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基于實時數據采集的用電企業電能管理系統設計與應用

　更新日期：2024-08-27　點擊量：917

摘要：在信息化技術應用日益發展的今天，各類用電企業對于電能的管理已經不僅局限于按月的電能計量結算了，對供電系統運行的實時監測、對電能量按工序或設備的考核、甚至是按單爐單機的成本核算，都需要建立起動態實時的電能管理系統。本文介紹了基于實時數據采集的電能管理系統的設計及應用情況，對實時電能管理系統的總體結構、數據模型、功能結構及各環節的應用要點進行了分析研究。

關鍵詞：用電企業；電能管理；實時數據庫數據采集；

0引言

電能管理系統以智能電表（以下簡稱電能表）為數據采集的源頭，利用互聯網、工業以太網等各種網絡通訊方式與實時電能數據采集系統相連接，實時電能數據采集系統將處于分散狀態的電能數據讀取到實時電能采集數據庫；依靠實時電能采集數據庫，電能采集監測系統可以提供動態實時的電能采集網絡監測功能；再通過電能數據上傳接口定時將電能管理數據保存到電能數據管理系統的數據庫，按照設定的處理周期進行電量結算，后利用電能管理信息系統提供電能管理信息。根據不同類型企業的需要，通過電能數據服務接口可以為ERP等信息化系統提供電能網絡運行和電量數據，為生產管理與成本管理提供電力系統的數據；根據電能管理用戶的需要，還可以通過外部數據接口接受來自企業內部其它信息系統的數據，例如有關計劃數據、生產實績數據等。系統的總體結構設計如圖1所示。

圖1電能管理系統總體結構

1實時電能數據采集系統

實時電能采集系統是以實時數據庫技術為基礎，建立起實時電能采集數據庫，采集的主要步驟是：

系統根據設定的參數自動輪詢電能表，讀取相關數據；
對于讀取到的數據，將根據不同規約的格式（如DL/T645的數據格式）對數據進行解析并進行有效性檢查，舍棄不正確的數據；
讀取電能表的順序將根據配置在實時數據庫中的電能表序號進行；
電能表出現通訊異常時，如無應答、校驗錯等，系統自動重采。重采的次數可以在配置界面中設置。如重采失敗，系統會記錄并顯示對應的狀態數據，為運行管理人員提供監測與處理信息。
維護管理人員可以通過手動操作讀取電能表相關數據、對電能表進行參數設置（如校時操作）等；
系統讀取的數據均跟隨時間標簽，并根據設定的時間間隔自動將電能表數據寫入到實時數據庫中。

實時電能數據采集系統的采樣周期通常可以設置為500ms。

2電能采集監測系統

電能采集監測系統是一套有動態實時功能的Web應用軟件系統，它首先提供一套反映系統內所管理變電所、開關站或配電室等電網結點分布情況和當前運行狀態的“電能采集系統總體監測圖"，圖中可以根據用戶需要設置各結點設備的狀態，例如：正常運行為“綠色"、故障或檢修停運狀態為“紅色"、備用狀態為“灰色"。點擊圖上的某一結點設備，可以按電能網絡圖或電能數據表的形式動態的顯示該結點內部所屬的各個用電部位的電能數據。實時數據顯示的刷新頻率可以與實時電能數據采集系統的采樣周期相同。

這一系統的功能主要是為電能管理系統提供基礎的運行管理服務，也為現場電能表的運行維護提供服務，同時還可以間接的為電能表所測量的供電、用戶設備的運行維護提供參考信息。

3電能數據上傳接口

按照設定的數據上傳周期，定時由實時電能數據采集系統提取電能管理需要的數據，保存到電能數據管理系統。依據一個企業對電能數據所需要的小時間粒度，上傳周期可以為1分鐘到60分鐘設置，例如化工企業若以滿足生產日報為小時間要求，則設置為10分到60分鐘都可以，但若想滿足轉爐煉鋼按爐次計算成本的要求，就設置為不大于2分鐘。總之上傳周期的設置，就是以企業對通電數據的需要為前提，根據系統存儲能力、考慮數據的處理效率來確定，設置時還要兼顧數據的保存期限要求。

