电能治理系统

基于Acrel-5000的大型公共建筑能耗监测系统设计与应用   安科瑞鲍静君

　　摘 要 介绍了一种新型能耗监测系统的设计，系统构成以及系统的功能，Acrel-5000组态软件可以实现对现场设备的系统集成，数据的采集、传输以及存储，从而实现对大型公共建筑的分类、分项能耗计量功能。并以实例验证了该系统的功能与实用性。

　　关键词 能耗监测 Acrel-5000 系统集成

　　0 引言

　　北京市建委和市**2008年01月公布了去年北京实施能源审计的部分北京市国家机关办公建筑和大型公共建筑平均电耗、水耗。其中进行审计的20个单位的国家机关办公建筑，每平方米建筑面积年平均耗电量为85.4度(年平均85.4kWh/m2) ，人均年耗电量为3072.5度(年平均3072.5kWh/人)。国家机关办公建筑和大型公共建筑年耗电量约占全国城镇总耗电量的22%，每平方米年耗电量是普通居民住宅的10～20倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.5～2倍。

　　一方面，我国大型公共建筑能耗巨大，另一方面，我们也缺乏直接数据为决策的*提供基础和参考。住房和城乡建设部建科[2008]114号文(2008-06-24)《关于印发国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设相关技术导则的通知》实施，对于能耗监测系统作了具体规范。因此，必须建立大型公共建筑能耗监测平台，对全国城市建筑能耗进行实时监测，并通过能耗统计、能源审计、能效公示、用能定额和超定额加价等制度，促使国家机关办公建筑和大型公共建筑提高节能运行管理水平，为政府政策的制定和决策提供参考。

　　1 能耗监测系统构成

　　能耗监测系统是指通过对国家机关办公建筑和大型公共建筑安装分类和分项能耗计量装置，采用远程传输等手段及时采集能耗数据，实现建筑能耗的在线监测和动态分析功能的硬件系统和软件系统的统称[1]。其中，分类能耗是指根据国家机关办公建筑和大型公共建筑消耗的主要能源种类划分进行采集和整理的能耗数据，如：电、燃气、水等。分项能耗是指根据各类能源的主要用途划分进行采集和整理的能耗数据，例如，电量分项能耗应当包括：照明插座用电、空调用电、动力用电、特殊用电。

　　1.1 数据采集系统

　　能耗数据采集方式包括人工采集方式和自动采集方式。通过人工采集方式采集的数据包括建筑基本情况数据采集指标和其它不能通过自动方式采集的能耗数据，如建筑消耗的煤、液化石油、人工煤气等能耗量。通过自动采集方式采集的数据包括建筑分项能耗数据和分类能耗数据，由自动计量装置实时采集，通过自动传输方式实时传输至数据中心。

　　1.2 数据传输技术

　　建筑物能耗监测系统的自动计量装置所采集的能耗数据，通过RS485接口，并采用TCP/IP通信协议自动并实时上传给数据中心，以保证数据得到有效的管理和支持率的查询服务，同时数据传输采取一定的编码规则，实现数据组织、存储及交换的一致性。

　　1.3 数据中心

　　数据中心也就是数据库，接收并存储其管理区域内监测建筑的能耗数据，并对其进行处理、分析、展示和发布。数据中心具备设置数据更新的时间间隔，访问历史数据，报警，打印报表，实时与历史曲线，图表的绘制，并预留相应扩展功能。

　　1.4 系统结构

　　Acrel-5000能耗监测系统以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，为大型公共建筑的实时数据采集、开关状态监测及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统。该系统主要采用分层分布式计算机网络结构，如图1所示：站控管理层、网络通讯层和现场设备层。

 图1 系统结构图

　　1)站控管理层

　　站控管理层针对能耗监测系统的管理人员，是人机交互的直接窗口，也是系统的*上层部分。主要由系统软件和必要的硬件设备，如工业级计算机、打印机、UPS电源等组成。监测系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类数据信息计算、分析与处理，并以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况。

　　监控主机：用于数据采集、处理和数据转发。为系统内或外部提供数据接口，进行系统管理、维护和分析工作。

　　打印机：系统召唤打印或自动打印图形、报表等。

　　模拟屏：系统通过通讯方式与智能模拟屏进行数据交换，形象显示整个系统运行状况。

　　UPS：保证计算机监测系统的正常供电，在整个系统发生供电问题时，保证站控管理层设备的正常运行。

　　2)网络通讯层

　　通讯层主要是由通讯管理机、以太网设备及总线网络组成。该层是数据信息交换的桥梁，负责对现场设备回送的数据信息进行采集、分类和传送等工作的同时，转达上位机对现场设备的各种控制命令。

