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王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對傳統(tǒng)的煤礦電能管理主要是由專人人工抄表，存在抄收數(shù)據(jù)繁瑣，統(tǒng)計困難，煤礦用電分析等方面數(shù)據(jù)缺乏，電量峰谷比不合理等問題。某煤礦應(yīng)用電能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)電能精確計量和電能資源運行監(jiān)管，能清晰描述煤礦的用能情況，并采用預(yù)警管理，以大數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)管理功能，大大地提高了電量峰谷比，實現(xiàn)了煤礦的有效節(jié)能。
關(guān)鍵詞：電能管控；數(shù)據(jù)傳輸；以太網(wǎng)；電量峰谷比；節(jié)能
0引言
隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電能供應(yīng)日趨緊張，電能消耗也越來越大，煤礦企業(yè)既是產(chǎn)能大戶，又是耗能大戶，為實現(xiàn)煤礦企業(yè)內(nèi)部挖潛，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源、節(jié)約用電已刻不容緩。
傳統(tǒng)的煤礦用電管理比較粗放，如帶式輸送機、刮板輸送機、泵站、潛水泵等設(shè)備在無人工作時?？蛰d運行，造成比較嚴重的浪費。對此，以某煤礦為例，通過對電能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的搭建，數(shù)據(jù)采集、分析以及管理平臺建設(shè)等，大大地提高了電量峰容比，有效地實現(xiàn)了節(jié)能，取得了較好的效果。
1某煤礦原存在的主要問題
某集團的某煤礦公司井下地質(zhì)條件復(fù)雜，涌水量大，排水耗電量較大。主運輸系統(tǒng)未實現(xiàn)滿負荷運行，有壓風(fēng)、通風(fēng)、采掘、水源熱泵等諸多大型耗電設(shè)備。在地面有110kV 變電站、提升機房、壓風(fēng)機房、洗衣機房、洗煤廠、員工大廈、綜合辦公樓、機采車間及井下-500和-690中央配電室、主運帶式輸送機等重點區(qū)域等，電能浪費現(xiàn)象相當(dāng)嚴重。
為了有效降低電能消耗，提高設(shè)備運行效率，某煤礦利用電能管理系統(tǒng)，對全公司生產(chǎn)、生活用電進行各方位自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，即采用強化用電定額的管理，合理進行電能調(diào)度，做好調(diào)荷避峰工作，促進電能資源的優(yōu)化配置，以提高負荷率、用電峰谷比和功率因數(shù)，降低各種損耗，減少電費開支。
2 煤礦電能管理系統(tǒng)的設(shè)計
2.1總體架構(gòu)
礦井電能管理系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有良好的可靠性與實時性，主要由現(xiàn)場設(shè)備層(電能計量終端) 、通信管理層(數(shù)據(jù)采集終端) 和主控層(電能管理平臺)3部分組成，見圖1。
圖1 某礦井電能管理系統(tǒng)架構(gòu)圖
2.2數(shù)據(jù)的原始采集
數(shù)據(jù)采集利用智能電能計量終端，全礦井安裝智能電量計量終端100臺，實時采集各主要用電設(shè)備用電量。電能質(zhì)量監(jiān)控終端，其計量精度出廠控制為0.2S級。具有RS485現(xiàn)場總線通信、開入與開出功能，能實現(xiàn)“遙信、遙測、遙控"功能，配合開出功能，實現(xiàn)遠程斷電功能，電能質(zhì)量統(tǒng)計分析及擴展Modbus-RTU協(xié)議。主要對35kV變電站，-500中央變電所等區(qū)域全部改造安裝電能質(zhì)量監(jiān)控終端。
2.3數(shù)據(jù)傳輸
各電能計量終端就近接入電能分站，電能分站可以借助工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，通過以太網(wǎng)口就近接入工業(yè)以太網(wǎng)并傳輸?shù)侥芸刂行摹?/p>
35kV變電站、-500中心，實現(xiàn)變電所用電情況的電能質(zhì)量遠程監(jiān)控。
電參數(shù)計量分站主要完成井下高低壓供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)控終端與地面能源管理監(jiān)控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)轄區(qū)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控等功能，通過下行信道自動抄收并存儲具有通信功能的智能儀表、質(zhì)量監(jiān)控終端、采集模塊以及各類載波通信終端的電量數(shù)據(jù)，并采集外部RS485表數(shù)據(jù)，其下行信道RS485串行通信通道。同時通過上行信道與主站或手持設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，其上行信道采用公用通信網(wǎng)，支持客戶端、服務(wù)器兩種通信模式，以模塊化設(shè)計，通過更換通信模塊直接改變通信方式，符合IEC國際電工委員會相關(guān)標準，也符合用電信息采集系統(tǒng)主站與集中器通信協(xié)議、技術(shù)條件和型式規(guī)范。
3 電能管理系統(tǒng)
3.1綜合性管理與控制
生產(chǎn)用電管理如圖2所示，即按照某煤礦電能管理的實際要求，電能管理系統(tǒng)實現(xiàn)電能參量的實時采集與網(wǎng)絡(luò)化傳輸，對電能能源進行綜合性管理與控制。
可實現(xiàn)以下功能：
1）實現(xiàn)尖峰、峰、平、谷各段能源管理，對各段電量進行監(jiān)管，調(diào)整負荷分配。
2) 有自動抄表計量功能，復(fù)費率分時計費，負荷曲線管理功能。
3) 有事件記錄及查詢功能，數(shù)據(jù)采集查詢分析功能，實時監(jiān)視和報警功能，長時間大負荷監(jiān)控功能等，電能調(diào)度監(jiān)視功能，檔案管理功能，統(tǒng)計分析功能，報表管理、存儲、打印功能以及提供電量消耗對比圖，可直接顯示不同結(jié)算單位的用電量消耗情況，以及某些結(jié)算單位所消耗電量在全部消耗中的比重。還有電費支出對比圖，可直接顯示不同結(jié)算單位在同一段時間內(nèi)的電費支出情況，以及某些結(jié)算單位支出電費在全部電費支出中的比例。
圖2 生產(chǎn)用電管理圖
3.2采用預(yù)警管理
對各能源指標設(shè)定區(qū)間值，對于區(qū)間值內(nèi)的曲線趨勢預(yù)警，對于超過區(qū)間值的告警處理，并對系統(tǒng)設(shè)備運行故障情況進行分級預(yù)警，并提供故障處理預(yù)案，見圖3。
