安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要: 針對制造業智能制造升級改造過程中，設備電能監控管理的需求，提出一種基于工業互聯網理念的設備電能監控系統的架構體系，研究系統的網絡架構以及平臺架構，進行電能監測，系統功能、系統界面的設計與開發。該系統采用智能電表監測設備的電能參數，通過數據采集平臺把電表的 Modbus 協議轉換成MOTT協議，并上傳到云平臺。在某工廠實際場景下，進行系統的安裝部署及應用，實現設備電能參數的實時采集、監控與統計分析，實現該工廠的設備、產線、車間用電的*確計量，提高了設備用電統計分析效率，有效地支撐了工廠電能管理、用電優化，提高機器生產效率。該系統具有建設成本低、容易實現、運行可靠利于復制推廣的優點，可以基于工業互聯網平臺積累數據，進一步挖掘分析，構建能耗優化模型，實現工廠電能的智能管理。
關鍵詞: 電能監控；工業互聯網；電能管理；能源管理；云平臺；工業互聯網平臺
0引言
在我國的能源消耗中，企業是能源消耗的大戶，企業能源消耗量占全國能源消耗總量的70%左右。電能消耗，是企業生產的主要成本，降低用電成本，是生產過程的主要關注點之一。建設一個集中統一的工廠電能監控系統，已成為近年研究的熱點。通過獲取機器詳細用電數據，電能監控系統可實現對生產設備電能的集中采集、監控、計算、分析及處理，以直觀的數據和圖表向管理人員或者決策層展示設備能耗情況，便于找出高耗能點和不合理的耗能習慣，有利于電能消耗的*確分析與優化，有效節約能源，從而在企業能源平衡、調度與優化、設備運行與能源管理等方面發揮重要作用。
近年來工業互聯網發展日趨成熟，它融合了先進制造技術以及互聯網、云計算、物聯網、大數據等信息技術，是一種新型的網絡化制造服務模式，是工業互聯的信息*樞，是制造業與互聯網融合的新型基礎設施在智慧工廠建設或企業智能制造升級改造中，工業互聯網正逐步應用于設備管理、生產過程控制、供應鏈管理安環管理!3-61等環節。本文將工業互聯網的設計理念應用于設備電能監控系統，研究了基于工業互聯網的工廠設備電能監控系統的架構體系，設計與開發了該系統，并在實際工廠中開展應用，實現了工廠設備電能的實時采集監控及處理與分析，有效地支撐了設備電能優化應用，優化生產計劃，提高生產效率、機器效能，降低用電成本。
1 架構設計
1.1 網絡架構
該系統的網絡構架如圖1所示，由設備監控網、車間局域網、企業級網絡組成。設備監控網主要負責設備層級聯網，是指現場總線、工業以太網、Loral/WiFi/5G等設備層級局域網;車間局域網一般是以太網、光纖通信網或5G專網構建的車間級的監控網絡；企業生產網是為企業生產與辦公設計的以太網或光纖通信網。
在*點高耗能設備上安裝智能電表，在車間或產線側部署數據采集終端，采集電表中的電能參數并發送至云端，云平臺接收設備電能數據后，進行處理、存儲與展示分析。
1.2 基于工業互聯網的系統平臺架構
基于工業互聯網架構設計理念17-201設計的電能監控系統平臺架構如圖2所示，分別由邊緣層、基礎設施層(IaaS)、工業平臺層(PaaS)、工業應用層 (SaaS) 及工業安全防護模塊組成。
邊緣層面向工廠設備、傳感器接入與數據采集而設計，在能源監控管理系統中，主要負責接入各類能源消耗相關傳感器和儀表并采集數據。
IaaS層是虛擬化的計算、存儲、網絡基礎設施資源可以通過 OpenStack、VMware 等軟件自行搭建，或者選用華為云、阿里云等商業云搭建。
PaaS層主要包含中間件、通用PaaS平臺、工業建模和數據分析、應用開發、工業微服務庫等模塊。其中中間件提供電表接入、數據接收、預處理及存儲服務通用PaaS平臺模塊提供基礎資源的管理與運維能力;工業建模和數據分析模塊提供電能模型、設備建模、工廠建模等的建模與分析能力;應用開發與工業微服務庫模塊提供平臺工具支撐系統的開發、運行與管理。
SaaS層為微服務化部署的設備電能監測、產線電能監控、能耗預警、電能統計分析、電能對比分析、能耗優化分析等應用，支撐工廠電能全要素、多維度的監控實現數據驅動的分析改善，助力電能管理優化。
2 電能監測
2.1 電能監測點
工廠中用電消耗關注點主要為高能耗的設備、產線車間，通用輔助設備、設施及工廠等。首先需對工廠全域進行電能監測點的統計。某工廠電能監測點統計示例如表1所示。
2.2 智能電表選擇
工廠設備常用380 V三相電，考慮設備電能監測需要高精度、高質量、安全可靠和經濟實惠，且外形緊湊具備通信接口，易于安裝的需求，本文選擇安科瑞三相電能表ACR230ELH/ACR330ELH進行設備的電能監測它是針對電力系統、工礦企業、公共設施等的電能監控需求而設計的，符合 Class 0.5S/Class 1精度標準，具有三相交流有功功率、無功功率和視在功率測量與顯示具有 RS485 通信接口(Modbus RTU協議)，可用于供電質量的綜合監控診斷以及電能管理。
2.3 電能數據采集