　　通讯管理机：是系统数据处理和智能通讯管理中心。它具备了数据采集与处理、通讯控制器、前置机等功能。

　　以太网设备：包括工业级以太网交换机。

　　通讯介质：系统主要采用屏蔽双绞线、光纤以及无线通讯等。

　　3)现场设备层

　　现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表组成，采用具有高可靠性、带有现场总线连接的分布式I/O控制器构成数据采集终端，向数据中心上传存储的建筑能耗数据。测量仪表担负着*基层的数据采集任务，其监测的能耗数据必须完整、准确并实时传送至数据中心。

　　2 软件实现与系统功能

　　上位机软件为Acrel-5000能耗监测系统组态软件，该软件是对现场能耗数据进行采集与监测的专用软件，*大的特点是能以灵活多样的“组态形式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成对现场数据的采集与监测功能。Acrel-5000能耗监测系统具有友好的人机交互界面，可实时和定时采集现场设备各参量及开关量状态，并将采集到的数据上传给数据中心存储。系统还提供了实时曲线和历史趋势曲线分析，符合用户设计需要的报表、事件记录和故障报警等功能。整个系统可以实现所有回路能耗的采集和统计，实现了远程自动抄表、能耗监测功能。

　　(1) 运行状态监测：通讯异常报警提示。

　　(2) 用户管理：不同用户权限具备不同操作功能，各级权限的口令修改操作功能，具有权限防误功能。

　　(3) 能耗报表、棒图：实现了所有能耗报表的按时间查询，分为日、月、年报表等，任意分类、分项实时能耗棒图显示。

　　(4) 打印及导出：所有报表及界面可打印，或以EXCEL、WORD格式进行导出。

　　3 应用案例

　　上海浦东某图书馆是一个高能耗大型公共建筑，总建筑面积60885平方米,消耗的能源主要为电、水，还有少量的燃气、柴油等，柴油发电机是作为应急电源之用。该项目能耗监测系统采用三层网络结构，各楼层对用电进行分类、分项计量，各楼层及总供水管道、燃气、柴油管道都安装有测量仪表，以实现对能耗的实时采集与监控。所有的智能测量仪表均通过现场总线进行组网，在监控室对现场各回路能耗状况实现集中监控与管理。

　　该项目中采用研祥工业计算机作为监控主机，并附带液晶显示器、打印机等设备，山特UPS电源在整个系统发生供电问题时，可在一定时间内保证站控管理层设备的正常运行。数据采集终端采用高可靠性、带有现场总线连接的智能测量仪表。对于图书馆供配电系统，低压进线回路和重要回路安装ACR系列多功能电力仪表，普通馈线回路及照明配电箱中安装ADL系列导轨式电能表，仪表外形如图2所示[2][3]。

ACR系列            ADL系列：单相、三相

　　图 2 智能电力网络仪表

　　ACR系列多功能电力仪表具有的三相交流电量测量、复费率电能计量、四象限电能计量、2～31次谐波分析、电网质量分析、遥信输入、遥控输出及网络通讯功能，主要用于对电网供电质量的综合监控及电能管理，广泛应用于低压联络柜、出线柜、动力柜等场合。而ADL系列导轨式安装电能表除能采集基本电能参量外还具有体积小巧、安装方便等优点，ADL100单相电能表结构尺寸为4模数，与微型断路器一起安装于照明配电箱中，如图3所示，ADL300三相电能表为7模数结构，主要应用于动力柜中，安装方式如图4所示，极大的方便了用电自动化管理。

 　图3 ADL100应用安装示例

 图4 ADL300应用于动力柜中

　　该能耗监测系统通过现场设备和通信系统提供的传输通道，完成对各用电回路、供水、燃气及柴油管道的数据采集，信息经分析、处理，以报表、图形等多种形式供值班员参考，使值班员能够便捷的掌握系统的运行及能耗状况，及时发现、纠正能源浪费现象，从而进行节能管理。在需要时，还可提供快捷的远程控制手段，完成对设备运行状态的改变以及事故情况的处理。

