能源计量系统的设计及探究

1 　概述

能源计量信息管理系统，是把分布在不同地点的多台计量仪表进行联网，实现计量仪表的在线实时数据采集和管理[1]。系统的组成通常由计量检测设备、数据集中器(分站)、用户终端、管理服务器(主站)、管理软件和网络器件等构成，具有能源数据采集、数据传输、数据处理、数据存储等能源计量功能，其输出数据可用于能源统计与能源审计。


2 　能源管理系统的设计及探究

2.1能源计量信息管理系统的现状分析

目前，中国各行业开发和使用的能源计量信息管理系统无统一规范标准。因为缺乏国家规范性的指导文件，企业按照自行需求进行设计和开发，能源计量管理系统模式较混乱。许多企业因为没有相关标准或规范的指导而茫然。据浙江省医药化工行业能源计量信息管理系统调查显示，现阶段企业在能源计量系统由于系统结构、功能模块、数据结构与输入输出报表等多方面的不规范，使得企业在计量器具选择、计量数据采集点设置的规范导致企业能计量与源平衡的不确定性。因为缺乏相关标准或规范，很多企业的能源计量管理系统输出政府能源监管部门的需要的各类申报报表(企业耗能设备一览表、企业能源计量器具一览表、能源工业企业能源购销存表、能源消耗统计及分析报表、生产信息报表)，误报和漏报的情况时有发生。这种政企不一致的状况，使得政府能源监管部门较难统一管理企业的能源统计与审计工作。本文就结合当前中国用能行业能源计量信息管理系统的特点，对系统的设计规范做一些浅层次的探讨与研究。

2.2能源计量信息管理系统建设的一般要求和设计原则

2.2.1系统的软硬件环境设计要求

在设计能源计量信息管理系统时，对设计硬件上要考虑企业的经济承受能力，逐步完善。同时，配备的计量器具必须要能在线检定或校准；软件设计要考虑全面，给予必要的完善及升级的空间。

2.2.2确定现场能源计量检测点设置与计量器具配置要求

(1)现场能源检测点确定。用能单位能源计量信息管理系统，应能采集行业不同种类能源的数据。所称能源数据，指煤炭、原油、电力、天然气、焦炭、水、蒸汽等和其他直接或者通过加工、转换、回收而取得有用能的各种资源[2]。

能源计量信息管理系统采集点的设置原则是以能够准确和实时采集数据的作为计量检测点，并且要考虑能满足能源平衡、能源统计与审计要求[3]。具体数据采集范围包括:

a)输入用能单位、次级用能单位和用能设备的能源及载能工质；b)输出用能单位、次级用能单位和用能设备的能源及载能工质；c)用能单位、次级用能单位和用能设备使用(消耗)的能源及载能工质；d)用能单位、次级用能单位和用能设备自产的能源及载能工质；e)用能单位、次级用能单位和用能设备科回收利用的余能资源。

(2)计量器具配备率要求。

2.3合理选用现场能源计量器具

根据GB/T17167—2006标准要求，能源计量信息管理系统所选用的能源计量器具，要依据不同用能设备所耗的能源类型不同，而选用相应的计量器具。所选用的计量器具必须要能提供数计量据输出接口。选用的计量器具除了保证精度要求，也要根据生产工艺、使用环境等条件的要求，进行选择相适应的计量器具。

2.4能源管理信息系统主要功能模块设计原则

(1)计量器具系统模块。计量器具系统模块的功能是能源计量管理系统与能源供应部门收费端计量数据联网，实时监控一级计量和二级计量能源数据偏差，并将所采集计量数据形成对比图，出现不合理偏差系统立即报警。系统对电能供应质量进行实时监控，并有报警提示和报警记录。

(2)能源数据采集系统模块。能源数据采集系统模块的功能是自动采集各类能源计量点的实时瞬时量和累计量，采集周期在1分～24小时范围内可调。采集数据项目完全符合能源统计和能源计量管理部门的要求。

(3)采集数据传输、存储、查询系统模块。采集数据传输、存储、查询系统模块应满足实时传输的要求，考虑到数据传送速度，有线传输200米以内可采用双绞线串口传送，超过200米宜采用光纤以太网传送，也可采用无线传输;各采集点数据传输到人机交互界面的时间不应超过1秒。数据输出应满足集中化管理的需要，可通过人机交互界面查询到所有的能源计量数据输出。能源数据中心服务器实时监控历史数据一般要求保存不少于60天。