首先，通過串口服務器USR-N580-H7 連接智能電表，實現RS485-以太網接口轉換，將電表接入設備監控網中。然后，采用工業網關、SCADA或數據采集軟件實現電表參數的采集。由于電表的通信協議為 ModbusRTU，其協議棧簡單，考慮低成本、自主可控因素，本文利用自行開發數據采集平臺，進行設備的電能采集。
3 系統設計
3.1 系統功能設計
電能監控系統的功能框圖如圖3所示。系統主要實現數據采集與處理、系統建模、數據展示與分析、能耗預警、權限控制等功能.
(1) 數據采集與處理。在各用電計量節點及重要耗電設備的配電柜荃癌傲憊斑艾挨卑啊奔耙豹愛豹拆斃滁胺班苞襖奔榜苞堡報內安裝智能電表，進行電能參數的監測，利用邊緣側的數據采集平臺把電能參數發送到云端，云端中間件接收電能參數數據，進行數據的解析、處理與存儲。
(2)系統建模。系統建模包括工廠建模和設備建模工廠建模是指根據實施規劃，進行工廠的實體建模，配置好工序、車間、工廠、基地、集團等關系，并按照管理要求構建用電成本中心;設備建模是指創建設備類型設備屬性、設備配置，并實例化現場設備，包括:智能儀表、車間配電柜、網絡設備等。
(3) 數據展示與分析。能源圖表以所建模型為原型將相關點設備數據及實時電能參數在模型上打點，顯示實時采集數據值和電能流向，并以顏色差異提供初步狀態提示，能按產線、按區域、按設備類型、按時段展示與分析，查詢設備的實時電能參數與狀態、歷史數據數據曲線，生成分析報表等。
(4)能耗預警。設置系統中的報警類型以及報警之后對應的應對措施。當設備發生能耗異常報警，以短信微信、郵件、頁面消息等方式通知到對應的責任人。
(5) 權限控制。主要是部門、角色、用戶、菜單的系統賬號及賬號的權限管理。
3.2 系統界面設計
(1)設備電能監控界面
系統通過監控界面進行數據展示與分析，設備電能監控界面如圖4所示，主要實現設備、產線、車間的電能參數的實時監控與展示。
(2)設備電能統計及趨勢分析界面
以一臺 (套)機器的能耗作為分析對象，依據機器的性能及技術參數，結合生產運行數據，對機器的電能數據建模計算分析，以可視化的圖表，展示機器的性能及生產運行是否經濟、高效，生成計劃、維護、維修建議，讓機器保持高效運行。設備電能統計及趨勢分析界面如圖5所示。
(3)廠區/車間/產線能耗對比分析界面
系統能實現以時間為維度，查詢與展示生產和非生產時段的設備、產線、車間的耗能情況以及趨勢，能夠進行電能數據分析、統計，可以展開廠區、車間、產線能耗同比、環比、量化對比分析。廠區、車間、產線能耗對比分析界面如圖6所示。
通過統計分析，整體把握工廠能耗情況，并與上一周、月或年的數據做橫向對比，可結合產量，將能耗預分配到一個單位的產品耗能上。在此基礎上細分，可下分到產線、班組、工位等。以此可分析出企業整體耗能情況，*點耗能區域，做總體量化自身趨勢分析。根據不同的方式和算法進行分析處理，挖掘出其中的某種規律并給出節能優化建議，提供給管理人員作為參考決策實現工廠電能的優化管理。
4系統實施
4.1智能電表安裝部署
在某工廠現場實際設備的控制柜中安裝電流互感器與智能電表。通過安裝電流互感器感應回路中電流的大小，智能電表與電流互感器連接，進行回路電流、電壓、功率、電耗等電能參數的監測，來獲取車間、產線、機器的電能參數。
4.2系統配置
智能電表配置參數:協議ModbusRTU，波特率9600停止位1位，偶檢驗;串口服務器USR-N580-H7的配置參數是通信方式設置為雙向透明傳輸，其他參數設置與智能電表相同:參數配置完成后，需要給智能電表串口服務器重新上電，實現重啟。
4.3系統具體應用
某工廠中實際場景下部署的設備電能數據采集平臺如圖7所示。系統實現了 75臺智能電表的電能參數監測與采集，并以MOTT協議把采集到的電能參數上傳云端。
電能監控系統實際應用中的 WEB 界面(部分截圖) 如圖8所示。實現設備電能參數的實時采集、監控與統計分析，實現該工廠的設備、產線、車間用電的*確計量。
在該工廠的實際應用中，通過設備電能監控系統實現了設備電能數據統計分析效率提高 300%，有效地支撐了工廠電能管理、用電優化。結合設備生產運行數據系統以可視化的圖表展示機器的性能及生產運行是否經濟、高效，為生產計劃、設備維護、維修提供建議，提高機器生產效率。
5 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案
5.1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，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。
5.2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）。
5.3系統結構
5.4系統功能
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。