表1 图书馆能耗统计数据查询表

图5 图书馆能耗监测系统主界面

　　图5为图书馆能耗监测系统的主界面，可以查询各类能耗的使用状况，表1给出了图书馆能耗数据查询表，很清楚的显示出各类能源的使用情况。图6为系统给出的图书馆照明、空调及插座等用电量的饼图，很直观地显示出分项用电量的百分比。而图7是根据系统采集的所有分类能耗数据，由系统绘制出的分类能耗柱形图，可以形象的看出分类能源的使用情况。

　图6图书馆年分项用电量饼图

 　图7图书馆分类能耗对比图

　　5结束语

　　随着能源的日益紧张，节能降耗成为大型公共建筑智能化建设的必然选择，本文介绍的能耗监测系统，不仅能监控供配电系统的运行状况，还能监测用水量、燃气等其它能源的使用状况，并能根据采集到的能耗数据绘制出各种报表、分析曲线、图形等，便于分析研究，为智能建筑的节能技术提供参考。该系统运行安全、可靠，并附有事件记录及故障报警等功能，极大地方便了用户的使用。随着社会的发展，能源的日益紧张，实现对分类能耗、分项能耗的远程监测与管理成为智能建筑发展的必然趋势。

　　文章来源于：《智能建筑电气技术》2009年5期。

　　参考文献

　　1. 关于印发国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设相关技术导则的通知. 2008. 6

　　2. 任致程 周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南. 北京. 中国电力出版社. 2007. 4

　　3. 蒋伟. 胜利油田物探院低压配电系统改造[J]. 智能建筑电气技术, 2008, 2 (2)

电能管理系统在上海世博村VIP生活馆的应用  安科瑞鲍静君

　　摘 要：介绍上海世博村VIP生活馆配电系统及电能管理系统，采用智能电力仪表和微机保护采集配电现场的各种电参量和开关信号。系统组网的方式，组网后通过现场总线通讯并远传至后台，通过Acrel-3000型电能管理系统实现建筑电力能耗的自动管理及Acrel-3000型电能系统所实现的功能，为楼宇电能统计数据，为节能提供决策依据。

　　关键词：世博村;智能电力仪表;Acrel-3000型;电能管理系统

　　0　 概述

　　上海世博村VIP生活馆项目定位于五星级酒店，是 2010 年上海世博会配套世博村项目中规格*高的酒店。酒店占地面积约为25500平方米 ,总建筑面积66000 平米,建筑高度约95米 ,地上部分26层 ,地下为2 层,共有客房443间。

　　上海世博村VIP生活馆配电系统分为高、低压两大部分，高压部分为两条10KV进线，有4台变压器。世博洲际酒店属于重要电力负荷用户，作为世博村项目中规格*高的酒店，电力稳定供应的重要性可想而知。低压部分分为低压配电室、冷冻机房、水泵房、应急柴油发电机组，且在每一个楼层中都有低压配电房，为每一层中的各设备回路供电。

　　结合该配电系统的电能管理系统Acrel-3000，充分利用了现代电子技术、计算机技术、网络技术和现场总线技术的*新发展，对变配电系统进行分散数据采集和集中监控管理。对配电系统的二次设备进行组网，通过计算机和通讯网络，将分散的配电所的现场设备连接为一个有机的整体，实现电网设备运行的远程监控和集中管理。

　　1　 电能管理需求分析及系统构成

　　由于该项目是五星级酒店，现场需要监测所有安装智能仪表的回路，并且需对空调、照明、动力用电进行分类统计，并且该统计报表需每天自动生成，现场设备运行状态包括回路合分闸状态也需实时显示。现场仪表众多，采用了3个串口服务器加交换机的组网方式。

　　本系统采用分层分布式计算机网络结构：

　　即间隔层、通讯层和站控层如下图所示：

　　现场测控层主要的设备为：多功能网络电力仪表、微机保护装置等。这些装置分别对应相应的一次设备安装在电气柜内，这些装置均采用RS485通讯接口，通过现场屏蔽双绞线进行组网通讯，实现数据现场采集。

　　通讯控制层主要为：通讯服务器，其主要功能为把分散在现场采集装置集中采集，同时远传至站控层，完成现场层和站控层之间的数据交互。

　　站控管理层：设有高性能工业计算机、显示器、UPS电源、打印机等设备。监控系统安装在计算机上，集中采集显示现场设备运行状况，以人机交互的形式显示给用户。

　　以上网络仪表均在现场均采用RS485接口和MODBUS-RTU通讯协议，RS485采用屏蔽线传输，一般都采用二根连线，接线简单方便;

