电表管理信息系统

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)

Acrel-3000电能管理系统技术规范书  安科瑞鲍静君

　　1. 项目概况

　　江阴市体育中心位于江阴城东新区，澄江路以北，滨江路以南，黄山路以东，北靠黄山，南邻天华艺术中心，西邻新体育馆，与江阴长江大桥遥相呼应。

　　目前拥有标准的足球场2片，标准的400米田径跑道2片，网球场10片，室外灯光塑胶篮球场6片，羽毛球场地65片，乒乓球桌80张，其中篮球场对市民全天免费开放。另外中心配备的水上活动中心预计明年完工。体育中心拥有地下停车场约30000平方米，拥有车位1019个，有3个出入口，拥有自动扶梯出入口，停车位共计约1219个。现场进行预付费电表改造，并且为便于管理安装Acrel-3000电能管理系统。

　　2. 设计依据

　　2.1. 用户需求

　　系统应通过多功能的导轨式电能计量表计、通讯网络和计算机软件，实现商户的预付费供电并在运行过程中实现数据采集、数据计算、电能抄表、报表生成等，完成系统的安全供电、电能计量、设备管理和运行管理。系统由站控管理层、网络通讯层和现场设备层构成。

　　系统功能需求：

　　1) 数据采集及处理：通过间隔层单元实时采集现场各种模拟量、电度抄表等;

　　2) 画面显示：全部设备的位置状态、变位信息、保护设备动作及复归信息、直流系统及所用变系统的信息、各测量值的实时数据、各种告警信息、计算机监控系统的状态信息;

　　3) 记录功能：具有对各种历史数据的记忆功能，以供随时查询、回顾、打印。

　　4) 报警处理：用户可以按照自己的意愿分类、筛选报警，并将报警归纳于不同的报警窗口中，根据不同的报警级别，采用推出画面、光显示、条纹闪烁及不同声音级别的音响进行报警;

　　5) 应具有完善的用户管理功能，避免越权操作;

　　6) 历史曲线显示：可显示存于历史数据库中的任意模拟量、电度量以及母线电压任意时间的历史波形图;

　　7) 报表打印功能：可召唤打印、定时打印各种历史数据，运行参数，事故报告统计，电度量统计报表，主接线图，负荷曲线。

　　2.2. 技术标准

　　本技术规范书引用的国家和行业标注如下：

　　ISO/IEC11801 《综合布线标准》

　　GB/50198 《监控系统工程技术规范》

　　GB50052-2009 《供配电系统设计规范》

　　GB50054-2011 《低压配电设计规范》

　　IEC 61587 《电子设备机械结构系列》

　　DL/T448-2000 《电能计量装置技术管理规程》

　　DL/T 698.1-2009 《1部分：总则》

　　DL/T 698.2-2010 《2部分：主站技术规范》

　　DL/T 698.31-2010 《3.1部分：电能信息采集终端技术规范-通用要求》

　　DL/T 698.35-2010 《3-5部分：电能信息采集终端技术规范-低压集中抄表终端特殊要求》

　　DL/T 698.41-2010 《4-1部分：通信协议-主站与电能信息采集终端通信》

　　DL/T 698.42-2010 《4-2部分：通讯协议-集中器下行通信协议》

　　DL/T 698.41-2010 《4-1部分：通信协议-主站与电能信息采集终端通信》

　　DL/T 698.42-2010 《4-2部分：通讯协议-集中器下行通信协议》

　　2.3. 设计范围

　　根据客户需求及项目实际情况，本项目智能化设计一套Acrel-3000电能管理系统。该项目现场设备层仪器仪表的具体分布情况如下：

　　现场体育馆各配电房中各商铺配电箱中安装的安科瑞DDSY1352-C单相预付费电力仪表以及DTSY1352-C三相预付费电力仪表，具体为：

　　DDSY1352-C(直接接入) 25个;

　　DTSY1352-C(直接接入) 10个;

　　DTSY1352-C(二次接入) 30个。

　　监控点位后续增加，不超过150个。

　　3. 系统集成设备清单

　　见附件三：《系统集成设备清单》

　　4. 网络拓扑结构

　　Acrel-3000电能管理系统通常采用分层分布式结构进行设计，即现场设备层、网络通讯层和站控管理层，详细拓扑结构见附件四：《江阴市体育中心电能管理系统网络拓扑图》。

　　5. Acrel-3000电能管理系统运行环境

　　5.1. 电能管理系统硬件正常工作条件

　　为使Acrel-3000电能管理系统正常工作，安装系统软件的主机需满足如下硬件条件：

　　CPU：Pentum(R)4 CPU 2.0GHz以上;

　　内存：512MB以上;

　　硬盘：120G以上;

　　显示器：VGA、SVGA以及支持桌面操作系统的图形适配器，显示256色以上;

　　并行口或USB接口：用于安装产品授权加密狗。

　　5.2. 软件运行环境条件

　　Acrel3000电能管理系统软件主要运行在微软的Windows操作系统平台上，兼容Windows Xp Professional 32位(简体中文)、Windows Server 2003 Standard Edition 32位(简体中文)、Windows Server 2008 Enterprise Edition 32位(简体中文)、Windows 7 Ultimate 32位(简体中文)。

　　软件通过硬件加密锁进行授权，经过授权的软件可以长时间不间断运行，而没有经过授权的软件数据库点仅能使用32点，且连续在线运行时间限制为1小时。

　　5.3. 电能管理系统机房要求

　　本监控系统所处的系统机房的防雷和接地设计，应满足人身安全及电子信息系统正常运行的要求，并应符合现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343的有关规定。监控计算机及通讯采集装置所处环境应满足以下要求：

　　海拔高度：≤2000m;

　　环境温度：5℃～+45℃;

