淺談樓房老舊的配電設備加裝電能管理系統的方案

 

摘要：文章通過對大樓配電設備現狀及電能管理系統的需求分析，提出了在大樓老舊配電設備中加裝 電能管理系統的方法，包括方案配置、計量點選擇、終端改造、數據通信、報表格式等。旨在供無計量 管理系統或僅有電力監控系統的配電系統中加裝電能管理系統的用戶參考。

關鍵詞：電能管理系統 老舊大樓 配電設備  

       電能管理系統是按用戶的需求，在用戶配電系統中附加的能夠對配電系統中各種用電設備消耗的電 能進行實時采集和顯示、自動計算和處理、匯總分析 報告的自動化管理系統 。該系統可以對電能按照明 插座用電、動力用電、空調用電、特殊用電進行分項計量，為企、事業單位電能管理、節能提供依據。早期的用戶配電系統都不具備這樣的電能管理系統，雖 然近幾年安裝投運的配電系統不少已經配備了電力 監測系統，但仍與電能管理系統不盡相同，并不能達到對電能進行管理的目的。當今各種電能計量傳感器、儀表以及計算機網絡通訊的蓬勃發展，可以對上述兩種配電系統進行二次開發，增加電能管理系統。

 

1.1 某機關辦公大樓(以下簡稱“大樓")基本情況

      大樓建于1997年，共23層，其中地下2層，地上21層。20多年來經過一些局部改造，目前總體分布如下：負2層為機動車車位，負1層設有非機動車位、配電室、水泵房等設備間；1~19層為建筑主體，主要為辦公室，另設有會議室(19 層)、小型會議室若干、活動室、機房、食堂等；20層為電梯間、21層為中 央空調及其配電間。

1.2 配電系統簡介

       大樓配電房設在負一層，有高壓配電室1間，低壓配電室2間，由雙路10 kV受電，4臺變壓器配電。其中1#變、2#變通過母線槽分別向單雙樓層饋電(包括照明、插座、空調等)，樓層用電由各層插接箱從母線槽引出，經總配電箱、分配電箱向各用電終端饋電；水泵房、食堂、消防、電梯、排風等公共設施分配于1#變、2#變，由低壓配電柜饋線單元直供。3#變、4#變通過母線槽給21層空調系統及19層會議室空調系統饋電。

1.3 配電一次系統圖配電一次系統如圖1所示，由于各回路電能都在低壓部分計量，圖中省略了高壓配電部分。

 

1.4 電能計量現狀

   大樓屬于機關行政辦公用途，不存在對外租賃情況，配電設備是20世紀90年代產品，沒有相應的電能 計量管理體系和設施，僅有的計量是供電公司在高 壓進線端安裝的計量表計，用于核算大樓總的電費。 配電柜上只有些指示用的指針表計，不具備電能測 量功能。

大樓曾經安裝過一套電能管理系統，主要是用于 空調、電梯等主要耗能設備的計量管理，該系統不能 對所有用電負荷進行電能計量管理，散布于樓層中的 獨立空調能耗未能納入計量管理。由于大樓配電線路多次改造，同一配電線路上不 同類型的用電設備混雜。

 

2.1 內部管理要求

       全國各行各業都在采取措施節能節電，取得了進展。作為機關更應該帶頭踐行，按照公共機構節能條例以及公共機構能源消耗統計制度要求，對能源消耗進行計量并管理。然而電力節能方案的實施、用電節能設備的廣泛采用是否真起到了節能的作用，用合理的考核管理機制進行科學的判斷。電能管理系統為這種考核和判斷提供依據。大樓電氣設備相對比較老舊，也經過多次改造調整，通過對各用電設備進行能耗測量并建立電能 管理系統的過程，可以對現有配電線路進行一次梳理，排除一些運行隱患，使得配電系統運行更好。電能管理系統的建立必定要對各回路電流、電壓、功率、功率因數進行測量，通過這些電參量也可以監測配電系統的運行狀況，從而使得配電系統運行更加可靠。