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。
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）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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
14）APP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。
5.5系統硬件配置清單
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 功能 |
電能管理軟件 | Acrel-3000WEB |
| Acrel-3000WEB電能管理軟件全方監視用戶配電系統的運行狀態和電量數據，為用戶提供更好的運維服務。平臺提供用戶概況、電力數據監測、電能質量分析、用電分析、日/月/年用能數據報表、異常事件報警和記錄、運行環境監測等功能，并支持多平臺、多終端數據訪問。 |
智能網關 | Anet-2E8S1 | 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協議的數據接入，ModbusT-c(主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協議上傳，支持不同協議向多平臺轉發數據;輸入電源:AC/DC 22ov，導軌式安裝。 | |
ANet-2E4SM | 4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從）、104(主、從）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模塊）輸入電源:DC 12 V ~36 V .支持4G擴展模塊，485擴展模塊。 | ||
ANet-485 | M485模塊:4路光耦隔離RS485 | ||
ANet-M4G | M4G模塊:支持4G全網通 | ||
35kV/10kV/6kV微機保護裝置 | AM6系列 | 35kV及以下配電系統線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監測/PT并列、母聯/備自投等保護。 | |
35kV/10kV/6kV弧光保護 | ARB5-M | 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，弧光保護<8組）、失靈保護(4組）、TA斷線監測（4組）、非電量保護、裝置故障告警 | |
ARB5-E | 擴展單元，可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號 | ||
ARB5-S | 弧光探頭，建議安裝地點包括（但不限于）斷路器室、電纜室、母線室，可面板開孔安裝，亦可支架式安裝。弧光探頭的檢測范圍是一個角度為180°，半徑0.5m的扇形區域。 | ||
35kV/10kV/6kV進線柜電能質量在線監測 | APView500 | 裝置1024點波形采樣，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿足110kV及以下供電系統電能質量監測的要求。 | |
35kV/10kV/6kV間隔智能操控、節點測溫 | ASD500 | 液晶屏顯示一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫濕度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕、預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4~20mA輸出 | |
35kV/10kV/6kV傳感器 | ATE400 | 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125℃，測量精度±1℃;傳輸距離空曠150米 | |
35kV/10kV/6kV間隔電參量測量 | APM830 | 三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos） ，零序電流In，四象限電能，實時及需量，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示 | |
