摘 要：介紹了電力負(fù)荷智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程及最終方案的確定，并分析了其實(shí)際應(yīng)用的效益。
關(guān)鍵詞：負(fù)荷控制； 現(xiàn)場監(jiān)控； 遠(yuǎn)程瀏覽
1 問題的提出
針對我國目前的缺電情況，鋼鐵企業(yè)和其他一些用電大戶實(shí)施電力需求側(cè)（ＤＳＭ）電腦智能管理，在一定程度上能在峰平時(shí)段減少對電網(wǎng)的需用負(fù)荷，能適當(dāng)緩解目前的缺電狀況，企業(yè)也能減少用電需量費(fèi)用支出。
電力需求側(cè)（ＤＳＭ）電腦智能管理系統(tǒng)可以自動檢測電力、電量和電壓質(zhì)量，為用戶開展能源審計(jì)，調(diào)整用電負(fù)荷，提高用電負(fù)荷率，實(shí)行均衡用電、節(jié)約用電、減少電費(fèi)支出，提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。
中國南車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車車輛廠（以下簡稱戚廠）作為用電負(fù)荷較大的企業(yè)，有5臺大功率電弧爐，負(fù)荷疊加所產(chǎn)生的短時(shí)用電需量負(fù)荷增加，對電網(wǎng)帶來一定沖擊影響，企業(yè)也為此支出高需量的電費(fèi)費(fèi)用。
針對這一情況，戚廠于2005年初立項(xiàng)正式確定實(shí)施《電力負(fù)荷智能監(jiān)控系統(tǒng)》項(xiàng)目，項(xiàng)目于2005年7月完成，并投入運(yùn)行。通過一段時(shí)間的運(yùn)行情況看，該《電力負(fù)荷智能監(jiān)控系統(tǒng)》項(xiàng)目運(yùn)行正常，峰平谷時(shí)段的電力需量控制精度非常準(zhǔn)確，利用該控制系統(tǒng)能削峰填谷，使電力負(fù)荷曲線平衡，既減少了本企業(yè)的需量電費(fèi)，又能減輕電網(wǎng)高峰用電負(fù)荷。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
立項(xiàng)伊始，為了充分挖掘系統(tǒng)的功能，我們征求了各方面的需求，最終對監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能達(dá)成如下共識：
(1) 監(jiān)測電力系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)（有功功率、無功功率、電壓、電流、功率因數(shù)），并提供參數(shù)報(bào)警功能。
(2) 提供運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線，可以查閱和打印。
(3) 廠內(nèi)任何一臺電腦，只要聯(lián)入戚廠以太網(wǎng)，使用IE瀏覽器就能瀏覽現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
(4) 具備自診斷功能，終端通訊異常，能夠提供報(bào)警。
(5) 提供負(fù)荷運(yùn)行需量實(shí)時(shí)曲線及趨勢分析。需量按1分鐘滑動時(shí)間計(jì)算，并且畫面可設(shè)定需量計(jì)算的時(shí)間。
(6) 提供鑄鋼和鑄鐵的實(shí)時(shí)需量曲線，并獲得每月的最大需量值?？梢栽O(shè)置結(jié)算日期。
(7) 負(fù)荷超過設(shè)定最大需量時(shí)，預(yù)先提供報(bào)警。
(8) 能夠?yàn)橛?jì)算中心提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口。
(9) 鑄鋼車間能夠可靠瀏覽控制需量所需的畫面，并獲得需量越界的報(bào)警
(10) 根據(jù)報(bào)警類型的不同，有不同的報(bào)警聲音。報(bào)警可以設(shè)置暫時(shí)關(guān)閉。
3 戚廠電力系統(tǒng)現(xiàn)狀
戚廠的供電系統(tǒng)由供電局的兩路35KV進(jìn)線通過北廠降壓站降壓后通過南北廠兩個(gè)開關(guān)室集中送往全廠。由于南北廠距離較遠(yuǎn)，直線距離大概有1公里左右，曲線距離就更遠(yuǎn)了；而北廠降壓站與開關(guān)室則相距較近，約120米左右，所以初步確定在南北廠各設(shè)立一個(gè)現(xiàn)場采集站，彼此通過工廠現(xiàn)有的局域網(wǎng)相連，雖然沒有專用網(wǎng)絡(luò)的可靠程度，但可以極大的降低工程成本。由于鑄鋼車間是負(fù)荷控制的關(guān)鍵，它及時(shí)可靠的了解工廠負(fù)荷的變化情況，并及時(shí)采取措施規(guī)避高負(fù)荷是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵所在，所以在鑄鋼工段設(shè)立了一個(gè)瀏覽終端，它同樣連入工廠局域網(wǎng)內(nèi)，可以隨時(shí)獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場數(shù)據(jù)需要在工廠局域網(wǎng)上發(fā)布，以便其他用戶瀏覽，為此，南北廠現(xiàn)場采集站必須確定一個(gè)作為服務(wù)器。南廠站采集的數(shù)據(jù)較北廠站要少很多，本來從負(fù)荷平衡的角度考慮，南廠站作為服務(wù)器是很自然的，但由于如下因素：
