摘 要：文中從電氣設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計的某5000t/d水泥生產線中電能管理系統(tǒng)的應用，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濟效益。 

關鍵詞：電能管理系統(tǒng)；電氣設計；水泥生產線；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融合發(fā)展，使得水泥工廠的信息化技術不斷提高。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管理者。本文以國內某5000t/d水泥熟料生產線為例，介紹電能管理系統(tǒng)在水泥廠中的設計實施及應用。

 

      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線。全廠共設計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生的能耗差別，去指導生產從而達到節(jié)能降耗的目的。

 

2 電氣設計 

2.1　電表設計

      根據(jù)工藝生產車間分布，全廠設七個電氣室，電表根據(jù)對應設備或電源所屬車間，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，電表的設計應滿足工廠生產時所需的各項電耗指標。以原料磨電氣室為例，高壓總進線柜設計一塊電表，用來測量整個原料磨車間的總用電量。車間內重要設備如原料磨主電機、高溫風機、窯尾排風機等單獨設計電表，用來計算單個設備的電耗。車間照明、檢修電源和維修用電動葫蘆等統(tǒng)一設置一塊電表，在計算生產電耗時，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計規(guī)范》，電表應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不低于三類標準。中性點有效接地系統(tǒng)的電表應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。

2.3　數(shù)據(jù)采集

      電表采用ModBus總線串聯(lián)，經過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)，經過數(shù)據(jù)轉換和編程工作，在監(jiān)控畫面上實時顯示各設備的電流、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)內各關鍵設備電耗、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)這些關鍵指標，結合生產過程中影響各指標的重要因素，電能管理系統(tǒng)通過內部分析計算，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設備的電耗柱狀圖。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)出預警，生產管理者可以根據(jù)預警信息，選擇相應的措施，保證用電量控制在要求范圍內。（2）電能異常管理：長期記錄連續(xù)正常生產時的各項數(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)出預警，并標識出與此異常相關的設備，幫助管理者和操作人員及時調整生產參數(shù)，保證生產的正常和連續(xù)性。（3）重要設備負荷管理：全廠重要的大型電機設備，例如窯尾排風機、高溫風機等，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率為基礎的數(shù)據(jù)模型，以直觀的圖形展現(xiàn)給生產管理者，對今后的生產改造具有積極的指導意義。目前該套系統(tǒng)已在生產線成功投入運行，其實際運行效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）通過對生產數(shù)據(jù)的采集、分析和量化，客觀呈現(xiàn)了各生產環(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、實際的指導作用。（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）智能化分析和預警，實時地標識出能耗異常情況以及相關的設備，保證了正常連續(xù)的生產，避免因設備或者工藝原因造成生產損失。（4）提高了操作人員的工作效率，通過長期大量的生產數(shù)據(jù)采集和分析，得出參數(shù)模型，人工與自動化相結合，使生產長期保持高效、穩(wěn)定地狀態(tài)。 

 

圖1　車間及設備電耗柱狀圖

 

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、節(jié)約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，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。

       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(jù)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

      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。

 

      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。

 

 

      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，支持導出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導出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(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。

 

      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。

 

      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。

 

      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授權的操作（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。

 

      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。

 

      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。

 

      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

 

 

      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水平，通過實時的能耗分析和預警，達到了節(jié)能降耗的目標，提高了企業(yè)的經濟效益。目前，新型智慧型工廠的設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用[J].水泥工程，2013（6）：84-86.

【3】安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05