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智能配电柜中电力监控系统的设计及应用 安科瑞鲍静君
摘要：本文介绍基于人机界面和智能电测仪表、电机保护器而设计实现的智能配电柜进线、馈线、出线各回路分散式采集和集中控制管理的电力监控系统，系统实现了人机界面在智能配电柜中无人管理的功能，省去了值班人员现场操作的繁复性，减少人工操作的误差性，提高了供电质量和管理水平，具有简明实用、投资少等优点，具有广泛的应用前景。
关键词：人机界面；智能仪表；电力监控；智能配电柜
0 引言
智能配电柜是一种综合采集所有能源数据的配电柜，为终端能源监测系统提供高精度测量数据，通过显示单元，实时反映电力参数及电能质量数据，并通过数字通讯至后台控制系统，以达到对整个配电系统的实时监控和运行质量的有效管理，而电力监控系统作为当今配电产业智能化的发展趋势，是配电自动化控制非常重要的组成部分，主要功能包括：数据采集和显示、数据记录、导出、现场设备运行状况实时显示、记录等。
本文以某电器公司智能配电柜电力监控管理系统为例，提出利用触摸屏和智能仪表、电动机保护器及断路器模块等设计一套智能智能电力监控管理系统[1]应用于配电柜进线、馈线、出线回路中，对配电柜各个回路用电设备运行参数及运行状况实现实时监测、管理。
1 项目介绍
电力监控系统能够通过使用电力仪表来监测各回路设备的用电情况，通过集中采集显示终端来实时显示、存储，并能够导出一个工作周期的数据，便于进行系统和电力数据分析，能够为配电柜提供分析设备运行状况及用电情况的依据，本智能配电柜电力监控系统项目基于用户对现场配电柜进线、馈线、出线回路设备及用电情况监控的需求，采用昆仑通态触摸屏TPC1062K与安科瑞智能仪表PZ72L-E4/KC、PZ80L-E4/KC及电动机保护器ARD2F-100A/CKQ，实现对智能配电柜的进线、馈线、出线回路用电设备运行过程中三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、电能数据的实时监测显示、数据存盘、导出功能，实时显示回路的通断状态，并对电机设备的过载、不平衡、欠载、接地等故障进行故障报警与记录，既能保证智能配电柜的正常运行，又能对配电柜的进线、馈线、出线回路实时监控管理。
2 用户需求
通过对配电柜进行监测管理，了解设备的运行状况及用电情况，对所设计的电力监控系统提出以下需求：
实时显示:
进线柜：通过触摸屏实时采集进线柜回路智能仪表PZ80L-E4/KC电压、电流、功率及电能等数据，直观的显示出总电源进线柜的负荷用电情况；
馈线柜：主要采集馈线柜回路电压、电流、功率及电能参数，便于用户实时了解外部所需电源的用电状况；
出线柜：通过PZ72L-E4/KC交流仪表采集出线柜单个回路的交流电流、电压、功率等参数，并利用电动机保护器ARD2F对出线回路电机进行数据监测和保护；
曲线分析:实时显示各个电气柜的电流（或功率）实时曲线趋势图；
事件报警:实现进线柜、馈线柜、出线柜电压、电流、功率、频率、功率因数等参数的越限报警；
电能管理:完成对回路各仪表的电力参数集抄功能，可查询历史时刻各回路的有功功率值、无功功率值、用电量（KWH）、功率因素、每相电流及电压值，报表存储时间较短为1S，并自动生成符合客户管理需求的用电报表，报表能够在触摸屏上实现电能实时查询；
数据导出:实现各仪表电力参数按照客户要求的时间进行自动、手动导出，导成Excel形式到U盘，供客户对电能统计、打印。
3 设计方案
3.1参考标准
GB/T3797-2008 《电气控制设备》
GB/T11022-1999 《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》
20077566-Q-604 《工业自动化产品安全要求1部分:总则》
20077556-Q-604 《工业自动化产品安全要求10部分:记录仪表的安全要求》
GB/T 16656.46-2010 《工业自动化系统与集成及产品数据表达与交换》
DL/T 814-2002 《配电自动化系统功能规范》
DL/T634-2002 《远动设备和系统传输规约基本远动任务配套标准》
DL/T 814-2002 《配电自动化系统功能规范》
DL/T645-1997 《多功能电能表通信规约》
3.2系统介绍
整个系统设备主要包括人机界面、智能仪表PZ72L-E4/KC、PZ80L-E4/KC、电动机保护器ARD2F-100A/CKQ及开关电源，通过屏蔽双绞线将配电柜进线回路、馈线回路、出线回路各个仪表连接至集中采集显示终端，对现场数据的采集、实时显示、参数存盘、故障记录，实现智能型配电柜系统的电力监测管理，系统总体架构如下图1所示。