2.2 電能管理要求

電能管理系統的作用是通過對用電設備消耗的電能進行分項計量以達到對內部電能消耗進行深入監測和管理，進而節能增效的目的。

所謂分項計量，對于一個辦公性質的大樓，至少 應分別計量以下類別的用電設備耗電。

(1)照明插座用電：主要包括照明和插座用電走廊和應急照明用電室外景觀照明用電。

(2)空調用電：主要包括空調用電。

(3)動力用電：主要包括電梯用電、水泵用電、風機用電。

(4)特殊用電：主要包括信息室、廚房餐廳、活動室等其他特殊用電。

分項計量既要計量每個不同的出線回路耗電，又要把同一回路中不同的用電設備耗電分開計量，充分查清配電電路的實際走向和連接的實際負載，選擇合適的計量點，再進行分項匯總。對于每個計量點原則上電能管理系統只要測量電能，即有功電能、無功電能(對于實行峰谷計費的用戶，計量表計應具有復費率計量功能，對于發電回路 計量表計應具有四象限電能測量功能，本大樓這兩種情況都不存在)。 但實際上目前絕大多數計量表計都是多功能的，在提供電能參數的同時，還具有常規電參量測量數據，如：三相電流、三相電壓、功率因數、有功功率、無功功率等，這些參數可用于對配電系統運 行狀況進行監測。有了各計量點的數據，還要運用現代電子技術、計算機技術、網絡技術和現場總線技術對這些數據實 時自動采集、計算、處理，通過圖表等形式直觀顯示出來；對歷史數據保存、匯總、分析，給出反映各項用電 設備電能消耗的分析報告，為節能決策提供依據。

 

3.1 電能管理系統的一般結構和功能

      電能管理系統通常采用分層分布式結構進行設計，即站控管理層、網絡通信層和現場設備層，按功能 或區域進行劃分，模塊化設計。硬件系統拓撲結構圖如圖2所示。

 

       電能管理系統軟件是對現場設備層數據進行采 集與過程控制的專用軟件，特點是能以靈活多樣的“組態方式"而不是編程方式來進行系統集成，它提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態"，便可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能。通常包括：系統組態軟件、數據存儲軟件、電能管理軟件、設備驅動軟件和網絡發布軟件。比如在分布式網 絡應用中，所有應用(例如趨勢曲線等)對遠程 數據的引用方法與引用本地數據相同，通過“組 態"的方式大大縮短了自動化工程師的系統集成時間，提高了集成效率。

3.2 電能管理系統和電力監控系統的關系

       電能管理系統和電力系統都需要通過測量終端 測量相關電路的電參量，測得的數據也都要自動采集、傳輸、存儲，經不同系統軟件進行計算、顯示、統計、匯總、查詢、報告、通知等。兩個系統在低壓側配電回路電參量的數據采集差別不大，但電力監控系統 還需采集高壓側各進出線回路的電參量、綜保裝置信息、高低壓開關的狀態信息、關鍵連接點關鍵隔室的溫濕度甚至環境溫濕度等參數，對測量終端的附加功能要求較多。電能管理系統為了達到分項計量的目的，僅僅在配電房低壓側測量低壓所有出線的電參量是遠遠不夠的，可能需要測量二級甚至高一級配電回路的電參量。兼有收費功能電能管理系統，對計量終端的傳感器、表計的精度還有一定的要求。因此電能管理系統和電力監控系統通常是不能兼容的。或者說常規的電力監控系統并不能滿足電能管理的需要。

3.3  電能管理系統的基本功能

3.3.1  用戶權限

       為了保證電能管理系統穩定運行，用戶權限管理應能夠防止未經授權的操作(如配電回路名稱修改)。可以定義不同級別用戶的登錄名、操作權限，為系統運行維護管理通過可靠的保障。    

3.3.2  人機交互

       電能管理系統應具備友好的人機界面，能夠以配電一次系統圖的形式直觀顯示本項目配電線路的分布情況，同時將遠程采集的各回路的電參量信息(如電流、功率等)實時顯示在系統界面中 。配電系統維護人員在值班室內通過瀏覽各系統界面，即可實時掌握現場配電工況。

3.3.3  電能統計報表

      電能管理系統以豐富的數據報表體現計量體系 的完整性 。系統應具備各回路定時抄表匯總統計功 能，用戶可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、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能追溯，維護計量體系的正 確性。

對于采用峰谷不同費率的用戶，電能管理系統應 為用戶提供綜合的電能和需量統計報表功能，包含不 同饋線的峰平谷用電量統計與記錄，從而為用電的合 理管理提供數據依據 。同時可對各回路進行日、月、 年報表的統計，減少配電系統維護人員電能統計的工 作時間，提高工作效率。