圖3 預(yù)報警管理圖
通過對電能數(shù)據(jù)( 包括統(tǒng)計數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù))周期性的集中與報告，實際能源消耗與根據(jù)實際生產(chǎn)參數(shù)計算出的預(yù)期能源消耗進行比較，可提高能源數(shù)據(jù)測量和計算的可靠性，能源管理機構(gòu)據(jù)此進行計劃、觀測和控制，為節(jié)能技術(shù)項目的實施做出規(guī)劃。由于根據(jù)生產(chǎn)計劃和電能預(yù)測，協(xié)調(diào)電能供應(yīng)和控制，可做到既能滿足生產(chǎn)過程的能量需求，又合理避免負荷高峰。
能源中心還根據(jù)實時能源數(shù)據(jù)庫與歷史能源數(shù)據(jù)庫，對各個能源核算單位，針對不同的生產(chǎn)和運行狀態(tài)，采用數(shù)據(jù)挖掘模型或多元統(tǒng)計方法，計算出能源預(yù)測結(jié)果，提出能源消耗趨勢。
3.3采用大數(shù)據(jù)對耗能設(shè)備管理
能源管控及調(diào)度示意圖如圖4所示。主要是對設(shè)備的運行狀態(tài)及使用壽命進行預(yù)測及預(yù)警，為設(shè)備的計劃檢修提供依據(jù)，并對設(shè)備利用率、作業(yè)率、運行記錄、故障記錄等進行智能分析。
圖4 能源管控及調(diào)度示意圖
4 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案
4.1概述
用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)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(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(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。
4.2應(yīng)用場所
（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；
（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)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、數(shù)據(jù)中心等）；
（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。
4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.4系統(tǒng)功能
4.4.1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(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。
4.4.2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(nèi)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。
4.4.3詳細電參量查詢
在配電一次圖中，當(dāng)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。
4.4.4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(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。
4.4.5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。
4.4.6實時報警
系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、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。
4.4.7歷史事件查詢
系統(tǒng)能夠?qū)b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。
4.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測
系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)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(yīng)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。
4.4.9遙控操作
系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、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(quán)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(nèi)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(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。
4.4.10用戶權(quán)限管理
系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)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(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
4.4.11通訊狀態(tài)圖
系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)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(shè)備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
4.4.12視頻監(jiān)控
視頻監(jiān)控展示了當(dāng)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(nèi)視頻信息。
4.4.13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(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。
4.4.14 APP支持
