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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一、行业用户用电特性分析 安科瑞鲍静君
服装制造业按国民生产行业分类可细分为：纺织服装制造业、纺织面料鞋的制造业、制帽业。
该行业一般都由10kV变电所和0.4kV供电，其用电负荷中等或较小；生产性质为三班制连续作业。服装制造业属于劳动密集型企业，每个车间为一条生产流水线，使用的设备数量多、功率小，负荷相对比较平稳。服装企业非生产用电除办公楼外，厂区内都建有宿舍和食堂，非生产用电约占总用电量的10%左右。
服装制造行业用户设备分类表
二、行业用户参与错峰限电能力分析
1. 该行业用户一般生产时间为7：30～21：00，在生产时间段负荷曲线相对稳定，在高温或严寒季节，该类企业的用电需求也有所变化，随着温度的变化，用电负荷将有显着上升，夏季高温期间将增加35%左右的空调负荷。服装制造行业的办公、生活用电约占总用电的10%左右，生产用电以车间为单位，每个车间的上下道工序相互衔接，错峰时只能以车间为单位进行限电。
2. 紧急错峰限电，可停用非生产性负荷和生产性负荷，可以快速响应错峰实施。该行业用电负荷中等偏小，紧急错峰限电效果较好。
3. 阶段性错峰，该行业用户可以通过有效组织部分生产车间停产让电的方式开展，阶段性错峰效果较好。
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：
执行错峰指令，大型服装厂对办公用电、生活用电等部分非生产用电限电、部分车间停产，保证企业生产的连续性。中小型服装厂每周开六停一。
2. 紧急错峰：
接到错峰指令后快速停用办公用电（电脑、打印机、照明、空调、电梯）等非生产性负荷，然后根据指令释放负荷恢复正常生产。
（二）缺口等级Ⅲ级参与方案
1. 阶段性错峰：
执行错峰指令，大型服装厂对办公用电、生活用电等部分非生产用电限电、部分生产车间停产，保证企业生产的连续性。中小型服装厂每周开六停二。
2. 紧急错峰：
接到错峰指令后快速停用生产辅助设备和部分生产车间的孔压机、裁剪机、缝纫机、粘合机、断布机等生产负荷进行限电。然后根据指令释放负荷恢复正常生产。
（三）缺口等级Ⅱ级参与方案
1. 阶段性错峰：
执行错峰指令，大型服装厂对办公用电、生活用电等部分非生产用电限电、部分生产车间停产，保证企业生产的连续性。中小型服装厂每周开六停三。
2. 紧急错峰：
在执行Ⅲ级方案的基础上，继续停用部分生产车间进行限电，完成错峰指标。然后根据指令释放负荷恢复正常生产。
（四）缺口等级Ⅰ级参与方案
1. 阶段性错峰：
执行错峰指令，企业停产，非生产用电只留门卫、消防、职工生活等必须用电。
2. 紧急错峰：
在执行Ⅱ级方案的基础上，继续停用部分生产车间进行限电，直至企业停产，非生产用电只留门卫、消防、职工生活等必须用电以完成错峰指标。然后根据指令释放负荷恢复正常生产。
四、行业用户参与错峰限电风险及注意事项
1. 服装制造业属于劳动密集型企业，一般每个车间的工人数大都**过一百人，大型服装企业每个车间工人数一般**过五百人。由于服装企业的生产车间均为全封闭，因此夏季空调负荷很大，在需要限电时企业为保证产品质量和工人不停工，**考虑停用生产设备，保留空调用电和照明用电。
2. 服装制造行业的企业接到订单后，给予的生产时间都很短，需集中力量生产，如企业参与错峰限电后，影响订单的完成情况，造成不能按合同及时交货，特别是以外贸订单为主的企业，将面临很大的考验。
3. 服装企业都是劳动密集型企业，工人薪资都是按基本工资加计件提成的模式确定，如企业参与错峰限电后，有部分工人被迫停工，影响其工资收入，较终导致工人流失，给原本就招工难的服装行业雪上加霜。
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
苏州某纺织制造厂变配电系统主要由工厂一楼高压电机出线和三楼配电室进行变配电管理，共计一个高压出线回路，32个低压出线回路，高压出线回路，工厂三楼配电室提供整个常熟涤纶的生产所需电力。监控值班室设置在工厂的二楼监控室。
5.2系统结构
Acrel-3000电能管理系统以监控主机、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，如图下图所示：站控管理层、网络通讯层和现场设备层。
1）站控管理层
站控管理层针对电能管理系统的管理人员，是人机交互的直接窗口，也是系统的较上层部分。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。
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，提供足够的时间进行数据存储。
2）网络通讯层
通讯层设备为CP134U-I扩展卡。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。
通讯介质：系统主要采用屏蔽双绞线，以RS485接口，MODBUS通讯协议实现现场设备与上位机的实时通讯。
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，向数据中心上传采集的数据。测量仪表担负着较基层的数据采集任务，其监测的数据必须完整、准确并实时传送至监控主机。
5.3系统功能
上位机软件为Acrel-3000电能管理系统组态软件，该软件是对现场电参量数据进行采集与监测的**软件，较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*地实现和完成对现场数据的采集与监测功能。Acrel-3000电能管理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电参量及开关量状态，并将采集到的数据上传给监控主机进行实时显示与存储。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用电量的采集和统计，实现了远程自动抄表、电力监控与电能管理功能。
①数据采集和显示
现场仪表测量并采集回路数据信息，上位机软件再对现场仪表的数据进行定时或周期采集并存储，可以自由设置采集的时间周期，较小的系统支持的采集周期。可以随时查看任一表计的瞬时表值、累计量等信息，记录时间间隔内电力仪表的电压、电流、功率因数和有功电度等。这些参数信息可以自动保存到数据库中，便于查询。
系统具有友好的人机界面，便于普通的现场值班人员查看并记录相关信息，系统一次图不仅显示了线路的开关状态，还实时显示电压、电力、有功电度等重要的电力参数。所有数据信息都定期的保存到数据库中。
②远程抄表
系统对所有采集到的数据都能实时的显示，并保存到数据库中，因此可以手动查询每个回路的所有实时及历史电参量数据，并以表格的形式展现给用户，便于打印、保存。
③电能报表与棒图
系统采集的有功电度数据，按照回路名称的不同，自动生成日报表、月报表和年报表并有报表打印功能，并可对某一回路的某一时间段内的用电量进行查询与打印，同时这些报表也能以Excel的格式导出。
系统还可以根据生成的电能报表，对每一回路的用电量根据时间不同形成年用电棒图、月用电棒图以及每日的用电棒图，便于查看。
④电流、功率趋势曲线
对于所有回路，不仅可以对电流、功率进行实时显示与监测，并可以根据保存的历史数据做成趋势曲线，可以查看实时和历史变化趋势，预测电力负荷容量，并可对电力故障进行查询，保证电力负荷的安全运行。
⑤事件记录与报警
主要用于查看历史报警信息；帮助用户进行事故查询与追忆；支持历史查询，打印等功能。实时报警信息会即时弹出，提醒用户所进行的操作。并对所有操作具有自动事件记录功能。
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]服装制造行业错峰限电技术指导．技术在服装制造行业错峰限电中的应用 安科瑞鲍静君