電能管理系統應該能按照分項計量的要求，對照 明插座用電、空調用電、動力用電及特殊用電分別進 行統計、匯總、報告。

3.3.4  越限、故障告警

       電能管理系統可以根據項目具體情況對必要的計量對象配置告警功能，這類型含測量值(如電流、功率)越限、監測設備通訊故障等。設定值應該 可以更具實際負載情況調整，系統響鈴時能夠進行信息提示，自動彈出畫面。可以將信息通過手機短信、郵件等方式通知相關人員(一般為可選配置)。

3.3.5  電能質量監測

        電能管理系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測(需配置帶諧波監測功能的儀表)。例如配電系統維護人員可以通過諧波分析界面掌握配電系統的諧波含量，及時采取相應的措施提高配電系統的可靠性，減少因諧波造成的供電事故的發生。

3.3.6  網絡發布功能

        根據需要電能管理系統配置WEB信息系統功能，從而使得管理人員可以通過IE或其他瀏覽器，查 看 實 時 數 據 、監 控 畫 面 、歷 史 數 據 等 遠 程 訪 問 功能。

3.3.7  數據轉發接口

      電能管理系統軟件應具備多種標準的接口和協議的接入，如支持485總線，多種不同的通信協議如Mobus-RTU、Mobus/TCP、IEC103、IEC104 等，同時具備后期對非標準規約協議的開發接入，使得所有智能設備都能無縫連接到后臺系統中來。同時系統支持工業OPC接口與其他系統(如BA系統)進行數據共享。以上功能可以根據自身項目特點和要求進行必要的取舍。

3.4 項目的方案

       本項目的基本目標是實現電能的分項計量，自動抄表、顯示負荷曲線、任意歷史數據查閱、任意時間段報告生成，數據上報上級機關(在上級機關未確定好傳輸協議前，本系統預留接口)。加裝電能管理系統本身就是為了通過系統的管理找到電能使用不合理的環節，實施節能改造、行政干預達到節能的目的。本項目中涉及的配電設備比較老舊，繼續使用的年限不會太久，不計成本對現有配電設備進行較大的改造，將電能管理系統做的大而 全顯然是不經濟的。因此本系統應簡潔經濟、施工簡單，盡可能不對現有設備做大的改動。

       通過廣泛的市場調研，選擇了產品豐富、軟硬件齊全的 Acrel 品牌。

       軟件功能：保留了用戶權限、人機交互、電能統計 報表(根據本項目特殊要求定制)、越限故障告警、電能質量檢測等基本功能；考慮到本系統建成后由專門人員管理，為降低造價舍去了網絡發布功能，為今后向上級機關上報電能數據系統預留了數據轉發接口。

       計量點：低壓進線計量 4個、低壓出線計量 41個， 為區分不同種類的用電設備在部分終端計量 12個， 計量點位如圖 1所示。

 

4.1 站控管理層

       站控管理層是針對配電網絡的管理人員，該層直接面向用戶。該層也是系統的上層部分，主要是由電力監控系統軟件和必要的硬件設備組成。硬件包括工控機、打印機、UPS等；軟件包括：系統組態軟件、 數據存儲軟件、電能管理應用軟件。站控層設備安裝于配電房值班室。

4.2 組網及通信

       網絡通信層主要是由通信管理機、接口轉換器件及總線網絡等組成。該層是數據信息交換的橋梁，不同的接口轉換器件提供了 RS232，RS422，RS485，SPABUS等及以太網等各種接口，組網方式靈活，支持點對點的通信、現場總線網絡、以太網等類型的組態網絡。

       本項目通信管理機采用NPORT5410串口服務器，可讓4個RS485串口設備聯網，提供簡單方便的聯網方式，不但可以保證現有的硬件資源，更確保未來網絡的擴充可能性。

       所有計量終端經485總線分組連接串口服務器。1#變、2#變相關終端各自分為一組，經電纜溝分 別接到串口服務器，占兩個口。3#變、4#變相關計量終及樓層分散計量終端分為一組，占用串口服務器一 個口，剩余一個口留作將來擴展。

考慮到各樓層計量終端比較分散，有的樓層目前沒有需要計量的終端，但可能以后會有計量需求，因此串口服務器的485總線從主站經電纜溝、電井一直 敷設到各樓層，在樓層電井處裝設無線收發器，樓層分散終端計量表計與電井中無線收發器采用無線通 信，避免了在樓層中敷設485總線的麻煩。

