淺談船廠電能管理及監控系統設計方案與應用研究

黃琴

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：在“雙碳"目標背景下，傳統造船行業通過一系列節能措施促進這一目標的實現。通過現場調研摸排船廠用電現狀，分析用電特點和用戶實際需求，對4座10kV配電站和17座10/0.4kV變電站進行升級改造，組建數據采集及傳輸網絡并搭建電能管理與監控系統軟件平臺，實現對船廠電能的優化管理和狀態監控，保證船廠的用電安全，降低船廠用電能耗，提高經濟效益。

關鍵詞：“雙碳"目標；造船廠；變/配電站；軟件平臺；電能管理；電力監控；用電安全；節能運行

0引言

2020年的聯合國氣候峰會上，我國提出了力爭在2030年達到碳峰值，2060年實現碳中和的“雙碳"目標。圍繞這一目標，國家出臺了一系列的文件，指引各行各業優化產業結構，發展綠色經濟，實現高質量發展。作為我國整體碳排放的重要組成部分，船舶行業采取了一系列節能減排措施，將對“雙碳"目標的實現發揮重要促進作用。

傳統的造船企業是用能大戶，在能源利用方面存在以下問題：采集自動化水平落后，人工抄表的可靠性低，儀器儀表老化甚至損壞，無法實現計量；對企業用能管理僅憑經驗，缺乏有效的數據支撐；“跑冒滴漏"等現象頻繁。傳統造船企業要克服在能源使用和管理等方面的弊端，采用數字化手段，加快數字化轉型，打造智能船廠數字化平臺，實現生產制造全過程全周期的透明、節能、安全、高效。

電力能源是船廠電、水、氣三大用能之一，車間設備、照明、生產生活用電等各方面的用電量消耗巨大，因此電力能源的管理與監控將很大影響到船廠生產制造的節能潛力，影響船廠的整體碳排放。目前，對電力能源的管理與監控在包括造船企業在內的許多行業都已經有了一系列應用，并取得了良好的應用效果，為用戶節能減排做出了重要貢獻。例如，大連造船廠通過建設能源管理系統實現了對21個高低壓變電所的運行管理、統計計量、數據查詢和狀態預警等方面的功能，在電力能源方面成功降低了船廠單位產品能耗，提高了船廠的經濟效益；在校園內應用電能管理系統，通過信息監測、設備狀態控制以及自動管理設備等手段對照明、吊扇和空調等進行管理，實現了整體節省電量達30.72%。

本項目從用戶的需求出發，通過現場調研摸排船廠用電現狀，對配電站和變電站進行升級改造，搭建電能管理與監控系統軟件平臺，實現對船廠電能的優化管理和狀態監控。本文總結船廠電能管理與監控系統的實施要求，從用戶需求、總體方案、組織架構、軟件開發和應用效果等方面進行詳細的說明。

1需求分析

1.1用戶基本情況

a.廠區目前有4座10kV配電站，17座10/0.4kV變電站，分別設置能源管控中心一處和核心機房運維辦公室一處。

b.該系統用于完成廠區生產用電數據的監測工作，對廠區內用電情況進行分類、分級、分項計量。

c.采集測量的數據上傳至智能監控中心，集中設計一套電能管理系統進行管理。

1.2用戶需求及分析

建設過程中根據用戶需求，結合現場實際調研分析如下。

1.2.1硬件及安裝部分

1. 建設能源監控中心，實現電能遠程實時監測、能耗查詢、能耗統計、智能分析、能源決策、報表管理等功能，提升能效管理水平。

2. 在10kV配電站、10/0.4kV變電站以及智能監控中心內，按照取樣點位在各開關柜上加裝相應的多功能計量儀表。

3. 在高壓站房安裝數據采集箱（站房數據匯聚點，安裝有數據融合終端、串口服務器、交換機、光電轉換器等）。各變/配電站電參數信號通過屏蔽線、數據采集箱、光纜傳送至能源監控中心的能源管控服務器上（安裝有串口服務器、交換機等）。