　　*大日温差：25K;

　　*大相对湿度：95%(日平均);90%(月平均);

　　6. 系统功能

　　1. 配电监测

　　安科瑞Acrel-3000电能管理系统具备友好的人机界面，能够以配电一次干线图的形式直观显示配电线路的分布情况，同时将实时采集的各回路的电参量信息，以及配电回路开关的分合闸状态，实时显示在系统界面中。

　　功能要求：低压进线回路电参量界面显示：回路名称、开关状态、三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值。低压出线回路界面显示：回路名称、开关状态、三相(单相)电流。每个回路旁设置详细参数按钮，通过点击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、总有功功率、分相有功功率、总无功功率、分相无功功率、总功率因数、分相功率因数、频率、正向有功电能、反向有功电能、感性无功电能、容性无功电能。

　　2. 电能报表

　　安科瑞Acrel-3000电能管理系统以丰富的数据报表体现计量体系的完整性。系统具备各回路定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可追溯，维护计量体系的正确性。

　　功能要求：具有起始时间和结束时间的时间选择框，选定想要查询的时间段后，通过点击查询按钮可查询出系统项目范围内所有配电回路的用电量。可通过导出按钮将报表以Excel形式导出保存，通过打印按钮进行报表打印。

　　3. 负荷曲线

　　安科瑞Acrel-3000电能管理系统对配电系统总进线回路(或重要负荷的出线)设计了负荷趋势曲线。便于配电维护人员及时掌握用电需求与供电系统负荷占比，确保供电可靠性，为用户单位的用能权益提供**。借助该功能，还可分析用能需量的增长趋势，适时调整需量申报，减少因需量偏差过大造成的多余缴费。

　　功能要求：该界面包括两个曲线图形，上部分曲线图形显示分相电流趋势图，下部分曲线图形显示总有功功率趋势图。曲线的时间跨度为7天，初始进入该界面时曲线图形应为实时曲线。当设定好曲线的起始时间，点击界面中的刷新曲线按钮时，此时曲线应自动切换为历史曲线，显示的为自曲线的起始时间至7天后的趋势曲线。电流曲线的纵坐标刻度*大值应为配电回路额定电流的1.2倍，负荷功率曲线的纵坐标刻度*大值应为配电回路额定功率的1.2倍。

　　4. 电参量报表

　　安科瑞Acrel-3000电能管理系统具有对实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到实时数据库。在监控画面中能够自由设定需要查询的历史时间，历史电力参数通过报表方式显示出来。该功能方便用户进行事故追溯查询。

　　功能要求：可通过在抄表时间选择框中设定好抄表时间，点击抄表按钮，在查询表格中显示查询到的配电回路电参量信息应包括：回路名称、三相电流、三相电压、总有功功率、分相有功功率、总无功功率、总功率因数、频率、正向有功电能。电参量报表要支持Excel表格导出保存和表格打印功能。

　　5. 遥信实时报警

　　安科瑞Acrel-3000电能管理系统具备遥信报警配置功能，系统能够对配电回路断路器的分合闸动作进行实时监测并报警。系统报警时能够进行信息语音提示，自动弹出报警画面。

　　功能要求：系统应采集断路器分合闸信号，当发生断路器分合闸事件时，系统弹出遥信实时报警窗口。报警列表中应包含如下信息：报警时间、报警回路名称、报警点名称、报警内容、报警类型。

　　6. 遥测实时报警

　　安科瑞Acrel-3000电能管理系统具备遥测报警配置功能，报警类型包括电压越限、电流越限、频率越限、功率因数越限、断路器分合闸。系统报警时能够进行信息语音提示，自动弹出报警画面。

　　功能要求：应设置进线回路电参量遥测报警限值，电压的报警限值设定为±5%;频率为±0.5%;(相)电压谐波的报警限值设定为10kV配电系统4.0%，0.4kV配电系统5.0%;电流的报警上限值设定为额定值的85%;功率因数的报警下限值设定为0.9。当遥测电参量发生越限事件时，系统应弹出遥测实时报警窗口。报警列表中应包含如下信息：报警时间、报警回路名称、报警点名称、报警内容、报警类型、报警值、报警限值。

　　7. 遥信、遥测历史报警查询

　　安科瑞Acrel-3000电能管理系统能够对遥信、遥测报警数据进行存储，方便用户对系统报警事件进行追溯查询。

　　功能要求：可通过查询按钮选择查询时间，返回的遥信报警查询列表中应包含如下信息：报警时间、报警回路名称、报警点名称、报警内容、报警类型。遥测报警查询列表中应包含如下信息：报警时间、报警回路名称、报警点名称、报警内容、报警类型、报警值、报警限值。

　　8. 用户权限管理

　　安科瑞Acrel-3000电能管理系统为**系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作(如配电回路名称修改等)。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行维护管理提供可靠的安全**。

　　功能要求：将用户的级别分为操作工、班长、工程师、系统管理员这四个等级，每个等级可以单独赋给不同的操作权限，包括进入运行、退出运行、遥控操作、报表管理。系统管理员为*高等级用户，高一级的用户可以添加、删除下一级别的用户。

　　9. 通讯状态图

　　安科瑞Acrel-3000电能管理系统可以实时显示接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构，可在线诊断系统网络通讯状态，发生网络故障时能自动在屏幕上显示故障单元和故障部位。从而方便系统维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，对出现异常的设备及时维护，保证系统的稳定运行。

　　功能要求：具备完整的系统通讯示意图，把系统拓扑结构和实时通讯状态显示出来。使用红色色块表示该回路通讯正常，绿色色块表示该回路通讯中断。在系统主机和通讯采集器旁标明该设备采用的IP地址，在各被监测设备旁标注上设备地址和设备回路编号。