浅谈电力仪表在工厂车间设备电能管理系统的设计

摘要：基于车间电气设备的电气管理系统架构思路和实施方法，从硬件和软件方面阐述了该方法。为车间旧设备改造和新的电力管理系统提供思路和方便的方法。

关键词：电能管理系统；多功能电力仪表；PLC；组态软件

引言

 目前，大多数车间的用电数据都是通过车间配电室成套开关柜上的电力仪表进行测量的。一个开关柜通常有许多电气设备，而电力仪表测量多个设备的总电能数据，因此测量和分析单个设备的用电数据已成为一个难题。本文提供了低成本改造车间用电设备的思路和方法。只需在设备端增加电流互感器和多功能电力仪表，与中控室上位机组态软件形成电能管理系统，记录分析车间用电设备的用电检测和耗电数据，及时发现耗电量大的设备和异常状态的设备，为全厂节电和管理者的决策管理提供数据支持。本文介绍了两种建立车间设备电能管理系统的方法。方法一：通过在设备端增加电力仪表和互感器，通过多功能电力仪表的通讯端口，一般为RS232或RS485接口，实现电力数据的采集，通过上位机软件实现电力数据的显示和存储。方法二：对于由PLC或其他可编程控制器控制的设备，利用控制器自带的通信接口与多功能电力仪表网络通信，将电力仪表的数据读入控制器，控制器将电力数据发送到上位机进行显示和存储。方法二的特点：一是方便控制器中电力数据的直接转换计算；第二，如果本地和远程都有上位机，则可以实现本地和远程数据的显示和存储。

一：方法一

 图1所示为方法一对应的系统框图。每台设备增加电流互感器和多功能电力仪表，通过多功能电力仪表收集设备电流电压，通过RS485总线连接多功能电力仪表，连接串口服务器（串口转向以太网服务器），串口服务器通过以太网连接到多网口交换机，然后连接工业控制器。图2为单台多功能电力仪表的电气原理图，负载为变频器驱动的电机。三相电空开至变频器输入端，T1、T2、T3是电流互感器，连接到电力仪表的电流检测输入端。电结点从三相母线上取出，然后通过熔断器连接到电力仪表的电压检测输入端。电力仪表的报警输出立即连接中间继电器KA1线圈，利用中间继电器KA1的常开或常闭触点实现过电压、过电流等实时报警功能。电力仪表的RS458接口通过通信电缆与其他多功能电力仪表的RS485接口连接，形成RS485总线网络，通过MODBUSRTU协议实现数据的远程通信功能。

图1方法一系统框图

 硬件布局完成后，需要设置软件。软件设置包括串口服务器、虚拟串口号、IP地址、通信方式等。；在组态软件中建立与电力仪表相对应的多个通信设备，设置通信方式、验证方式、地址、波特率等。，然后建立相应的寄存器变量，以获取电力仪表中的数据。在组态软件界面中，获得的数据可以显示并绘制成曲线、棒图或饼图。电力仪表的电气原理图见图2。

图2电力仪表电气原理图

二：方法二

 对于PLC控制设备，利用PLC通信端口与多功能电力仪表建立通信，通过PLC读取电力仪表的电压电流等数据。同时，PLC分别与现场触摸屏和中控室的工业控制机建立通信，可以显示和存储本地触摸屏和远程工业控制机上的电流电压等数据。图3是方法二对应的系统框图。利用PLCRS485接口与多个电力仪表组网通信，PLC的另一个RS485通信口与现场触摸屏连接，通过PLC以太网口与中控室工业控制机通信。利用PLC的两个RS485通信，应注意主从关系：PLC相对于多功能电力仪表，PLC为主站，电力仪表为从站；与触摸屏相比，PLC为从站，触摸屏为主站。

图3方法2系统框图

 三：通过Smart200PLC读取电力仪表数据

 利用SMART200PLC编写梯形图子程序[2]，通过MODBUSRTU通信协议读取两台多功能电力仪表的电力数据。作为MODBUSRTU的主站，PLC使用两台电力仪表作为从站。图4为程序段1。第一个扫描周期首先复位每个状态位，然后调用MBUS_CTRL指令完成初始化，设置通信模式、波特率、验证方法和终端□号码、超时等。

图4程序段一

 图5程序段2首先调用MBUS_MSG指令启动从站请求并处理响应。设置从站的地址、读写模式、要读取的寄存器起始地址、要读取的寄存器数量和PLC内存储数据的V寄存器地址指针。每0.5s读取两个电力仪表一次。

