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浅谈基于实时数据采集的用电企业电能管理系统设计与应用

浏览次数：1787次更新时间：2024-07-10

安科瑞电气股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：在信息化技术应用日益发展的今天，各类用电企业对于电能的管理已经不仅局限于按月的电能计量结算了，对供电系统运行的实时监测、对电能量按工序或设备的考核、甚至是按单炉单机的成本核算，都需要建立起动态实时的电能管理系统。本文介绍了基于实时数据采集的电能管理系统的设计及应用情况，对实时电能管理系统的总体结构、数据模型、功能结构及各环节的应用要点进行了分析研究。

关键词：用电企业；电能管理；实时数据库数据采集；

0引言

电能管理系统以智能电表（以下简称电能表）为数据采集的源头，利用互联网、工业以太网等各种网络通讯方式与实时电能数据采集系统相连接，实时电能数据采集系统将处于分散状态的电能数据读取到实时电能采集数据库；依靠实时电能采集数据库，电能采集监测系统可以提供动态实时的电能采集网络监测功能；再通过电能数据上传接口定时将电能管理数据保存到电能数据管理系统的数据库，按照设定的处理周期进行电量结算，后利用电能管理信息系统提供电能管理信息。根据不同类型企业的需要，通过电能数据服务接口可以为ERP等信息化系统提供电能网络运行和电量数据，为生产管理与成本管理提供电力系统的数据；根据电能管理用户的需要，还可以通过外部数据接口接受来自企业内部其它信息系统的数据，例如有关计划数据、生产实绩数据等。系统的总体结构设计如图1所示。

图1电能管理系统总体结构

1实时电能数据采集系统

实时电能采集系统是以实时数据库技术为基础，建立起实时电能采集数据库，采集的主要步骤是：

系统根据设定的参数自动轮询电能表，读取相关数据；
对于读取到的数据，将根据不同规约的格式（如DL/T645的数据格式）对数据进行解析并进行有效性检查，舍弃不正确的数据；
读取电能表的顺序将根据配置在实时数据库中的电能表序号进行；
电能表出现通讯异常时，如无应答、校验错等，系统自动重采。重采的次数可以在配置界面中设置。如重采失败，系统会记录并显示对应的状态数据，为运行管理人员提供监测与处理信息。
维护管理人员可以通过手动操作读取指定电能表相关数据、对电能表进行参数设置（如校时操作）等；
系统读取的数据均跟随时间标签，并根据设定的时间间隔自动将电能表数据写入到实时数据库中。

实时电能数据采集系统的采样周期通常可以设置为500ms。

2电能采集监测系统

电能采集监测系统是一套有动态实时功能的Web应用软件系统，它首先提供一套反映系统内所管理变电所、开关站或配电室等电网结点分布情况和当前运行状态的“电能采集系统总体监测图”，图中可以根据用户需要设置各结点设备的状态，例如：正常运行为“绿色”、故障或检修停运状态为“红色”、备用状态为“灰色”。点击图上的某一结点设备，可以按电能网络图或电能数据表的形式动态的显示该结点内部所属的各个用电部位的电能数据。实时数据显示的刷新频率可以与实时电能数据采集系统的采样周期相同。

这一系统的功能主要是为电能管理系统提供基础的运行管理服务，也为现场电能表的运行维护提供服务，同时还可以间接的为电能表所测量的供电、用户设备的运行维护提供参考信息。

3电能数据上传接口

按照设定的数据上传周期，定时由实时电能数据采集系统提取电能管理需要的数据，保存到电能数据管理系统。依据一个企业对电能数据所需要的小时间粒度，上传周期可以为1分钟到60分钟设置，例如化工企业若以满足生产日报为小时间要求，则设置为10分到60分钟都可以，但若想满足转炉炼钢按炉次计算成本的要求，就设置为不大于2分钟。总之上传周期的设置，就是以企业对通电数据的需要为前提，根据系统存储能力、考虑数据的处理效率来确定，设置时还要兼顾数据的保存期限要求。

4电能数据管理系统

电能数据管理系统以关系数据库为基础，针对电量计算数据和电力系统运行数据两个种类分别构建出按时间分层的电能数据模型如图2所示。其中：

电量计算数据是指用于电量计算的正向有功电量、正向无功电量、反向有功电量、反向无功电量等，这类数据可以按时间分为采集量、小时量、班量和日量等多个时间层面进行计算处理，并且有不同时段的峰、平、谷数据。当需要进行周报、旬报、月报等数据时，可以利用电量日数据来实现。
电力运行数据是指对于电力系统运行管理所需要的单相或三相电流、电压、电量、功率因数等数据，在采集上传基础上，按小时生成大值、小值和平均值等统计数据。为电力系统的运行管理提供实时的和历史的原始数据与统计数据。

这种数据的分类存储策略，主要是用来满足用户的不同管理需求；而分层的数据存储策略则是为了更好的满足数据的处理效率要求。

数据在按设定的采集周期形成采集基础数据的同时，按时自动进行各时间层面数据的归集处理，并且可以根据不同层面数据的使用有效期限设置自动转储与清理策略。例如，电能采集原始数据、电量计算采集数据和电力运行采集数据可以设置为保存3个月到12个月，小时数据、班数据和运行统计数据可以保存为3年，日数据可以保存10年等。超过保存期限的数据自动进行转储与删除，这样能够在满足使用要求的前提下尽量减少在线存储空间的占用，目的就是为了提高处理效率。

图2电能数据模型

5电能管理信息系统

电能管理信息系统是一个面向管理与服务的Web应用软件系统，它主要由运行管理、计量管理、综合管理、信息服务和系统管理五大功能项目构成，电能管理信息系统的主功能结构如图3所示。