图1 系统总体结构图
3.3 设备选型
4 系统功能
上位机采用触摸屏TPC1062K，通过触摸屏[2]与现场设备连接，并在触摸屏中进行数据库变量配置、界面设计等，完成在上位机中监控现场智能仪表PZ72L-E4/KC、PZ80L-E4/KC、ARD2F电动机保护器、断路器等配电设备用电情况及运行状况的功能。
4.1 系统图显示
在触摸屏实时显示智能配电柜各个回路用电设备运行状况，便于用于实时了解现场设备状况，对于出现的故障及时处理，并在触摸屏上实现设备的分合闸控制，实现远程遥控操作，系统图显示界面如下图2所示。
图2 系统图显示界面
4.2 数据采集显示
触摸屏采集智能配电柜进线回路PZ80L-E4/KC智能电测表、馈线回路的PZ72L-E4/KC智能仪表、出线回路的电动机保护器ARD2F-100A/CKQ及PZ72L-E4/KC交流电测仪表、三相电压、三相电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、电能等参数，并在人机界面实时准确显示，方便用户及时了解系统各个设备运行参数以及进行能耗监测管理，具体数据如图3至图5所示。
图3 进线回路数据显示界面
图4 馈线回路数据显示界面
图5 出线回路数据显示界面
4.3 曲线显示
电力监控系统将智能配电柜进线回路PZ80L-E4/KC智能仪表、馈线回路PZ72L-E4/KC电测表、出线回路低压电机保护器ARD2F及PZ72L-E4/KC智能电测表[3]的三相电流传给人机界面用曲线的形式表现，为用户提供实时曲线，帮助用户了解设备的用电状况，便于用户实时了解用电设备，具体曲线界面如图6至图8所示。
图6 进线柜曲线显示界面
图7 馈线柜曲线显示界面
图8 出线柜曲线显示界面
4.4 数据存盘
系统采集配电柜进线回路、馈线回路及出线回路各个仪表数据并按照时间段进行历史数据查询，选择时间间隔对系统采集的历史数据精确查询，同时对出线回路电动机运行过程中出现的故障进行实时存盘，查询结果在触摸屏存盘数据浏览构建中显示，便于用户对设备运行参数及运行状况实时了解，同时能实现对数据的导出，便于用于了解各个设备历史运行状况，存盘数据界面如下图9、图10所示。
图9 电参数存盘界面
图10 电能存盘界面
4.5 故障记录
通过触摸屏的遥测对智能配电柜进线回路、馈线回路、出线回路各个设备的电压、电流、功率、频率、功率因数等参数越限及通讯故障实现报警功能，并进行实时记录，便于用户了解现场设备运行参数**过设定值的状况及设备运行状况，事件报警记录界面如下图11所示。
图11 事件报警记录界面
5 系统特点
完善的数据采集功能，实现对智能配电柜的全部用电设备数据采集、显示和设备的运行状况分析，配电柜的数据采集由通讯模块实现，数据由通讯采集传送至后台监控。
安全运行监视，操作人员借助触摸屏系统人机界面，监视智能配电柜的进线、馈线、出线回路的设备运行状态，并实时显示，便于设备在运行状态发生变更时及时进行分析和处理。
系统运行可靠，提供智能配电柜进线、馈线、出线回路主要设备的运行状态报警记录显示，便于操作人员对于故障报警和事故状态进行应急处理。
实现远程遥控，在触摸屏上进线分合闸控制，减轻现场运行人员的劳动强度，提高安全运行水平[4]。
6 结束语
智能配电柜作为精密配电柜，除了配电管理外，还具有运行管理与安全管理的功能，能够的监测系统的各项运行参数，有效的提高了整个配电系统的可靠性，智能配电柜中电力监控系统的设计应用，在智能配电柜配置网络电力仪表，可以方便和实时地监控配电柜各个回路设备的用电状况及运行状态，对现场的用电设备进行统一管理，免去工作人员到现场记录、操作的繁琐工作，减少人员工作量，同时，智能配电柜中电力监控系统对各种用电设备的历史运行数据进行管理分析，整个系统既保证了现场设备的安全运行，具有较高的系统可靠性，又提高了配电柜配电质量和管理水平，因此，电力监控系统在智能配电柜的应用，充分体现了智能化配电的优势，具有广泛的应用前景。
参考文献：
[1].周中等编着. 智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案[M]. 北京. 机械工业出版社. 2011.10
[2].昆仑通态触摸屏MCGS初级、中级教程. 2013.4
[3].刘美集. 配电柜的智能化电能监控系统[J]. 电气自动化技术, 2007(3):102~105.