4. 各數據采集箱內預留光纜接口，以備后期需要時將其它動力站房監測數據整合的信號傳送至能源監控中心。

1.2.2軟件部分

a.在能源監控中心監控上位機上制作監控軟件，并將各數據采集箱收集的所有信號整合于監控畫面中，形成各電參量、能耗實時數據及開關實時狀態等示意圖。

b.監控軟件可記錄電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數等電參量實時數據，并根據半小時數據生成可打印的報表，實現對能源使用狀態的實時監控。

c.監控軟件可以對電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數等電參量設定報警值，報警記錄生成可打印報表，實現通過檢測變電站關鍵數據，在變壓器、開關、電纜等發生異常前提前預警，達到無人值守或少人值守的目的。

d.監控軟件可生成電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數等電參量實時和歷史曲線，實現對變壓器的負荷率分析、MD值預測、電能質量分析、三相不平衡分析、變壓器溫度分析等（當月、上月、環比，本年、去年、同比等）。

e.完成配電站10kV、變電站0.4kV回路的電能消耗統計和報表，實現對變電站能耗使用相關數據的分析與查詢（峰平谷查詢、能耗同比環比分析、用能結構分析與查詢等）。

2系統實施方案

根據項目實際需求及實際情況，定制設計一套廠區用電監測平臺，采用B/S架構。廠區用電監測系統的架構是不同軟硬件交互的界面層級，按照主要功能劃分為以下3個層級。

1. 現場設備管理層：實現電氣系統的基本現場保護、監測、控制層級功能，主要由現場多功能電表、物聯網表、物聯網監測模塊和采集器等設備組成；該層級設備用以實現電力系統的計量、信息監測功能。

2. 通信管理層：實現設備之間聯絡和通信管理，主要由交換機、以太網關設備組成；該層完成設備的基本智能化功能，是實現微電網系統信息化的基礎。

3. 應用管理層：主要實現現場信息到計算機界面的轉化，主要由計算機、專業監控軟件、打印機等設備組成；該層設備完成現場信息的數據轉換成人機界面信息，并將信息按照發生源進行分門別類分析處理。

整體的系統架構如圖1所示。

圖1電能管理與監控系統整體架構圖

2.1設備及組網

2.1.1變/配電站儀表選型

由于用戶原有電力儀表大部分為傳統的機械儀表和不具備相應電力數據采集及遠傳功能的電力儀表，為實現用戶的功能需求，需要對變/配電站的儀表進行重新精確選型并整體更換以實現數據的采集要求。本項目中選擇AEM96三相多功能電能表，該儀表是一款主要針對電力系統、工礦企業、公用設施的電能統計、管理需求而設計的智能電能表，尤其針對某些施工現場不允許停電作業的情況，具備AEM96-C三相多功能電能表方案。AEM96和AEM96-CT三相多功能電能表均集成三相電力參數測量、電能計量及考核管理，提供上24時、上31日以及上12月的電能數據統計。具有31次分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和繼電器輸出，可實現“遙信"和“遙控"功能，并具備報警輸出功能，可廣泛應用于多種控制系統、SCADA系統（數據采集與監視控制系統）和能源管理系統中。

AEM96和AEM96-CT三相多功能電能表主要具備如下功能：三相電力參數測量、電壓和電流的相角、四象限電能計量、復費率、*大需量、歷史電能統計、開關量事件記錄、歷史極值記錄、31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）、報警輸出、RS485（Modbus或DL/T645-2007《多功能電能表通信協議》）等。

根據監測要求和現場實際，整體更換配置了99臺多功能電力儀表。

2.1.2數據融合終端

數據融合終端是集數據采集、數據融合、數據上傳和邊緣計算于一體的智能設備，如圖2所示。數據融合終端具有串口、網口、LoRa、光纖等多種通信接口，并可根據現場情況靈活選擇與設備層產品的連接方式，同時支持Modbus、103、DL/T645、OPCUA、BACnet等多種通信協議，兼容性強，能采集不同類型產品的數據，并將數據壓縮、加密后上傳至平臺，并且支持本地存儲，實現斷點續傳、失電報警功能，保證數據傳輸的穩定、安全、可靠。

