1. 概述

　　电能消耗是工业生产成本中重要的可控部分，合理安排电能分配及使用是降低企业成本的重要途径。中国的各类工业行业向来是用电大户，随着大家对生活品质要求的增加、工业化生产质量的提高、国外先进技术和成套设备的大量引进，中国的工业生产从过去的低速手工生产发展到高速全自动生产，对电能的消耗是越来越大，因此降低电能的损耗、合理调配电能将直接提高其生产效益。

　　近20年来，随着计算机和网络技术的不断发展，可靠性的不断提高，以及价格的大幅度降低，计算机在工业中的应用越来越普及，社会的网络化程度越来越高。可编程控制器（PLC）配合一个或多个计算机通过现场总线技术构成的逻辑控制管理系统被广泛地应用到各行各业。对于现今中国越来越多的具有通讯功能的电气产品，可直接接入现场总线系统中，由PLC直接安全、可靠、合理、优化地监管其停止、运转等，已达到更多地节省电能损耗。

　　图1 TIP解决方案概览

　　2. 电能管理系统架构

　　信息化电能管理系统采用分层分布式设计思想，整个系统大体分为三层：现场设备层，PLC数据处理层和运行监控层。系统架构如图2所示。

　　图2 电能管理系统架构

　　2.1 现场设备层

　　在现场设备层，通过PROFIBUS总线，集成具有通信功能的智能线路保护设备和测量设备。如SENTRON 3WL和3VL系列断路器；SIMEAS-P多功能测量设备和电能表；SIMOCODE智能电动机控制与保护装置；SIPROTEC中压综合继电保护装置；ET200S数据采集与控制装置等。

　　2.1.1 中压综合继电保护

　　中压综合继电保护装置SIPROTEC系列是一种集保护、测量、控制、故障录波、显示和通信于一体的综合继电保护装置，其主要功能如下：

　　保护功能：过流、速断、接地、零序电流、中性点接地过流、过负荷、负序过流（不平衡电流保护）、过/欠电压、重合闸、温度保护等。可以灵活的应用于中压系统的馈线保护，变压器保护，以及中压系统中大量应用的电机保护。

　　测量功能：电压、电流、功率、电能、频率、功率因数、谐波含量等。

　　控制功能：分/合闸，重合闸控制报警等。无论是远方还是就地控制，通过密码权限管理，保证系统和人员的安全。

　　监视功能：有LCD屏幕显示测量数据等。

　　逻辑编程功能：综合保护装置中内置有CFC逻辑编程功能，可以为不同的应用场合提供灵活的调整和运用，以实现告警以及联闭锁等功能。

　　灵活丰富的通讯功能：保护装置集成了IEC 60870-5-103, Profibus, Modbus, DNP3.0, IEC 61850等规约。

　　2.1.2 低压重要馈线回路监控

　　针对重要的低压馈线回路，比如变压器低压侧出线、低压母联等，西门子提供了SENTRON 3WL系列断路器方案。SENTRON 3WL采用了一致的模块化结构，通过3WL内部的系统总线能够和电子脱扣器ETU45B、ETU55B和ETU76B连接通信，通过和COM15通信模块实现了Profubus通信能力。

　　2.1.3 低压一般馈线回路监控

　　针对一般馈线回路，比如，一般的低压出线回路，西门子提供了SENTRON 3VL系列断路器方案。SENTRON 3VL通过COM10通信模块或者SEMEAS P表实现了Profibus通信。和SEMEAS P表组合的SENTRON 3VL断路器能够完成如下4遥功能：

　　状态量：开关分/合信号，脱扣信号，带脱扣原因、操作电流和时标的脱扣信号，告警信号，带时标的告警信号。

　　模拟量：电压，电流，有功，无功，视在功率，功率因素，系统频率，相角，有功电度，无功电度，电压和电流的不平衡度，以及谐波测量和电压和电流的波形畸变THD.

　　远程分/合断路器。

　　远程参数整定能力。

　　另外，也可以采用智能I/O模块采集断路器3VL的模拟量和状态量以及实现断路器3VL分/合控制。

　　2.1.4 电动机回路监控

　　电动机（Motors）是把电能转换成机械能的设备，它是利用通电线圈在磁场中受力转动的现象制成，分布于各个用户处，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

　　针对电动机保护与智能控制，西门子提供了SIMOCODE-DP解决方案。SIMOCODE-DP系统能够保护额定电流范围从0.25至820A的单相或者三相电机等电气设备，具有过载、不平衡电流、相线故障、接地故障、转子堵转保护功能。通过以下两种途径可以实现SIMOCODE-DP的在线修改参数、诊断和调试。

　　2.2 PLC数据处理层

　　PLC = Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的部分。

　　PLC数据处理层位于现场设备层和运行监控中心层之间，主要完成上下层之间的网络连接转换和信息的处理交换。通过PROFIBUS现场总线，把采集的数据传送到PLC数据处理层，对数据作规范化预处理，处理的数据与时标相对应，并可在数据缓冲区中储存一周。PLC获取和处理的数据有选择性地上传到控制中心，以便于集中监视现场工况信息；同时，下达来自于控制中心的遥控和遥调信息给现场设备层的各类智能设备及仪表。通过组态编程，PLC能够自动控制现场设备层的智能设备。

　　2.3 运行监控中心层

　　操作与监控中心硬件配置根据用户的实际需求，可以配置出灵活丰富、功能强大的系统，比如，考虑冗余情况，配置主备数据库服务器、主备前置机、操作员工作站、WEB服务器等，基于控制中心系统的安全，系统还可以配置不同的网段。监控中心软件由WinCC开发出友好的人机界面。配电实时工况信息以曲线、表格以及参数化处理后的数据进行显示，也可显示整个系统的数据。系统对重要的信息进行存盘归档，同时，提供灵活丰富的报表功能，用户可以依据实际需求灵活自定义报表。因此，管理人员在控制中心利用透明化的能源管理来进行有效地分析和决策，实现节能、省电、降低运行成本。