[4].彭良**, 刘洁芳等. 配电柜智能化监控系统[J]. 电子产品技术, 2010(8):183~185.
电力需求侧管理及智能电力监控技术在通用及**设备制造行业错峰限电中的应用 安科瑞鲍静君
一、 行业用户用电特性分析
通用及**设备制造业按国民生产行业可细分为：锅炉及原动机制造、金属加工机械制造、起重运输设备制造、泵阀门压缩机及类似机械的制造、轴承齿轮传动和驱动部件的制造、烘炉熔炉及电炉制造、风机衡器包装设备等通用设备制造、金属铸锻加工制造；矿山冶金建筑**设备制造、化工木材非金属加工**设备制造、食品饮料**及饲料生产**设备制造、印刷制药日化生产**设备制造、纺织服装和皮革工业**设备制造、电子和电工机械**设备制造、农林牧渔**机械制造、医疗仪器设备及器械制造、环保社会公共安全及其他**设备制造等制造行业。
通用及**设备制造业的范围特别广泛，基本都属于非连续性生产单位。通用及**设备制造业的用户数目众多，负荷大小从几十千瓦到几千千瓦都有，个别企业甚至还**过一万千瓦。
该行业用户生产时间为8：00～21：00，也有24小时连续生产的。早峰时间段是全天的生产高峰和用电高峰；深夜产量较小是用电低谷。用电峰谷差率特别大，日负荷曲线属于典型的“中间高、两头低”形态。少部分连续生产的通用及**设备制造业用户其负荷曲线相对较平稳，约有20％左右的波动。
在高温或严寒季节，随着温度的变化，该类企业的用电需求也随着空调的使用有显着上升。从全年来看，该类企业年用电曲线呈现夏、冬季负荷高，春、秋季负荷小的特点。其中，夏季出现全年较高负荷的概率较大。
通用及**设备制造行业用户设备分类表
由通用及**设备制造业用户的主要用电设备可看出，该类用户的绝大部分用电设备都是可以中断用电的，可限负荷比例为80～90%。
二、 行业用户参与错峰限电能力分析
1. 为**人民群众生活及电网的安全运行，在电网出现缺口时，可以对通用及**设备制造业用户进行错峰限电。
2. 由通用及**设备制造业用户可中断生产的负荷特性及通用及**设备制造业用户数量众多的特点决定，通用及**设备制造业用户是除钢铁、水泥、高能耗企业以外错避峰的行业。
3. 通用及**设备制造业用户只要提前通知（15~30分钟），措施得当，完全可以充当错峰限电的主力。
4. 通用及**设备制造业用户参与错峰限电有利方面：
1) 限电只减少产量，而不会造成人员和设备的损伤与损坏。
2) 限电比例可很大，春、秋、冬季较大可按实时用电负荷的80%~90%进行限电。
3) 错峰负荷可 “快上快下”。
5. 通用及**设备制造业用户参与错峰限电不利方面：
1) 由于每户负荷不大，限电效果不明显，要想限下一定数量的负荷需动用相当多的用户参加。
2) 因每户负荷不大，调日作息时间与调休息日错峰效果不明显，但影响人数众多，组织交通、女工上下班安全问题多。
3) 该行业人均用电负荷低，每限1万千瓦负荷会造成3000~5000工人没活干，若限电时间长、周期频繁易出事。
4) 气温**32℃时限电，在厂房内需留有部分通风与降温负荷。
6. 行业用户错峰的方法
对于通用及**设备制造业来讲，大部分用电设备都可以参与错峰限电，错峰的主要办法有：
1) 将空调温度设定在26℃～28℃；
2) 减少部分照明、办公空调的负荷等；
3) 调整上下班时间，避免高峰时段限电后没电用的状况；
4) 将用电大设备安排在负荷高峰时段进行检修；
5) 安排放假或轮休（生产一周、停产一周；也可执行开三停四）；
6) 关停部分用电设备。
三、 行业用户参与错峰限电技术方案
（一） 缺口等级IV级参与方案
1. 阶段性错峰：
在执行错峰指令、完成错峰指标的前提下，留用基本保安负荷的同时，结合自身生产工艺流程可有选择地在不同时段释放部分设备负荷。
2. 紧急错峰：
接到错峰指令后需快速投入可限负荷，然后根据指令逐步释放负荷恢复正常生产。
本级可停的用电设备有：电开水炉、厂区道路照明、食堂、宿舍、办公空调、办公照明、办公楼电梯、厂房照明、厂房空调、车床、铣床、刨床、冲床、钻床、喷漆机、空锤机、空压机、切割机、剪板机、烘干机、电镀机、行吊、电焊机、拉丝机、镀锌机、鼓风机等。