运行管理功能由采集信息、数据查询、分析曲线、平衡曲线、运行日报、参数管理等子功能项组成，主要是用来满足电能采集网络和电能表等的设备与线路的运行监测与管理。对于能源责任管理细化的单位，也是各责任部门人员观测自己责任范围内供电设备和用电设备运行状况的窗口。
计量管理功能由人工结算、人工平衡、计量台帐、计量报表等项组成。其中人工结算是在数据正常采集、上传与自动结算某环节出现问题，重新从实时数据库提取某一时段数据后，由人工选择进行重新结算处理的功能；人工平衡是对于自动采集过程中由于线路或设备故障原因所造成的异常数据进行处理的功能，处理的时间层面可以选择在小时、班或日的任一层面，经过人工平衡的数据点原始数据与人工数据同时保存，后续的结算以人工数据为准进行；计量台帐和计量报表可以按用户的格式要求和时间要求进行设计。
综合管理功能是以用户对电能管理的综合管理要求为目标所设计的功能项目，例如电能消耗指标完成情况统计表、主要设备电能消耗统计表、设备停机电能损耗计算表等。
信息服务功能是对企业的各类用户提供电能管理信息查询、报表、统计计算的功能项目。例如对于企业高层管理提供全公司按产品或按分厂车间的电能消耗统计或明细查询，对分厂或车间提供本部门或各基层工段班组的电能消耗统计或明细查询。
系统管理功能提供登录操作人员的授权、系统参数设置、系统数据的转储备份等功能。本系统的各项操作都自动记录操作人员和操作时间，为系统的管理提供帮助。

图3电能管理信息系统主功能结构

6安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案

6.1概述

用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，全面推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

6.2应用场所

（1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据等）；

（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

6.3系统结构

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6.4系统功能

6.4.1实时监测

系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

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6.4.2电能统计报表

系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备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分析追溯，维护计量体系的正确性。

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6.4.3详细电参量查询

在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

6.4.4运行报表

系统具有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数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、指定时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

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6.4.5变压器运行监视

系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

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6.4.6实时报警

系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

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6.4.7历史事件查询

系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

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6.4.8电能质量监测

系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

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6.4.9遥控操作

系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

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6.4.10用户权限管理

系统为保障系统安全稳定运行，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保障。

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6.4.11通讯状态图

系统支持实时监视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；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

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6.4.12视频监控

视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

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6.4.13用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

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6.4.14APP支持

电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

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6.5系统硬件配置清单

应用场合	型号	图片	功能
电能管理软件	Acrel-3000WEB		Acrel-3000WEB电能管理软件全方监视用户配电系统的运行状态和电量数据，为用户提供更好的运维服务。平台提供用户概况、电力数据监测、电能质量分析、用电分析、日/月/年用能数据报表、异常事件报警和记录、运行环境监测等功能，并支持多平台、多终端数据访问。
智能网关	Anet-2E8S1		8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPCUA等协议的数据接入，ModbusT-c(主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持不同协议向多平台转发数据;输入电源:AC/DC22ov，导轨式安装。
	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104(主、从）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模块）输入电源:DC12V~36V.支持4G扩展模块，485扩展模块。
	ANet-485		M485模块:4路光耦隔离RS485
	ANet-M4G		M4G模块:支持4G全网通
35kV/10kV/6kV微机保护装置	AM6系列		35kV及以下配电系统线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等保护。
35kV/10kV/6kV弧光保护	ARB5-M		主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，弧光保护〈8组）、失灵保护(4组）、TA断线监测（4组）、非电量保护、装置故障告警
	ARB5-E		扩展单元，可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号
	ARB5-S		弧光探头，建议安装地点包括（但不限于）断路器室、电缆室、母线室，可面板开孔安装，亦可支架式安装。弧光探头的检测范围是一个角度为180°，半径0.5m的扇形区域。
35kV/10kV/6kV进线柜电能质量在线监测	APView500		装置1024点波形采样，集谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体，能够满足110kV及以下供电系统电能质量监测的要求。
35kV/10kV/6kV间隔智能操控、节点测温	ASD500		液晶屏显示一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温湿度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮、预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4~20mA输出
35kV/10kV/6kV传感器	ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃;传输距离空旷150米
35kV/10kV/6kV间隔电参量测量	APM830		三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos），零序电流In，四象限电能，实时及需量，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示
高压重要回路或低压进线柜	APM810		三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序电流In，四象限电能，实时及需量，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE)各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示
	AEM96		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率)﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级
	ADW300/4G		三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量当月及上三月的电压、电流、功率;需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持4路开关量输入、2路开关量输出;支持4路测温;支持1路剩余电流测量;支持本地显示及按键设置;有功电能精度1级。通讯方式:支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯;WIFI通讯
0.4kV出线	AEM72		三相电参量U、I、P、0、s、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级.无功电能精度2级
	DTSD1352		三相电参量u、I、P、Q、s、PF、F测量，分相正向有功电能统计，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计﹔红外通讯;电流规格:经互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级。
	ACR120EL		LCD显示、全电参量测量(U、1、P、Q、PF、F);四象限电能计量;RS485/Modbus;可选复费率电能统计、需量统计;4DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus协议
照明箱	DDSD1352		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;红外及RS485通讯;电流规格:10(60）A，有功电能精度1级，无功精度2级;可选配复费率
照明箱	DDS1352		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;RS485通讯;电流规格:10(60)A，有功电能精度1级，无功精度2级;尺寸:1P
电流互感器	AKH-0.66/K型		开口式电流互感器