1． 概述
降低工礦企業、基建和商業大樓的能源消耗，實現節能，節電，經濟運行已成為企業經理和管理人員的熱門話題。采用節能產品，用信息化和透明化技術管理配電系統是技術發展的必然的趨勢。西門子基于工業自動化和網絡技術的優勢，提出了全集成電能管理（Totally Integrated Power，簡稱TIP）的理念，提供了完整的解決方案如圖1，包括：配電產品、配電設計工具軟件和電能管理系統。西門子信息化電能管理解決方案是通過實時采集相關的電力參數，用信息來管理配電系統每一個節點的用電負荷，有效地控制和優化電能的消耗。西門子信息化電能管理系統可以廣泛應用在工礦企業，商業建筑，市政及基礎設施。使用信息化電能管理系統的目的在于節能、省電、省錢。
圖1 TIP解決方案概覽
2． 電能管理系統架構
信息化電能管理系統采用分層分布式設計思想，整個系統大體分為三層：現場設備層，PLC數據處理層和運行監控層。系統架構如圖2所示。
圖2 電能管理系統架構
2.1 現場設備層
在現場設備層，通過PROFIBUS總線，集成具有通信功能的智能線路保護設備和測量設備。如SENTRON 3WL和3VL系列斷路器；SIMEAS-P多功能測量設備和電能表；SIMOCODE智能電動機控制與保護裝置；SIPROTEC中壓綜合繼電保護裝置；ET200S數據采集與控制裝置等。
2.1.1 中壓綜合繼電保護
中壓綜合繼電保護裝置SIPROTEC系列是一種集保護、測量、控制、故障錄波、顯示和通信于一體的綜合繼電保護裝置，其主要功能如下：
l 保護功能：過流、速斷、接地、零序電流、中性點接地過流、過負荷、負序過流（不平衡電流保護）、過/欠電壓、重合閘、溫度保護等?？梢造`活的應用于中壓系統的饋線保護，變壓器保護，以及中壓系統中大量應用的電機保護。
l 測量功能：電壓、電流、功率、電能、頻率、功率因數、諧波含量等。
l 控制功能：分/合閘，重合閘控制報警等。無論是遠方還是就地控制，通過密碼權限管理，保證系統和人員的安全。
l 監視功能：有LCD屏幕顯示測量數據等。
l 邏輯編程功能：綜合保護裝置中內置有CFC邏輯編程功能，可以為不同的應用場合提供靈活的調整和運用，以實現告警以及聯閉鎖等功能。
l 靈活豐富的通訊功能：保護裝置集成了IEC 60870-5-103, Profibus, Modbus, DNP3.0, IEC 61850等規約。
2.1.2 低壓重要饋線回路監控
針對重要的低壓饋線回路，比如變壓器低壓側出線、低壓母聯等，西門子提供了SENTRON 3WL系列斷路器方案。SENTRON 3WL采用了一致的模塊化結構，通過3WL內部的系統總線能夠和電子脫扣器ETU45B、ETU55B和ETU76B連接通信，通過和COM15通信模塊實現了Profubus通信能力。具有通信能力的SENTRON 3WL斷路器能夠完成如下4遙功能：
l 狀態量：開關分/合信號，脫扣信號，儲能機構儲能信號，合閘準備就緒信號，欠電壓脫扣信號。
l 模擬量：電流，電壓，功率，電能，功率因數，頻率，以及它們的最大值/最小值，斷路器溫度，同時還具有諧波測量和故障錄波功能。
l 遠程分/合斷路器。
l 遠程參數整定能力。
2.1.3 低壓一般饋線回路監控
針對一般饋線回路，比如，一般的低壓出線回路，西門子提供了SENTRON 3VL系列斷路器方案。SENTRON 3VL通過COM10通信模塊或者SEMEAS P表實現了Profibus通信。和SEMEAS P表組合的SENTRON 3VL斷路器能夠完成如下4遙功能：
l 狀態量：開關分/合信號，脫扣信號，帶脫扣原因、操作電流和時標的脫扣信號，告警信號，帶時標的告警信號。