（二） 缺口等级III级参与方案
1. 阶段性错峰：
1) 在错峰时段内首先投入错峰可限负荷高，响应时间快的可限负荷设备；同时逐步投入响应时间慢的可限负荷，保证所有可限负荷全部参与错峰；
2) 在执行错峰指令、完成错峰指标的前提下，留用基本保安负荷的同时，结合自身生产工艺流程可有选择地在不同时段释放部分设备负荷。
2. 紧急错峰：
接到错峰指令后需快速投入可限负荷，然后根据指令逐步释放负荷恢复正常生产。
本级可停的用电设备有：热处理、溶化炉、高频炉、喷漆机、烘干机、电镀机、车床、铣床、刨床、冲床、钻床、空锤机、空压机、切割机、剪板机、电开水炉、厂区道路照明、食堂、宿舍、办公空调、办公照明、办公楼电梯、厂房照明、厂房空调、鼓风机、锅炉、水泵、行吊、电焊机、拉丝机、镀锌机等。
（三） 缺口等级II级参与方案
1. 阶段性错峰：
1) 除留用基本保安负荷外，全时段投入所有可参与错峰负荷；
2) 对于响应时间慢的设备需提前做好参与错峰准备，保证所有可限负荷全额全时段参与错峰。
2. 紧急错峰：
接到错峰指令后需快速投入可限负荷，然后根据指令逐步释放负荷恢复正常生产。
本级可停的用电设备有：热处理、溶化炉、高频炉、喷漆机、烘干机、电镀机、车床、铣床、刨床、冲床、钻床、空锤机、空压机、切割机、剪板机、厂区道路照明、办公空调、办公照明、办公楼电梯、厂房照明、厂房空调、鼓风机、锅炉、水泵、行吊、食堂、宿舍、电开水炉、电焊机、拉丝机、镀锌机、数控机床、生产流水线、组装线等。
（四） 缺口等级I级参与方案
1. 阶段性错峰：
缺口等级I级时通用及**设备制造业应通过每周“开三停四”的方法、“生产一周停产一周”的方法、以及“将生产班次全部调到夜间生产”的方法实现错峰限电。
2. 紧急错峰：
在15~30分钟内停除保安外的一切用电设备与所有生产线。
四、 行业用户参与错峰限电风险及注意事项
1. 遇到突然停电，会使工作中的行车失去平衡，可能产生倾斜、脱落，机体本身可能损坏、报废地面的设施，作业人员也可能被砸伤，造成损害和人员伤亡。
2. 一些在高精密数控设备上进行的设备设施，突然停电会造成系统数据丢失，产品报废，设备严重损伤，恢复正常生产需要较长时间，产生重大经济损伤。
3. 溶化炉、高频炉、锅炉等设备如遇突然停电，会使炉膛报废，溶炼的金属溶液报废，且存在发生火灾的隐患。
因此，该行业用户参与错峰时，企业应根据自身的实际情况，科学、合理地编制内部应急预案，主动配合错峰实施，杜绝恶性事故发生，主动承担社会责任同时将损失降到较低。
五、智能电力监控的功能与应用
5.1项目概况
武汉重型机床集团有限公司(原武汉重型机床厂，简称武重)是生产重型、**重型机床规格较大、品种较全的大型骨干企业。重型机床产品全部实现数控化。大部分产品达到九十年代水平，**重型数控立式车床、**重型卧式车床、**重型数控龙门移动镗铣床达到当代水平。也是世界一能生产多品种**重型机床产品的厂家。
安科瑞电气股份有限公司承接武汉重型机床集团远程自动抄表系统项目的设计与实施。采用Acrel-3000型电力监控系统， 本监控系统的监控范围：威泰立车公司、数控镗床公司、数控铣床公司、武汉善福公司、武重铸锻公司、大件加工厂、中小件加工厂、办公大楼8个单位13个配电室的电力仪表。
按照武汉重型机床集团的实际需求和智能元器件的功能，完成系统的设计，主要功能为：一次主接线图界面显示；电参量遥测及电参量越限报警；事件记录，系统运行异常监测；故障报警及操作记录；电能报表查询与打印；系统负荷、谐波的实时、历史曲线，用户权限管理等主要功能，实际细化功能卖方可以根据买方的使用习惯和需求做可行性修改。
整个系统采用网络分布式结构，监控主机位于10KV监控室内，系统采用开放的通讯协议，通过现场总线连接到通讯服务器MOXA NPort5430 .13个配电室通过光纤组网与低压配电系统等相连，实现数据通讯功能。
5.2系统的结构
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：