4電能數據管理系統

電能數據管理系統以關系數據庫為基礎，針對電量計算數據和電力系統運行數據兩個種類分別構建出按時間分層的電能數據模型如圖2所示。其中：

電量計算數據是指用于電量計算的正向有功電量、正向無功電量、反向有功電量、反向無功電量等，這類數據可以按時間分為采集量、小時量、班量和日量等多個時間層面進行計算處理，并且有不同時段的峰、平、谷數據。當需要進行周報、旬報、月報等數據時，可以利用電量日數據來實現。
電力運行數據是指對于電力系統運行管理所需要的單相或三相電流、電壓、電量、功率因數等數據，在采集上傳基礎上，按小時生成大值、小值和平均值等統計數據。為電力系統的運行管理提供實時的和歷史的原始數據與統計數據。

這種數據的分類存儲策略，主要是用來滿足用戶的不同管理需求；而分層的數據存儲策略則是為了更好的滿足數據的處理效率要求。

數據在按設定的采集周期形成采集基礎數據的同時，按時自動進行各時間層面數據的歸集處理，并且可以根據不同層面數據的使用有效期限設置自動轉儲與清理策略。例如，電能采集原始數據、電量計算采集數據和電力運行采集數據可以設置為保存3個月到12個月，小時數據、班數據和運行統計數據可以保存為3年，日數據可以保存10年等。超過保存期限的數據自動進行轉儲與刪除，這樣能夠在滿足使用要求的前提下盡量減少在線存儲空間的占用，目的就是為了提高處理效率。

圖2電能數據模型

5電能管理信息系統

電能管理信息系統是一個面向管理與服務的Web應用軟件系統，它主要由運行管理、計量管理、綜合管理、信息服務和系統管理五大功能項目構成，電能管理信息系統的主功能結構如圖3所示。

運行管理功能由采集信息、數據查詢、分析曲線、平衡曲線、運行日報、參數管理等子功能項組成，主要是用來滿足電能采集網絡和電能表等的設備與線路的運行監測與管理。對于能源責任管理細化的單位，也是各責任部門人員觀測自己責任范圍內供電設備和用電設備運行狀況的窗口。
計量管理功能由人工結算、人工平衡、計量臺帳、計量報表等項組成。其中人工結算是在數據正常采集、上傳與自動結算某環節出現問題，重新從實時數據庫提取某一時段數據后，由人工選擇進行重新結算處理的功能；人工平衡是對于自動采集過程中由于線路或設備故障原因所造成的異常數據進行處理的功能，處理的時間層面可以選擇在小時、班或日的任一層面，經過人工平衡的數據點原始數據與人工數據同時保存，后續的結算以人工數據為準進行；計量臺帳和計量報表可以按用戶的格式要求和時間要求進行設計。
綜合管理功能是以用戶對電能管理的綜合管理要求為目標所設計的功能項目，例如電能消耗指標完成情況統計表、主要設備電能消耗統計表、設備停機電能損耗計算表等。
信息服務功能是對企業的各類用戶提供電能管理信息查詢、報表、統計計算的功能項目。例如對于企業高層管理提供全公司按產品或按分廠車間的電能消耗統計或明細查詢，對分廠或車間提供本部門或各基層工段班組的電能消耗統計或明細查詢。
系統管理功能提供登錄操作人員的授權、系統參數設置、系統數據的轉儲備份等功能。本系統的各項操作都自動記錄操作人員和操作時間，為系統的管理提供幫助。

圖3電能管理信息系統主功能結構

6安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

6.1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：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、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計，以直觀的數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，有效節約電能，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

6.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

6.3系統結構

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6.4系統功能

6.4.1實時監測

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

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6.4.2電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。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。

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6.4.3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，鼠標指針變為手形，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、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。

6.4.4運行報表

系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、時間或選擇查詢更新的記錄數據等，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。

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6.4.5變壓器運行監視

系統對配電系統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，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。

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6.4.6實時報警

系統具有實時報警功能，系統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、功率因數越限等事件進行實時監測，并根據事件等級發出告警。系統報警時自動彈出實時報警窗口，并發出聲音或語音提醒。