l 模擬量：電壓，電流，有功，無功，視在功率，功率因素,系統頻率，相角，有功電度，無功電度,電壓和電流的不平衡度，以及諧波測量和電壓和電流的波形畸變THD。
l 遠程分/合斷路器。
l 遠程參數整定能力。
另外，也可以采用智能I/O模塊采集斷路器3VL的模擬量和狀態量以及實現斷路器3VL分/合控制。
2.1.4 電動機回路監控
針對電動機保護與智能控制，西門子提供了SIMOCODE-DP解決方案。SIMOCODE-DP系統能夠保護額定電流范圍從0.25至820A的單相或者三相電機等電氣設備，具有過載、不平衡電流、相線故障、接地故障、轉子堵轉保護功能。通過以下兩種途徑可以實現SIMOCODE-DP的在線修改參數、診斷和調試。一種是在當地，通過RS-232系統接口進行點對點通信，使用Win-SIMOCODE-DP/Smart實現SIMOCODE-DP的在線參數分配、操作、監控和測試。另外一種在控制中心使用OM-SIMOCODE-DP，通過Profibus通信，遠程實現SIMOCODE-DP的在線參數分配、操作、監控和測試。能夠獲取的遙測量有三相電流、啟動次數、脫扣次數、設備運行小時數等；遙信量有運行狀態、故障信息等。
2.2 PLC數據處理層
PLC數據處理層位于現場設備層和運行監控中心層之間，主要完成上下層之間的網絡連接轉換和信息的處理交換。通過PROFIBUS現場總線，把采集的數據傳送到PLC數據處理層，對數據作規范化預處理，處理的數據與時標相對應，并可在數據緩沖區中儲存一周。PLC獲取和處理的數據有選擇性地上傳到控制中心，以便于集中監視現場工況信息；同時，下達來自于控制中心的遙控和遙調信息給現場設備層的各類智能設備及儀表。通過組態編程，PLC能夠自動控制現場設備層的智能設備。
2.3 運行監控中心層
操作與監控中心硬件配置根據用戶的實際需求，可以配置出靈活豐富、功能強大的系統，比如，考慮冗余情況，配置主備數據庫服務器、主備前置機、操作員工作站、WEB服務器等，基于控制中心系統的安全，系統還可以配置不同的網段。監控中心軟件由WinCC開發出友好的人機界面。配電實時工況信息以曲線、表格以及參數化處理后的數據進行顯示，也可顯示整個系統的數據。系統對重要的信息進行存盤歸檔，同時，提供靈活豐富的報表功能，用戶可以依據實際需求靈活自定義報表。因此，管理人員在控制中心利用透明化的能源管理來進行有效地分析和決策，實現節能、省電、降低運行成本。
3．電能管理系統特點
l 增加了從電源設備到各類終端負載電能消耗透明度，優化運行成本。
l 可依據電能需求模式和要求，更精確，有效和經濟地購買電能。
l 采用分析診斷，定向服務/維護等手段，優化開關設備的性能和用電負荷。
l 系統為開放式和模塊化結構，故系統的集成，組態，擴展更靈活。
4．電能管理主要功能
信息化電能管理解決方案是根據配電系統現狀和發展趨勢的研究而提出的。它能分析電能分配與各類負載消耗電能的全過程。目的就是從能源消費的觀點管理和配置配電系統，降低運行費用。不論是工業廠房還是商業建筑，基本追求的目標是合理、有效和經濟地使用電能，減少電能的消耗，最大限度地降低電能的費用。
4.1 集中監視和透明化管理