4.3  現場設備層

       為了滿足測量要求并盡可能少的改動原配電設備，就要根據不同的計量點選取不同的計量表計，采取不同的改裝方法對終端設備進行改裝，本項目涉及終端改裝主要有以下幾種情形。

4.3.1  進線計量

      低壓進線端原配電設備有指針式電表：三相電流、三相電壓、有功功率、功率因數改造方法是在每個進線柜增加一只 ACR 網絡電力儀表[3]，可以測量三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、四象限電能、諧波，帶485通信、開關量輸入輸出。改裝方法：將原配電柜電壓表替換成新裝表、利用原配電柜二次線路，改裝工作量少

4.3.2  低壓出線柜出線計量

       本項目中低壓出線會路有兩種：一種是面板有3只指針式電流表(對應于 ABC三相電流互感器)的回路，另一種是面板上只有一只指針式表電流表(對應一相電流互感器)的回路。

       針對上面這種情況，可以采用PZ80L多功能測量儀表改裝[3]，與原6L2電流表相同開孔尺寸，可以測量：三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、四象限電能，帶485通信、開關量輸入輸出。改裝方法：將原配電柜B相電流表替換成新裝表、利用原配 電柜二次線路，改裝工作量非常少。

       針對后面這情況，可以采用 AEW100無線計量模塊[ 4]，該模塊自帶三相開口互感器，可測量：三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、正反向有功無功電能 、諧波，帶485及470MHz無線通信。可不停電改裝：將三相開口互感器分別固定于三相電纜，利用自身緊固螺釘穿刺取電，急速完成。

       在配電柜中安裝的表計，無論是面板表還是AEW100計量模塊，通信線都采用雙絞線，簡單可靠。

4.3.3  樓層分散終端計量

       對于樓層配電箱空間比較大的終端，采用AEW100無線計量模塊，改裝方法同低壓配電柜出線回路一樣，但無須連接485通信線。

       由于某些室內配電箱，如模數化 PZ30配電箱，不具備安裝AEW100的空間，可以采用 DTSD+AEW110的組合。DTSD是導軌式計量表，可以測量：三相電 流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、正反向有功無功電能，帶485通信 、開關量輸入輸出。 AEW110是一個無線收發器，可以將DTSD 電表的數據無線發送到電井中的AEW110。本樓層電井中的 AEW110可以無線接收本樓層所有無線終端的數據，使本樓層所有分散安裝的AEW100、DTSD甚至其他具有485通信的終端進行無線組網，不需要敷設雙絞線至電井中的485總線現場設備層與站控管理層之間的通信連接如圖 3所示。

圖3  網絡拓撲

4.4 電能報表

4.4.1 常規電能報表

       常規的電能報表內容與配電系統一致，顯示全大樓總用電量、每臺變壓器總用電量，每個低壓出線回路用電量，通過本報表可以進行總表分表校驗。

4.4.2 分項電能報表

        表 1 的格式是按用電種類分項計量的報表，表中數據為通過軟件對相關表計數據進行計算所得。

4.4.3 內部考核用電能報表

       表 2 是按大樓管理部門要求分類統計的報表格式，便于內部用電管理和節能考核，表中數據為通過軟件對相關表計數據進行計算所得。需要指出的是，三種報表格式均需在軟件中定制。

 

5.1概述

      用戶端消耗著整個電網百分之八十的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節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、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，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。

5.2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、醫用衛生、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）。

5.3系統結構

 

5.4系統功能

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。

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。

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。

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。

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，確保供電可靠。

6）實時提醒

      系統具有實時提醒功能，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。系統提醒時自動彈出實時提醒窗口，并發出聲音提醒。

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提醒進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

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。

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。

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。

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。

12）畫面監控

        畫面監控展示了當前實時畫面（畫面直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內畫面信息。

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。

14）APP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。

5.5系統硬件配置

 

電能管理系統的作用是通過對用電設備消耗的電能進行分項計量以達到對內部電能消耗進行深入監測管理進而節能增效的目的。電能管理系統是依附于配電系統的，因此加裝電能管理系統首先對配電設備現狀以及系統終要達到的要求進行細致的分析，才能明確方案配置，進而選定計量點、 對終端設備進行適宜的計量改造，通過必要的網絡通 信實現對各回路電能的實時采集、分項統計分析、報 告，終達到管理的目的。

 

【1】石炳君.機關大樓老舊配電設備加裝電能管理系統的方法

【2】任致程，周中.電力電測數字儀表原理與應用指南[M] . 北京：中國電力出版社，2007.

【3】周中.智能電網用戶端電力監控與電能管理系統 產品選型及解決方案[M] .北京：機械工業出版社，2012.

【4】安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05

 

作者簡介：任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理研究發展。