電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)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(zhì)量、各種事件報警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
4.5系統(tǒng)硬件配置清單
應(yīng)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(jiān)視用戶配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)，為用戶提供更好的運維服務(wù)。平臺提供用戶概況、電力數(shù)據(jù)監(jiān)測、電能質(zhì)量分析、用電分析、日/月/年用能數(shù)據(jù)報表、異常事件報警和記錄、運行環(huán)境監(jiān)測等功能，并支持多平臺、多終端數(shù)據(jù)訪問。 |
智能網(wǎng)關(guān) | Anet-2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，ModbusT-c(主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協(xié)議上傳，支持不同協(xié)議向多平臺轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);輸入電源:AC/DC 22ov，導(dǎo)軌式安裝。 |
ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從）、104(主、從）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模塊）輸入電源:DC 12 V ~36 V .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(wǎng)通 | ||
35kV/10kV/6kV微機保護裝置 | AM6系列 |
| 35kV及以下配電系統(tǒng)線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監(jiān)測/PT并列、母聯(lián)/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(jiān)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?；」馓筋^的檢測范圍是一個角度為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域。 | |
35kV/10kV/6kV進線柜電能質(zhì)量在線監(jiān)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(jiān)測、電壓不平衡度監(jiān)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(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測的要求。 |
35kV/10kV/6kV間隔智能操控、節(jié)點測溫 | ASD500 |
| 液晶屏顯示一次回路動態(tài)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(yù)分預(yù)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(yīng)、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓內(nèi)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(yīng)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(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)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(guī)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(shù)、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(dāng)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(fù)費率、四象限電能及歷史電能記錄;支持4路開關(guān)量輸入、2路開關(guān)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(shè)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(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)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(guī)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(tǒng)計，總正反向有功電能統(tǒng)計，總正反向無功電能統(tǒng)計﹔紅外通訊;電流規(guī)格:經(jīng)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(fù)費率電能統(tǒng)計、需量統(tǒng)計;4DI+2DO;RS485通訊接口、Modbus 協(xié)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(guī)格:10(60）A，有功電能精度1級，無功精度2級;可選配復(fù)費率 |
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(guī)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 |
5結(jié)論
某煤礦采用了電能管理系統(tǒng)的應(yīng)用，使電能管理部門通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控電能使用情況及用能單位的能耗數(shù)據(jù)，提高了企業(yè)電能管理的及時性、準確性及電能利用效率，科學(xué)地提高了峰谷比值。目前，某礦用電峰谷比由應(yīng)用電能管理系統(tǒng)前的1:1.1提高到1:1.5，平均每月節(jié)約電費50多萬元。
【參考文獻】
曾劍文，卜海濱，韓振興.電能管理系統(tǒng)在東歡坨煤礦的應(yīng)用.
許登月.電量峰谷比變動對基本售電收入貢獻率的數(shù)學(xué)推導(dǎo)與證明[J]．科技與產(chǎn)業(yè),2013(9).
安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.