高壓重要回路 或低壓進線柜 | APM810 | 三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序電流In，四象限電能，實時及需量，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類型及外部事件（SOE)各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示 | |
AEM96 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計;2-31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)﹔電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級 | ||
ADW300/4G | 三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量;電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量;電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量當月及上三月的電壓、電流、功率;需量及上十二月歷史需量記錄;事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄;支持4路開關量輸入、2路開關量輸出;支持4路測溫;支持1路剩余電流測量;支持本地顯示及按鍵設置;有功電能精度1級。通訊方式:支持RS485通訊、Lora無線通訊、4G通訊;WIFI通訊 | ||
0.4kV出線 | AEM72 | 三相電參量U、I、P、0、s、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計;2-31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）﹔電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級.無功電能精度2級 | |
DTSD1352 | 三相電參量u、I、P、Q、s、PF、F測量，分相正向有功電能統計，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計﹔紅外通訊;電流規格:經互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級。 | ||
ACR120EL | LCD顯示、全電參量測量(U、1、P、Q、PF、F);四象限電能計量;RS485/Modbus;可選復費率電能統計、需量統計;4DI+2DO;RS485通訊接口、Modbus 協議 | ||
照明箱 | DDSD1352 | 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;紅外及RS485通訊;電流規格:10(60）A，有功電能精度1級，無功精度2級;可選配復費率 | |
DDS1352 | 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;RS485通訊;電流規格:10(60)A，有功電能精度1級，無功精度2級;尺寸:1P | ||
電流互感器 | AKH-0.66/K型 | 開口式電流互感器 |
6 結束語
本文研究了一種基于工業互聯網平臺架構體系的設備電能監控系統，進行了系統功能、架構、電能監測以及用戶交互界面的設計與開發，并在實際工廠中落地應用，實現了工廠設備電能的實時采集、電能監控、設備用電統計分析，以及廠區、車間、產線的多維度能耗對比分析，有效地支撐了設備電能優化應用，優化生產計劃，提高生產效率、機器效能，降低用電成本。該系統具有建設成本低、容易實現、運行可靠、利于復制推廠的優點。利用工業互聯網平臺，可以積累數據，進一步挖掘分析，構建能耗優化模型，實現工廠電能的智能管理。未來系統進一步擴展，可建成工廠的水、電、汽、熱等全要素能源智慧管理系統。
參考文獻：
[1]浦漢軍，王宇華，江開放，等.基于工業互聯網的設備電能監控系統[J] .機電工程技術，2023,52(10): 166-169
[2]張利平,王航,張瑾,等.能源管理系統在離散型制造業園區項目中的設計與應用[J].工業儀表與自動化裝置,2019(6):70-73
[3]祁兵,翟天一,李彬,等.基于工業互聯網云平臺的智能用電互動模式研究[J].電測與儀表,2019,56(19):46-52
[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊 2023.07版
作者簡介：
韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。
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