(1) 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量太大會受到工廠網(wǎng)絡(luò)的制約，使網(wǎng)絡(luò)情況惡化。
(2) 工廠網(wǎng)絡(luò)有時(shí)候會出現(xiàn)中斷的情況，如果出現(xiàn)這種情況，會有大部分?jǐn)?shù)據(jù)無法匯集到服務(wù)器，影響歷史數(shù)據(jù)的完整。
(3) 北廠站離鑄鋼車間比較近，從局域網(wǎng)的角度考慮是處于同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，如果服務(wù)器設(shè)在北廠站，他們之間的通訊中間環(huán)節(jié)少，會更可靠。
所以綜合以上考慮，我們決定將服務(wù)器設(shè)置于北廠站。
4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站
從供電局送來的35KV電降壓后經(jīng)開關(guān)室輸送到全廠各分變電室，我們需要采集從高壓柜送到變電室的電纜上的電氣參數(shù)（有功功率、無功功率、電壓、電流、功率因數(shù)），從而可以獲得電力系統(tǒng)運(yùn)行情況的第一手資料。
根據(jù)工廠實(shí)際情況，我們共確定了23個(gè)數(shù)據(jù)測量點(diǎn)，每個(gè)測量點(diǎn)都是三相三線制系統(tǒng)，有9個(gè)電氣參數(shù)（均為模擬量）需要測量。由于工廠的電力系統(tǒng)都是高壓系統(tǒng)，都配有電壓互感器和電流互感器，把一次信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～100V的電壓信號和0～5A的電流信號，所以我們僅需考慮如何測量這兩種信號。下文闡述數(shù)據(jù)測量方案的選擇。
4.1 采用PCI數(shù)據(jù)采集板卡
每塊板卡可以采集8～16個(gè)模擬量，甚至更多，如果搭配開關(guān)量輸入輸出板卡，則可以極大的提高采集通道的利用率，節(jié)省很大的成本。采用PCI數(shù)據(jù)采集板卡的采集過程示意圖見圖1。
由于:
(1) PCI數(shù)據(jù)采集卡不能直接采集我們現(xiàn)在的信號，信號需要經(jīng)過調(diào)理?，F(xiàn)場接線很復(fù)雜。
(2) PCI數(shù)據(jù)采集卡只能插在計(jì)算機(jī)里，而現(xiàn)場信號源離計(jì)算機(jī)有幾十到一百五十米的距離，模擬信號經(jīng)過這樣傳輸，勢必會嚴(yán)重衰減，影響測量精度。而且模擬信號的傳輸距離長會耗用大量線材，增加很大成本。
(3) PCI數(shù)據(jù)采集卡采集電壓電流信號比較容易，但要獲取有功、無功、功率因數(shù)等參數(shù)就比較困難，如果強(qiáng)行要這么做，一是會極大地增加計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，很不現(xiàn)實(shí)，二是系統(tǒng)太復(fù)雜，可靠性太差。
為此，采用PCI數(shù)據(jù)采集板卡的方式，導(dǎo)致系統(tǒng)變得很復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性和測量精度都很差，成本相對較低。
4.2 采用電量采集傳感器采集數(shù)據(jù)
一個(gè)數(shù)據(jù)需要一個(gè)傳感器，采集后信號成為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，這還不能直接傳給計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場必須配有數(shù)據(jù)采集器，將之轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，通過總線被計(jì)算機(jī)接受。這樣每個(gè)點(diǎn)需要9個(gè)電量采集傳感器，大約900元，數(shù)據(jù)采集器還不算在內(nèi)。另外由于信號傳輸需要較多的線材，接線也比較麻煩，特別是功率變送器和功率因數(shù)變送器接線復(fù)雜而重復(fù)，安裝工作量多而復(fù)雜。總體來說這種方式可以用，但不是最好。采用電量采集傳感器采集數(shù)據(jù)的過程示意圖見圖2。
4.3 采用電力綜合數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)