通過集中監視，系統提供了實時在線的能源消耗數據。系統可按不同的區域不同的時間生成用電報表，自動計算單位能耗，有利于改進成本。通過靈活的負荷曲線，除了能夠獲取實時負荷外，還能進行歷史趨勢分析，有效地優化重要負荷的能耗。工礦企業的操作員通過視窗人機界面對配電系統進行可視性操作和有效地管理如圖3。每一臺線路保護開關均可以在控制室（或本地）進行分合操作?？梢暬倪h程操作毫無疑問地增加了系統和操作人員的安全性。當我們制定預防性的維護和檢修計劃工作同時，可依據操作信息及列表文件提供的有價值信息，有效地為每一臺開關裝置和設備組織有針對性的維護和檢修工作。例如，開關操作信息清單詳細記錄了設備的操作次數以及保護動作，故障切斷電源的次數，同時給出了下次應進行維護和檢修的時間和內容。開關保護裝置必須進行檢修時，可以通過SMS方式直接把維護和檢修的時間和內容傳輸給維護人員，今后，也可以通過WAP（網上協議）來傳送。預防性的維護和檢修計劃意味著能保證連續供電，減少了昂貴的停電時間。
4.2 負荷管理
與供電局簽訂的供電合同中的有關電耗指標，可以通過軟件的“負荷管理”功能優化如圖4。通過實時的負荷曲線和歷史負荷曲線趨勢分析，可消除或避免高峰用電，或不履行供電合同而招致的罰款。按負荷重要性的列表文件管理負荷，通過自動控制，切換或卸負荷等手段，使系統按合同的電耗指標經濟運行。
4.3 成本管理
成本管理如圖5所示，自動采集電能消耗的定量信息，與各類負荷相對應。這意味著，每一個負載均建立獨立賬戶，從該賬戶中很快地得到耗電量，電費等詳細的表格數據信息，同時，還能夠統計成本帳單中能源中斷供應的時間和百分比。
圖5 成本管理
4.4 電能質量
大量工業要求連續可靠供電，盡可能地減少電網對用戶的干擾，要求提供合格的電能也越來越被廣大的低壓用戶采納。有關電能質量的國家標準已經陸續出版，電能的質量指標如“供電電壓的允許偏差”，“公用電網諧波”，“三相電壓允許的不平衡度”以及“電壓波動和閃變”等，必將是電力公司與用戶簽訂供電合同的主要內容之一。
電能質量不合格(或不符合要求)通常指供電電壓的幅值變化，波形畸變和頻率偏移等超過電能質量標準規定的指標。不合格的電能質量有時還表現為功率因數低，無功損耗大或供電可靠性差等。
西門子斷路器3WL的增強型測量功能模塊F05能夠測量配電系統的29次諧波，同時，還具有瞬態波形記錄功能。通過諧波測量，不但能夠分析電網質量，而且還可能找到故障失常的原因，以便于減少或者消除失常現象。和斷路器3VL通信的SEMEAS P表同樣具有21諧波測量功能。圖6為SEMEAS P表測量的諧波顯示。功率因數的監測管理，有助于在不同的區域自動或者手動投切電容器組，提高功率因數。因此，通過現場設備的諧波測量以及瞬態波形記錄，在控制中心能夠對這些測量值以及事件進行系統地分析，有利于發現電網中存在的問題以及采取相應的措施，來提高電能質量和用電水平。
圖6 諧波顯示
5．應用案例
信息化電能管理系統以Profibus總線將現場各類設備采集的信息上傳到PLC，同時，PLC和控制中心之間通過Profinet實現通信，快速交換信息，這樣就構成了一個完整的分層分布式配電電能管理系統。圖7為北京西門子大樓配電系統原理圖，系統采用Siemens WinCC作為上位監控軟件，在監控中心實現電能管理功能。Siemens PLC作為各個監控分區的中央控制器，通過Profibus總線，利用COM15通信模塊實現斷路器3WL的4遙功能；同樣，使用SIMEAS P表和斷路器3VL組合也實現4遙功能，從而全面實現對低壓系統的一體化綜合監控，具有實時數據采集、一次接線圖顯示、參數設置、事件報警記錄、曲線棒圖、報表打印、故障智能分析及與上級計算機聯網等基本功能和其它高級電能管理功能。
圖7 北京西門子大樓配電原理圖
6．小結
信息化電能管理系統是西門子全集成電能管理的重要組成部分。它采用分層分布式設計思想，為工礦企業、商業大樓等用戶提供了配電系統的透明化監控，通過負荷管理、成本管理、電能質量分析等手段為管理人員提供了豐富的決策參考信息，有利于管理人員對能源管理進行正確的分析和作出明智的決策，有效地優化和控制能源消耗，最終實現節能、省電、經濟運行。