间隔层主要的设备为：多功能网络电力仪表、开关量、模拟量采集模块和智能断路器等。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MODBUS总线组网通讯，实现数据现场采集。
中间层主要为：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。
站控层：设有高性能工业计算机、显示器、UPS电源、打印机、音响等设备。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。
以上网络仪表均采用RS485接口和MODBUS-RTU通讯协议，RS485采用屏蔽线传输。
5.3系统的主要功能
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；画面实时动态刷新；模拟量显示；开关量显示；报警记录显示等。
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。
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。
⑤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，电流曲线图等。
⑥用户权限管理
可根据买方要求添加和删除软件的用户数量和设置用户的权限。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。
六、主要监控产品
（1）高压回路或低压进线回路选ACR330ELH仪表
该表为电能质量分析仪表，主要功能有：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量；4DI+3DO（DO3做过压、欠压、过流、不平衡报警）；RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约。外形尺寸：120×120mm，开孔尺寸：108×108mm。适用于高压重要回路或低压进线柜。
（2）低压联络或出线回路选ACR220EL电力仪表
该表主要功能有：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、较大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议。外形尺寸：96×96mm，开孔尺寸：88×88mm。适用于低压联络柜、出线柜。
（3）低压出线柜选ARD系列
该表测量三相电流、定值查询、定值整定、过载、断相（不平衡）、堵转、欠载、外部故障、阻塞、欠压等保护功能、8DI+4DO、电能管理、漏电保护、SOE记录、多种起动模式、RS485通讯接口、MODbus协议/Profibus-DP协议可选。
（4）节能产品可选导轨表或APF有源滤波装置
照明箱DDSF1352电表主要功能：电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：76×89×74mm，4模数。适用于照明箱的电流、电压测量；单相电能计量。
ARD
DTSF1352导轨式电表主要功能：电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：126×89×74mm，7模数。适用于照明箱的三相电能计量。
DTSD1352导轨式电表主要功能：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计、较大需量统计；电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：126×89×74mm，7模数。适用于动力柜。
ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。
七、设备清单
参考文献：
[1]安科瑞电气股份有限公司系统解决方案.2013.1版.
[2] 通用及**设备制造行业错峰限电技术指导.