這種方式結(jié)構(gòu)最簡單，接線也簡單，安裝簡便，通過一根雙芯屏蔽線與計(jì)算機(jī)相連。系統(tǒng)可靠性高，事后維護(hù)簡單。按成本計(jì)算一個(gè)模塊大約900元，與前面兩種基本相同，如果使用更好的帶現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示的儀表則成本太大，約2000元。但是如果模塊壞的話，那只能更換整個(gè)模塊，單次維修成本較高。采用電力綜合數(shù)采模塊采集數(shù)據(jù)的過程示意圖見圖3。
從實(shí)施成本、方案可行性、系統(tǒng)易維護(hù)性和系統(tǒng)安全性等方面綜合分析，以上幾種方式，第三種方式最佳。
5 確定方案
電力綜合數(shù)采模塊我們選用了山東力創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的EDA9033智能電量變送器，該產(chǎn)品經(jīng)調(diào)查性能可靠，有成熟的設(shè)備驅(qū)動程序，便于軟件組態(tài)，價(jià)錢也比較便宜。
軟件方面我們選用了北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司的組態(tài)軟件MCGS，該軟件在我們工廠有成功應(yīng)用的先例，而且滿足我們需要網(wǎng)絡(luò)版的要求。
該方案的優(yōu)越性為：
(1) 方案集成度高，緊湊簡練，便于維護(hù)；
(2) 先進(jìn)的三層體系結(jié)構(gòu)，下位機(jī)-----服務(wù)器-----客戶端，流行的瘦客戶機(jī)機(jī)制，廠內(nèi)計(jì)算機(jī)只要連入工廠局域網(wǎng)，無須安裝專門軟件利用IE瀏覽器就可以瀏覽現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
該方案的安全性為：
(1) 該方案與供電局遠(yuǎn)動系統(tǒng)相互獨(dú)立，互不影響；
(2) 系統(tǒng)信號從二次顯示回路中取得，電流通過終端內(nèi)置電流互感器獲取，采用電磁隔離和光電隔離技術(shù)，電壓輸入、電流輸入及輸出三方完全隔離
(3) 即使考慮最壞情況，本系統(tǒng)癱瘓，亦不會影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行
根據(jù)上述分析，最終確定方案見圖4：
6 實(shí)施后的效益分析
本項(xiàng)目2005年實(shí)施后至今運(yùn)行良好，并且取得了極好的效益。
6.1 直接經(jīng)濟(jì)效益
依據(jù)供電公司用戶電費(fèi)統(tǒng)一發(fā)票（2005年5月最大需量為19740；2005年11月最大需量為18228），戚廠用電最大需量在項(xiàng)目投運(yùn)前后降低1512 kW，而2005年5月至2005年11月戚廠增加電力負(fù)荷約1000kw左右，實(shí)際降低最大需量2512kw，全年減少基本電費(fèi)支出90.432萬元。
6.2 間接經(jīng)濟(jì)效益
依據(jù)曲線對比，峰時(shí)段避峰讓電有效時(shí)間以每天1.5小時(shí)計(jì)，則每天移峰填谷電量可達(dá)2512kW×1.5h=3768kWh。
谷電價(jià)與峰、平電價(jià)平均降低值為：
[（0.882－0.236）+（0.529－0.236）]÷2=0.4575元/ kWh。
則每天減少電度電費(fèi)支出=0.4575元/ kWh×3768kWh=1723.9元。
考慮到上夜班人數(shù)增加，每天多支出575元費(fèi)用，則每天減少電度電費(fèi)以1148.9元計(jì)，全年減少電度電費(fèi)支出：
1148.9元/天×300天=34.46萬元。（鍛鑄分廠近幾年一直單休。）
兩項(xiàng)合計(jì)，全年減少電費(fèi)支出=90.432萬元+34.46萬元=124.89萬元。
一年內(nèi)即可收回投資。
6.3 管理效益和社會效益
(1) 為工廠加強(qiáng)用電成本管理，創(chuàng)造了必備的條件。對工廠進(jìn)一步降低電成本從技術(shù)平臺上有了很大的提高，提供了現(xiàn)代化的技術(shù)輔助手段。
(2) 為強(qiáng)化供用電設(shè)備管理，提供可靠的分析依據(jù)。在該項(xiàng)目的實(shí)施過程中，供電、用電單位各級人員在工廠電成本的構(gòu)成上都是有了很大的了解，有利于控制成本。
(3) 該項(xiàng)目的實(shí)施有利于管、供、用單位形成統(tǒng)一，充分、合理地降低電成本，從過去的被動管理到現(xiàn)在的主動管理。通過現(xiàn)在的技術(shù)手段，用電單位在線了解用電指標(biāo)，可以算了再用，改變了用了再算的做法。
(4) 社會效益。移峰填谷的電負(fù)荷，相當(dāng)于效能電廠的發(fā)電負(fù)荷，可減少電力設(shè)備、設(shè)施的投入。
(5) 電網(wǎng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)、合理。