　　3.电能管理系统特点

　　增加了从电源设备到各类终端负载电能消耗透明度，优化运行成本。

　　可依据电能需求模式和要求，更，有效和经济地购买电能。

　　采用分析诊断，定向服务/维护等手段，优化开关设备的性能和用电负荷。

　　系统为开放式和模块化结构，故系统的集成，组态，扩展更灵活。

　　4.电能管理主要功能

　　信息化电能管理解决方案是根据配电系统现状和发展趋势的研究而提出的。它能分析电能分配与各类负载消耗电能的全过程。目的就是从能源消费的观点管理和配置配电系统，降低运行费用。不论是工业厂房还是商业建筑，基本追求的目标是合理、有效和经济地使用电能，减少电能的消耗，限度地降低电能的费用。

　　4.1 集中监视和透明化管理

　　通过集中监视，系统提供了实时在线的能源消耗数据。系统可按不同的区域不同的时间生成用电报表，自动计算单位能耗，有利于改进成本。通过灵活的负荷曲线，除了能够获取实时负荷外，还能进行历史趋势分析，有效地优化重要负荷的能耗。工矿企业的操作员通过视窗人机界面对配电系统进行可视性操作和有效地管理如图3.每一台线路保护开关均可以在控制室（或本地）进行分合操作。可视化的远程操作毫无疑问地增加了系统和操作人员的安全性。当我们制定预防性的维护和检修计划工作同时，可依据操作信息及列表文件提供的有价值信息，有效地为每一台开关装置和设备组织有针对性的维护和检修工作。例如，开关操作信息清单详细记录了设备的操作次数以及保护动作，故障切断电源的次数，同时给出了下次应进行维护和检修的时间和内容。开关保护装置必须进行检修时，可以通过SMS方式直接把维护和检修的时间和内容传输给维护人员，今后，也可以通过WAP（网上协议）来传送。预防性的维护和检修计划意味着能保证连续供电，减少了昂贵的停电时间。

　　图3 运行监控和整定

　　4.2 负荷管理

　　与供电局签订的供电合同中的有关电耗指标，可以通过软件的"负荷管理"功能优化如图4.通过实时的负荷曲线和历史负荷曲线趋势分析，可消除或避免高峰用电，或不履行供电合同而招致的罚款。按负荷重要性的列表文件管理负荷，通过自动控制，切换或卸负荷等手段，使系统按合同的电耗指标经济运行。

　　图4 负荷管理

　　4.3 成本管理

　　成本管理如图5所示，自动采集电能消耗的定量信息，与各类负荷相对应。这意味着，每一个负载均建立独立账户，从该账户中很快地得到耗电量，电费等详细的表格数据信息，同时，还能够统计成本帐单中能源中断供应的时间和百分比。

　　图5 成本管理

　　4.4 电能质量

　　大量工业要求连续可靠供电，尽可能地减少电网对用户的干扰，要求提供合格的电能也越来越被广大的低压用户采纳。有关电能质量的国家标准已经陆续出版，电能的质量指标如"供电电压的允许偏差","公用电网谐波","三相电压允许的不平衡度"以及"电压波动和闪变"等，必将是电力公司与用户签订供电合同的主要内容之一。

　　电能质量不合格（或不符合要求）通常指供电电压的幅值变化，波形畸变和频率偏移等超过电能质量标准规定的指标。不合格的电能质量有时还表现为功率因数低，无功损耗大或供电可靠性差等。

　　西门子断路器3WL的增强型测量功能模块F05能够测量配电系统的29次谐波，同时，还具有瞬态波形记录功能。通过谐波测量，不但能够分析电网质量，而且还可能找到故障失常的原因，以便于减少或者消除失常现象。和断路器3VL通信的SEMEAS P表同样具有21谐波测量功能。图6为SEMEAS P表测量的谐波显示。功率因数的监测管理，有助于在不同的区域自动或者手动投切电容器组，提高功率因数。因此，通过现场设备的谐波测量以及瞬态波形记录，在控制中心能够对这些测量值以及事件进行系统地分析，有利于发现电网中存在的问题以及采取相应的措施，来提高电能质量和用电水平。

　　图6 谐波显示

　　5.应用

　　信息化电能管理系统以Profibus总线将现场各类设备采集的信息上传到PLC,同时，PLC和控制中心之间通过Profinet实现通信，快速交换信息，这样就构成了一个完整的分层分布式配电电能管理系统。图7为北京西门子大楼配电系统原理图，系统采用Siemens WinCC作为上位监控软件，在监控中心实现电能管理功能。Siemens PLC作为各个监控分区的中央控制器，通过Profibus总线，利用COM15通信模块实现断路器3WL的4遥功能；同样，使用SIMEAS P表和断路器3VL组合也实现4遥功能，从而全面实现对低压系统的一体化综合监控，具有实时数据采集、接线图显示、参数设置、事件报警记录、曲线棒图、报表打印、故障智能分析及与上级计算机联网等基本功能和其它电能管理功能。

　　图7 北京西门子大楼配电原理图

　　6.小结

　　信息化电能管理系统是西门子全集成电能管理的重要组成部分。它采用分层分布式设计思想，为工矿企业、商业大楼等用户提供了配电系统的透明化监控，通过负荷管理、成本管理、电能质量分析等手段为管理人员提供了丰富的决策参考信息，有利于管理人员对能源管理进行正确的分析和作出明智的决策，有效地优化和控制能源消耗，终实现节能、省电、经济运行。