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6.4.7歷史事件查詢

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

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6.4.8電能質量監測

系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續性的監測，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測功能的電力儀表，不需要可刪除。

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6.4.9遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統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。

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6.4.10用戶權限管理

系統為保障系統安全穩定運行，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）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

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6.4.11通訊狀態圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發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場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

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6.4.12視頻監控

視頻監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。

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6.4.13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據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。

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6.4.14APP支持

電力運維手機支持“監控系統"、“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。

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6.5系統硬件配置清單

應用場合	型號	圖片	功能
電能管理軟件	Acrel-3000WEB		Acrel-3000WEB電能管理軟件全方監視用戶配電系統的運行狀態和電量數據，為用戶提供更好的運維服務。平臺提供用戶概況、電力數據監測、電能質量分析、用電分析、日/月/年用能數據報表、異常事件報警和記錄、運行環境監測等功能，并支持多平臺、多終端數據訪問。
智能網關	Anet-2E8S1		8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPCUA等協議的數據接入，ModbusT-c(主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協議上傳，支持不同協議向多平臺轉發數據;輸入電源:AC/DC22ov，導軌式安裝。
	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104(主、從）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模塊）輸入電源:DC12V~36V.支持4G擴展模塊，485擴展模塊。
	ANet-485		M485模塊:4路光耦隔離RS485
	ANet-M4G		M4G模塊:支持4G全網通
35kV/10kV/6kV微機保護裝置	AM6系列		35kV及以下配電系統線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監測/PT并列、母聯/備自投等保護。
35kV/10kV/6kV弧光保護	ARB5-M		主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，弧光保護<8組）、失靈保護(4組）、TA斷線監測（4組）、非電量保護、裝置故障告警
	ARB5-E		擴展單元，可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號
	ARB5-S		弧光探頭，建議安裝地點包括（但不限于）斷路器室、電纜室、母線室，可面板開孔安裝，亦可支架式安裝。弧光探頭的檢測范圍是一個角度為180°，半徑0.5m的扇形區域。
35kV/10kV/6kV進線柜電能質量在線監測	APView500		裝置1024點波形采樣，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿足110kV及以下供電系統電能質量監測的要求。
35kV/10kV/6kV間隔智能操控、節點測溫	ASD500		液晶屏顯示一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫濕度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕、預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4~20mA輸出
35kV/10kV/6kV傳感器	ATE400		合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125℃，測量精度±1℃;傳輸距離空曠150米
35kV/10kV/6kV間隔電參量測量	APM830		三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos），零序電流In，四象限電能，實時及需量，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示
高壓重要回路或低壓進線柜	APM810		三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序電流In，四象限電能，實時及需量，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類型及外部事件（SOE)各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示
	AEM96		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率)﹔電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級
	ADW300/4G		三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量;電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量;電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量當月及上三月的電壓、電流、功率;需量及上十二月歷史需量記錄;事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄;支持4路開關量輸入、2路開關量輸出;支持4路測溫;支持1路剩余電流測量;支持本地顯示及按鍵設置;有功電能精度1級。通訊方式:支持RS485通訊、Lora無線通訊、4G通訊;WIFI通訊
0.4kV出線	AEM72		三相電參量U、I、P、0、s、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）﹔電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級.無功電能精度2級
	DTSD1352		三相電參量u、I、P、Q、s、PF、F測量，分相正向有功電能統計，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計﹔紅外通訊;電流規格:經互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級。
	ACR120EL		LCD顯示、全電參量測量(U、1、P、Q、PF、F);四象限電能計量;RS485/Modbus;可選復費率電能統計、需量統計;4DI+2DO;RS485通訊接口、Modbus協議
照明箱	DDSD1352		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;紅外及RS485通訊;電流規格:10(60）A，有功電能精度1級，無功精度2級;可選配復費率
照明箱	DDS1352		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;RS485通訊;電流規格:10(60)A，有功電能精度1級，無功精度2級;尺寸:1P
電流互感器	AKH-0.66/K型		開口式電流互感器