(4)数据汇总和计算分析系统模块。数据汇总和计算分析系统模的功能是对能源消耗计量数据进行汇总，并按照系统设定各种能耗定额指标和节能量化指标计算分析，并自动形成对比分析图表。超过指标系统立即报警提示。通过报警提示，企业能够及时发现能源浪费现象和能源消耗异常情况，及时进行纠正与改进，及时有效控制能源消耗和能源成本开支。能耗定额指标和节能量化指标主要包括企业单位产值综合能耗、单位产品综合能耗、企业工业增加值综合能耗、企业和车间能源消耗定额及用能设备单耗等。数据汇总和计算分析系统模块功能能够对每个产品能源成本、每个车间能源成本和企业能源成本进行监控和分析，并自动形成对比分析图表，用能成本超过预定费用，系统立即报警提示。

(5)报表统计系统模块。报表统计系统模块功能是能够根据政府、各级公司及分公司需要，自动导出所有的各类满足政府能源统计与审计要求的用源申报报表(企业耗能设备一览表、企业能源计量器具一览表、能源工业企业能源购销存表、能源消耗统计及分析报表、生产信息报表等)，能源统计报表数据均能追溯到系统计量检测记录。

(6)企业、车间、设备能源管理系统模块。企业、车间、设备能源管理系统模块功能是实时监控企业、车间、设备能源实时消耗量，监控各项用能指标不超过定额指标。超过定额指标经报警提示查找原因，及时进行改进。设备管理系统功能能对重点用能设备能耗状况、负荷率、有效利用时间、开启、停止时间等影响能源消耗的各项参数进行实时监控，确保设备的高效、经济运行，减少设备的空载时间和能源浪费的地方。

2.5能源管理信息系统的安全设计和维护原则

信息系统应做好防电磁干扰，采集信号线应采用屏蔽线，并禁止与强电信号线混敷;与信息系统相连的外网系统应做好防火墙等病毒隔离措施。用能单位应设系统维护人员负责能源计量信息系统的整体维护;各车间也应有专人负责每天不少于一次的仪表值和信息系统反馈值的一致性检查，发现问题应及时通知系统维护人员。

2.6能源计量信息管理系统规范化工作成效

在上述研究的基础上，2009年3月，浙江省标准化研究院联合上虞新和成生物化工有限公司、上虞市质量技术监督局，联合制定了《医药化工行业能源计量信息系统》联盟标准，建立了能源计量信息管理系统的统一的管理模式，实现能源计量管理标准化。通过近一年的标准实施表明，统一规范的能源计量管理系统进一步提高了工艺过程中的能源计量数据的分析和研究的正确必可靠性，为改进生产工艺，提高技改节能效益提供了科学的依据，真正发挥了能源计量数据的功效。其次应用能源管理的科学方法，结合计算机信息网络技术，通过精确计量，自动采集能源量值数据信息，对能耗数据进行计算汇总、图形对比、经济分析、量化评价，控制能源消耗，节约了能源成本开支，提升企业能源管理水平。例如，浙江省重点试点企业上虞新和成生物化工有限公司发酵车间经过对蒸汽消耗数据的分析，将灭菌工艺由原来的间歇消毒改为连续消毒，使车间每月蒸汽消耗量下降30%。精馏车间强化循环水温差管理，优化了操作参数，耗汽量从原来6吨/小时下降为4.5吨/小时，循环水用量从910吨/小时下降到450吨/小时，使该车间每吨产品能源成本下降15%。通过考核，公司万元增加值能耗同比下降14.6%。
为了扎实推进企业能源计量工作，将节能工作落到实处，我们对企业能源计量信息管理系统相关的设计规范和标准进行了初步的研究。Acrel（安科瑞）公司的Acrel-3000能源管理的提出，将能将成为企业能源在线实时监测新兴的解决方案。规范、有效、科学的能源计量信息管理系统不仅能规范企业能源计量与管理，也将进一步推动国家依法实施节能减排监督管理。