數據融合終端采用模塊化，集中式設計，通過集成各類元器件，方便施工接線，對終端數據進行采集和監控及數據上傳管理。根據實際現場共配置21臺數據融合終端。

2.1.3系統組網

儀表進行整體更換后，電力儀表可以實時采集各電力參數，并將采集的數據發送到配備在各變電站以及配電站的匯聚交換機，建立數據匯聚點，由匯聚交換機將數據通過能源網絡集中到能源監控中心核心交換機，通過核心交換機傳輸至能源監控服務器，中心平臺通過網絡訪問能源管控服務器。

根據組網要求，現場共布置了19臺接入交換機和1臺核心交換機，分別選用端口為16口千兆和24口千兆的交換機，布置在各配電站以及能源監控中心，組網系統圖如圖3所示。在組網光纜選型方面，考慮到傳輸距離和傳輸效率，從各變電站到配電站或監控

圖2數據融合終端

圖3外場網絡布置圖

中心均采用單模4芯光纜，配電站1至監控中心選用單模12芯光纜，配電站2和配電站3至監控中心分別選用單模4芯、8芯光纜。

2.2軟件開發

為了滿足用戶需求，船廠電能管理系統軟件開發架構選用B/S架構，即瀏覽器與服務器模式，該架構基于Web瀏覽器的計算模式，業務邏輯的實現主要依靠后臺服務器。整體架構圖如圖4所示。

在開發語言上，從開發的安全性和運行效率出發并結合船廠電能管理與監測系統的需求，選擇Java作為后臺程序開發語言，VUE作為前端腳本開發語言。軟件通過Web前端技術進行發布，通過網頁的形式展現給用戶，用戶通過瀏覽器在地址欄進行瀏覽。

數據庫概念結構設計的主要目標是實現對用戶需求進行綜合、歸納與抽象，形成一個獨立于具體數據庫管理系統的概念模型。在數據庫設計中，數據按照相應頻率自動保存到TDengine數據庫，限于篇幅，本文對時序數據庫的設計方案不再展開敘述。

圖4軟件平臺架構

2.3能源監控中心配置

船廠電能管理及監控系統中，由多功能電力儀表和數據采集器實現了電力數據的采集和數據發送功能，并由數據傳輸網絡將采集的數據匯聚到能源監控中心，能源監控中心需要接收、顯示并存儲電力數據。能源監控中心主要由服務器、顯示器、工業網絡交換機等設備組成，為保證系統正常運行，相應的配置和指標應當滿足以下要求。

2.3.1硬件配置條件

安裝系統軟件的主機需滿足如下硬件條件：

1. CPU：intel志強銀牌4210。

2. 內存：16GDDR4以上。

3. 硬盤：硬盤2~10T（固態）。

4. 顯卡：分辨率支持1280*1024、1600*900、1920*1080。

2.3.2軟件運行環境

企業能效管理平臺主要運行在微軟WindowsServer201264位（簡體中文）操作系統平臺上，Web端使用谷歌、360（極速模式）、火狐瀏覽器等訪問。

2.3.3主要技術指標

1. 遙信、遙測數據周期上傳頻率：1min、5min、10min等可配置。

2. 越限、變位等事件上傳：≤5s。

3. 通信方式：RS485、以太網。

4. 并發訪問量：≥500。

5. 歷史數據存儲：≥3年。

3系統功能

系統建成后，在能源監控中心運行船廠電能管理與監控系統軟件，各模塊功能如下。

3.1電力監控

3.1.1變/配電力綜合看板

電力綜合看板提供整個園區的用電概況、廠區電力外場平面圖和報警分析。用電概況可以顯示變配電站數量、變壓器數量、總裝機容量，以及監測點數量等相關數據，同時顯示當前總功率和今日總耗電量。電力平面圖中標注總降壓站、4座配電站及17座變電站的位置信息。報警分析內容包括普通故障、嚴重故障、發生事故。當出現事故時屏幕出現彈窗，彈窗內容告知事故發生地點以及事故類型。事故通過聲音和畫面兩方面進行實時提醒。

3.1.2變/配電站運行看板

運行看板可以展示單個配電站及變電站的運行狀況，并提供系統一次圖，各出線回路實時顯示重要的電力運行參數，示意圖如圖5所示。此外，針對變電站展示基礎信息維護，包括變電站位置、變壓等級、裝機容量、申報需量、變壓器數量等。圖中實時顯示變電站負荷曲線，并提供變電站分時段用電今日、昨日對比柱狀圖。