　　2　 电能管理系统主要功能

　　2.1 数据采集与处理

　　数据采集是配电监控的基础，数据采集主要由底层多功能网络仪表采集完成，实现远程数据的本地实时显示。需要完成采集的信号包括：三相电压U、三相电流I、频率Hz、功率P、功率因数COSφ、电度Ep、远程设备运行状态等数据。

　　数据处理主要是把按要求采集到的电参量实时准确的显示给用户，达到配电监控的自动化化和智能化要求，同时把采集到的数据存入数据库供用户查询。

　　2.2 人机交互

　　系统提供简单、易用、良好的用户使用界面。采用全中文界面，CAD图形显示低压配电系统电气一次主接线图，显示配电系统设备状态及相应实时运行参数，画面定时轮巡切换;画面实时动态刷新;模拟量显示;开关量显示;连续记录显示等

　　2.3 故障报警及事故追忆

　　在配电系统发生运行故障时，会及时发出声光报警提示用户及时响应故障回路，同时自动记录事件发生的时间地点，以被用户查询，追忆故障原因。

　　2.4 数据库建立与查询

　　主要完成遥测量和遥信量定时采集，并且建立数据库，定期生成报表，以供用户查询打印。

　　2.5 用户权限管理

　　针对不同级别的用户，设置不同的权限组，防止因人为误操作给生产，生活带来的损失，实现配电系统的安全，可靠运行。

　　2.6 运行负荷曲线

　　定时采集进线及重要回路电流负荷参量，自动生成运行负荷趋势曲线的，方便用户及时了解设备的运行负荷状况。

　　2.7 电能成本管理

　　自动进行日、月、年的电能统计，可以进行尖、峰、平、谷时段设定，实现具有电能分时计费功能，同时生成日、月、年报表。

　　3　 案例分析

　　上海世博村VIP生活馆低压配电系统主要有4台10kV/0.4kV配电变压器，本系统主要负责对低压进线及相应配出回路的实时动态监控以及楼层所安装电力仪表的回路进行监测。

　　进线回路采用ACR230ELH多功能谐波仪表，其是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦的电力监控需求而设计的网络电力仪表，它能测量所有常规电力参数，如：三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、有功电度、无功电度、并可监测电压、电流的2-31次谐波分量等多种电参量。并且本仪表带有4路光电隔离开关量输入接点和2路继电器控制输出接点，这些接点可以配合智能断路器实现断路器的遥信、遥控操作。该系列网络电力仪表主要应用于变电站自动化、配电网自动化、小区电力监控、工业自动化、能源管理系统及智能建筑等领域。

　　重要配出回路采用ACR220EFLK系列网络电力仪表，该仪表主要完成三相电流、三相电压、有功电度的测量、复费率电能的计量以及开关信号的检测和继电器遥控输出。

　　高压侧实时画面见图1，为系统主监控画面，主要实时监测高压回路的运行状态，红色代表合闸，绿色代表分闸。

　　图1　高压系统一次图

　　世博村VIP生活馆低压配电系统见图2，功能有电量遥测主要监测运行设备的电参量，其中包括：进线三相电压，电流，功率，功率因数，电能，频率等电参量及配出回路的三相电流;遥信功能实现显示现场设备的运行状态，主要包括：开关的分、合闸运行状态和通讯故障报警;远程抄表功能，主要完成对各主要回路的远程集抄功能，可选择时间段进行查询见图3;

　　图2　世博村VIP生活馆低压配电系统图

　　图3　远程抄表

　　用电量报表功能，根据时间段可以查询各回路的用电量情况，见图4;

图4　电能报表

　　事件记录功能，事件记录报警可实时历史查看，见图5;

　　图5　事件记录

　　系统通讯结构图，可实时查看系统各设备通讯运行情况，见图6。

　　图6　系统通讯

　　负荷曲线，可直观的查看回路的负荷运行情况，见图7。

　　图7　负荷曲线

　　4　 结束语

　　随着社会的发展及电力的广泛应用，电能管理已成为大型公共建筑的必然选择，本文介绍的电力仪表及ACREL3000电能管理系统在世博村A块VIP生活馆的应用，可以实现对电能的分项及分时复费率计量，不仅能显示用电用能状况，还具有网络通讯功能，可以与计算机等组成电力监控与电能管理系统。系统实现对采集数据的分析、处理，并生成各种电能报表、分析曲线、图形等，便于电能的远程抄表以及分析、研究。该系列电力仪表及系统运行可靠，稳定，为楼宇电能统计数据，为节能提供决策依据取得了较好的社会效益。