3 　Acrel-3000能源管理系统

3.1结构






Acrel-3000型电能管理系统可对低压设备消耗的电能进行分项计量。其软件运行于windows操作系统，包括windows2000、windows NT、windowsXP等windows系列操作系统。系统除了与本公司自主研发的仪表良好兼容外，还支持数百种硬件设备，包括目前流行的各种板卡、仪表、PLC等。支持各种常用电力通信规约，如部颁CDT规约、POLLING、1801、101、DNP等电力规约。

按照国家对电能计量的相关要求，本系统对耗电量进行分项计量，包括：
　　1）照明插座用电：为建筑物主要功能区域的照明、插座等室内设备用电。主要包括建筑物内的照明和插座用电、应急照明用电、室外景观照明用电等。
　　2）空调用电：主要包括冷热站用电、空调末端用电。
　　3）动力用电：主要包括电梯用电、水泵用电、通风机用电等。
　　4）特殊用电：主要包括信息中心、洗衣房、厨房餐厅、游泳池、健身房或者其他特殊用电。

3.2功能

前台人机交互界面

设计适合客户要求的交互界面；标准图元库，方便调用组合；实时数据采集和显示；数据信息的自动逻辑计算和处理；设备参数远程更改设定；合、分闸状态显示和强制操作。

曲线及报表管理设置

客户要求的电参量的趋势曲线；正/反向有/无功电度的历史趋势；设计满足客户需求的各种报表；自动生成电能计量的日、月、年报表；可根据常用的MS Excel设置模板并生成相应报表，使用户轻松使用；查询任意时刻报表、显示并打印。

后台数据库管理

应用广泛的数据库软件如Access、MSSQL；建立开放式、网络化数据库；存储指定年限或所有的数据信息；软件系统实现的动态链接库；实时数据信息更新安全可靠；支持C/S、B/S方式，实现数据远传。

多级权限用户管理

密码登录后台，保证设置安全；高权限对低权限管理，分级操作，各权限均具修改密码功能。

通讯管理设置

各串口自主配置，操作方便；不同设备的通讯协议选择；通讯波特率自主选择；系统根据选择结果自动对该前置机某端口所连各设备进行统一的遥控配置。

网络功能

双机热备功能，支持双机、双网、双设备等冗余，并采用热备份的形式确保系统稳定可靠的运行，配置简单、方便。网络上任意一台机器可指定为I/O服务器（即前置机），网络上的其他机器可方便地从该机器上获取数据。

3.3软件界面

数据采集





可采集和处理电力系统常用的各种遥测量、遥信量、脉冲量等。如：遥测量：电压、电流、有功、无功等；遥信量：开关状态、刀闸位置、保护动作信号、事故跳闸总信号、预告信号等；脉冲量：电度量、周波、时间量、设备参数、保护定值等；非电量：温度、压力、湿度、火灾报警、防盗报警等。

主界面显示



可根据现场的设备安装情况及布局将其用图形界面形象的表示出来，图为低压系统的配电图。



月抄表数据的查询



显示某个月的电表数据，可进行自定义查询，打印输出。




4 　能源管理表计的选型方案

4.1 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，见图1。

图1 ACR330ELH电力仪表

4.2 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、最大需量统计；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，见图2。

图2 ACR220EL电力仪表

4.3 动力柜、照明箱选ACR120EL电力仪表或导轨式电表
ACR120EL电力仪表主要功能有：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、最大需量统计；2DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议。外形尺寸：开孔尺寸80×80mm，开孔尺寸72×72mm。适用于动力柜，见图3。

图3 ACR120EL电力仪表

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、最大需量统计；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，见图4。

图4 DTSD1352导轨式电表

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，见图5。

图5 DTSF1352导轨式电表

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，见图6。

图6 DDSF1352导轨式电表

5 　结束语

能源计量是节能减排量化数据的体现，起着举足轻重的作用。同时作为一种管理工具和手段，利用能源计量数据的采集，诊断，分析，实施有效管理，科学准确的计量数据能够指导建筑能源的利用，由此达到节能降耗的目的。此外能源计量还是一种工艺手段，一种测量技术，帮助建筑节能建立科学合理的节能流程，为今后的建筑节能提供科学准确的基础条件。