图5程序段二

 图6程序段3读取第一个电力仪表的数据后，读取第二个电力仪表的数据。同样调用MBUS_MSG指令完成读取。编写和完成子程序后，可以在PLC的主程序中调用子程序。

图6程序段三

 以上选用更常用的SMART200PLC作为主控制器，通过梯形图编程与两台多功能电力仪表进行通信。不同品牌的PLC实现不同于电力仪表通信的指令，但原理相似，可以参考本例实现其他品牌PLC对电力仪表的数据读取。

四：功率和电度的计算

 电力仪表内部计算功率和功率，可以直接在电力仪表上查看功率和功率，也可以将数据通信到上位机进行查看。对于一些感性负载，电力仪表内部算法所依据的功率因数往往与负载不匹配，计算的功率和功率与实际误差较大。针对这一缺点，实时功率(有功功率)和累计功率(有功功率)可以根据电压电流等数据在上位机上计算，并与电力仪表的内部数据进行比较。触摸屏和配置软件一般都有循环执行策略(脚本)，可以根据公式(1)和公式(2)定期循环执行脚本程序，计算功率和功率。

 例如，通过力控组态软件计算三相电炉的功率和功率，根据负载类型和接线方法选择合适的功率因数，编写以下程序：

//有功功率计算(单位kW)

区域1单元1.PV=1单元1\Z1_UaH.PV*区域1单元1\Z1laH.PV/1000+区域1单元1\Z1UbH.PV*1单元1\Z1_lbH.PV/1000+区域1单元1\Z1UcH.PV*区域1单元1\Z1cH.PV/1000;

Powerz2.PV=1单元1\Z2_UaH.PV*区域1单元1\Z2laH.PV/1000+区域1单元1\Z2UbH.PV*1单元1\Z2_lbH.PV/1000+区域1单元1\Z2UcH.PV*1单元1\Z2_lcH.PV/1000;

//有功电量(单位KWh)

1\Enerer.PV=1单位1单位1单位1单位1单位1Ener-gyZ1.PV+1单位1单位1单位1单位1单位1PowerZ1.PV/3600;

1\EnereryZ2.PV=1单位1单位1单位1单位1单位1Ener-gyZ2.PV+1单位1单位1单位1单位1单位1PowerZ2.PV/3600;

 循环策略设置为：每循环2s，进行实时功率计算；每循环3s，将计算出的实时功率除以3600并累加得到电度。由于大部分负载不是恒功率运行，如果需要提高计算精度，可以减少循环时间，即提高采样次数。

五：上位机软件

 在上位机中，数据可以通过表格、曲线、棒图、饼图等形式进行记录和显示。图7是利用力控组态软件绘制的电力仪表盘界面，通过表格控制直观显示电力实时数据，实现实时数据查看和历史数据查询功能。图8显示了电力数据的实时曲线和历史曲线查询界面。图9显示了功率饼图和棒图分析界面。

图7电力仪表盘界面

图8历史曲线界面

图9饼图和棒图界面

六：安科瑞电能管理系统系统

1概述

 用户端消耗整个电网80%的电能，用户端智能用电管理对用户可靠、节约用电具有重要意义。

 Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况的细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各种用电消耗情况，便于找出高能耗点或不合理的能耗习惯，有效节约用电，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支持。

2应用场所

(1)办公楼

(2)商业建筑

(3)旅游建筑

(4)科教文卫建筑

(5)通信建筑

(6)交通建筑

3系统结构

4系统功能

(1)实时监测

(2)电能统计报表

(3)详细电参查询

(4)运行报表

(5)变压器运行监控

(6)实时报警

(7)遥控操作

(8)APP支持

5系统硬件配置

七结语

 本文结合工程实际情况，提供了建立电能管理系统的思路和方法。可在车间电气设备控制箱内安装电流互感器和多功能电力仪表，通过现场敷设通信电缆将车间电气设备组网，结合上位机组态软件建立电能管理系统。如果在电能管理系统的基础上添加水、气等能耗数据，可以形成车间能源管理系统，将获得的电力数据上传到云端或与MES系统和ERP系统连接。总之，电能管理系统是建立数字化工厂和智能化工厂重要的一部分。

[参考文献]

[1]侯冉、徐春风。基于多功能电力仪表的车间设备电能管理系统设计

[2]多功能网络电力仪表使用手册[2].郑州凌鑫电力科技有限公司

[3]SIMATICS7-200SMART系统手册.4,03/2019[Z].西门子(中国)有限公司.

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册

作者简介：涂志燕，现任职于安科瑞电气股份有限公司,主要从事数据中心相关产品的研发及应用。