3.1.3電力曲線記錄

當選定變電站，電力曲線記錄顯示各回路的有功功率、電流、電壓、頻率、功率因數、無功功率、視在功率曲線，運行記錄如圖6所示。

3.1.4電力極值報表

電力極值報表展示所選變/配電站各回路功率、電壓、電流、不平衡度等參數的日極值和月極值，報表如圖7所示。

圖5變電站運行看板

圖6變電站電力曲線記錄

圖7電力極值報表

3.1.5電力運行報表

電力運行報表展示所選回路每隔5min的數據抄表值。

3.1.6整點集抄報表

整點集抄報表展示各回路所選時間節點各電參量的抄表值。

3.2電能統計

3.2.1用電集抄

用電集抄功能展示選中變/配電站回路的間隔時間內的正向有功電度用能情況，并可以通過選擇生成對應的電費，該功能模塊如圖8所示。

3.2.2用電統計

用電統計可以展示選中變/配電站回路的用能數據，可以根據不同的統計需要選擇日報、月報和年報，該功能模塊如圖9所示。

3.2.3分時段用電

分時段用電顯示選中變/配電站選中回路的選中時間段內的尖、峰、平、谷、總電量，并且根據實際用電量來計算電費情況，該功能模塊如圖10所示。

3.2.4用電同比分析

用電同比分析對選定回路年份及前一年的用能進行對比，直觀展示用能數據差異，通過柱狀圖與數據報表兩種方式進行對比，該功能模塊如圖11所示。

3.2.5用電環比分析

用電環比分析展示選中變/配電站的各回路的環比用能情況，支持按日、按周、按月的方式進行環比分析。

圖8用電集抄功能

圖9用電統計功能

圖10分時段用電功能

圖11用電同比分析功能

3.2.6分組用電統計

分組用電統計展示組合定義的變/配電站的用電報表，可以根據需求對用電回路進行分類，模塊中給定了按區域統計、按分項用能統計、按部門統計等分類類別，此外可以將統計報表按日報、月報、年報展示，可以選中相應的數據生成柱狀圖、折線圖、餅圖等圖表樣式，該功能模塊如圖12所示。

圖12分組用電統計功能

4安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

4.1概述

用戶端消耗著整個電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、需求側管理等課題。

安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

4.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

4.3系統結構

4.4系統功能

4.4.1實時監測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態，以及有關故障、告警等信號。

4.4.2電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

4.4.3詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變為手形，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4.4.4運行報表

系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、時間或選擇查詢更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

4.4.5變壓器運行監視

系統對配電系統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

4.4.6實時報警

系統具有實時報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監測，并根據事件等級發出告警。系統報警時自動彈出實時報警窗口，并發出聲音或語音提醒。

4.4.7歷史事件查詢

系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

4.4.8電能質量監測

系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續性的監測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監測功能的電力儀表，不需要可刪除。

4.4.9遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

4.4.10用戶權限管理

系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.4.11通訊狀態圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

4.4.12視頻監控

視頻監控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

4.4.13用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。

4.4.14APP支持

電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

4.5系統硬件配置清單

5結語

船廠電能管理及監控系統在應用過程中，能實現用戶需求分析中所需要的功能，可以實現對10kV系統的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等電參量的實時監控，對異常值進行告警，并生成相應的報表；可以實現對配電站10kV、變電站0.4kV回路的電能消耗統計和報表，實現對變電站能耗使用相關數據的分析與查詢。

除介紹的相關功能，經過深入調研發現：某些船廠由于功能擴建或者新建設施，新增的用電設備容易使得船廠用電超容，影響供電系統的可靠性。結合本系統的功能，進一步開發相關軟件功能研究船廠負荷特性，進行船廠用電負荷調配對于緩解船廠供需矛盾、安全穩定運行具有重要意義。

【參考文獻】

1. 王帥.船廠電能管理及監控系統建設方法與應用研究.

2. 黃龍.基于Web的船廠能耗管理系統研發[D].廈門:集美大學,2017.

3. 劉夢柳.造船廠能源管理系統設計[D].大連：

4. 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介：黃琴，女，現任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理系統的研發與應用。