了節(jié)能降耗的目標，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。目前，新型智慧型工廠的設(shè)計方案已普遍采用此類系統(tǒng)，相信這類系統(tǒng)也會逐漸應(yīng)用在今后傳統(tǒng)工廠的節(jié)能改造項目中，并且為各個水泥廠帶來越來越多的經(jīng)濟效益。。

 

【1】諸曉進，吳行秋.水泥項目電能管理系統(tǒng)的基本設(shè)計與實現(xiàn).

【2】俞岳燦.信息化在水泥廠電能管理方面的幾點應(yīng)用[J].水泥工程，2013（6）：84-86.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05