浅谈船厂电能管理及监控系统设计方案与应用研究

摘要：在“双碳”目标背景下，传统造船行业通过一系列节能措施促进这一目标的实现。通过现场调研摸排船厂用电现状，分析用电特点和用户实际需求，对4座10kV配电站和17座10/0.4kV变电站进行升级改造，组建数据采集及传输网络并搭建电能管理与监控系统软件平台，实现对船厂电能的优化管理和状态监控，保证船厂的用电安全，降低船厂用电能耗，提高经济效益。

关键词：“双碳”目标；造船厂；变/配电站；软件平台；电能管理；电力监控；用电安全；节能运行

0引言

2020年的联合国气候峰会上，我国提出了力争在2030年达到碳峰值，2060年实现碳中和的“双碳”目标。围绕这一目标，国家出台了一系列的文件，指引各行各业优化产业结构，发展绿色经济，实现高质量发展。作为我国整体碳排放的重要组成部分，船舶行业采取了一系列节能减排措施，将对“双碳”目标的实现发挥重要促进作用。

传统的造船企业是用能大户，在能源利用方面存在以下问题：采集自动化水平落后，人工抄表的可靠性低，仪器仪表老化甚至损坏，无法实现计量；对企业用能管理仅凭经验，缺乏有效的数据支撑；“跑冒滴漏”等现象频繁。传统造船企业要克服在能源使用和管理等方面的弊端，采用数字化手段，加快数字化转型，打造智能船厂数字化平台，实现生产制造全过程全周期的透明、节能、安全、高效。

电力能源是船厂电、水、气三大用能之一，车间设备、照明、生产生活用电等各方面的用电量消耗巨大，因此电力能源的管理与监控将很大影响到船厂生产制造的节能潜力，影响船厂的整体碳排放。目前，对电力能源的管理与监控在包括造船企业在内的许多行业都已经有了一系列应用，并取得了良好的应用效果，为用户节能减排做出了重要贡献。例如，大连造船厂通过建设能源管理系统实现了对21个高低压变电所的运行管理、统计计量、数据查询和状态预警等方面的功能，在电力能源方面成功降低了船厂单位产品能耗，提高了船厂的经济效益；在校园内应用电能管理系统，通过信息监测、设备状态控制以及自动管理设备等手段对照明、吊扇和空调等进行管理，实现了整体节省电量达30.72%。

本项目从用户的需求出发，通过现场调研摸排船厂用电现状，对配电站和变电站进行升级改造，搭建电能管理与监控系统软件平台，实现对船厂电能的优化管理和状态监控。本文总结船厂电能管理与监控系统的实施要求，从用户需求、总体方案、组织架构、软件开发和应用效果等方面进行详细的说明。

1需求分析

1.1用户基本情况

a.厂区目前有4座10kV配电站，17座10/0.4kV变电站，分别设置能源管控中心一处和核心机房运维办公室一处。

b.该系统用于完成厂区生产用电数据的监测工作，对厂区内用电情况进行分类、分级、分项计量。

c.采集测量的数据上传至智能监控中心，集中设计一套电能管理系统进行管理。

1.2用户需求及分析

建设过程中根据用户需求，结合现场实际调研分析如下。

1.2.1硬件及安装部分

1. 建设能源监控中心，实现电能远程实时监测、能耗查询、能耗统计、智能分析、能源决策、报表管理等功能，提升能效管理水平。
2. 在10kV配电站、10/0.4kV变电站以及智能监控中心内，按照取样点位在各开关柜上加装相应的多功能计量仪表。
3. 在高压站房安装数据采集箱（站房数据汇聚点，安装有数据融合终端、串口服务器、交换机、光电转换器等）。各变/配电站电参数信号通过屏蔽线、数据采集箱、光缆传送至能源监控中心的能源管控服务器上（安装有串口服务器、交换机等）。
4. 各数据采集箱内预留光缆接口，以备后期需要时将其它动力站房监测数据整合的信号传送至能源监控中心。

1.2.2软件部分

a.在能源监控中心监控上位机上制作监控软件，并将各数据采集箱收集的所有信号整合于监控画面中，形成各电参量、能耗实时数据及开关实时状态等示意图。

b.监控软件可记录电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等电参量实时数据，并根据半小时数据生成可打印的报表，实现对能源使用状态的实时监控。

c.监控软件可以对电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等电参量设定报警值，报警记录生成可打印报表，实现通过检测变电站关键数据，在变压器、开关、电缆等发生异常前提前预警，达到无人值守或少人值守的目的。

d.监控软件可生成电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等电参量实时和历史曲线，实现对变压器的负荷率分析、MD值预测、电能质量分析、三相不平衡分析、变压器温度分析等（当月、上月、环比，本年、去年、同比等）。

e.完成配电站10kV、变电站0.4kV回路的电能消耗统计和报表，实现对变电站能耗使用相关数据的分析与查询（峰平谷查询、能耗同比环比分析、用能结构分析与查询等）。

2系统实施方案

根据项目实际需求及实际情况，定制设计一套厂区用电监测平台，采用B/S架构。厂区用电监测系统的架构是不同软硬件交互的界面层级，按照主要功能划分为以下3个层级。

1. 现场设备管理层：实现电气系统的基本现场保护、监测、控制层级功能，主要由现场多功能电表、物联网表、物联网监测模块和采集器等设备组成；该层级设备用以实现电力系统的计量、信息监测功能。
2. 通信管理层：实现设备之间联络和通信管理，主要由交换机、以太网关设备组成；该层完成设备的基本智能化功能，是实现微电网系统信息化的基础。
3. 应用管理层：主要实现现场信息到计算机界面的转化，主要由计算机、专业监控软件、打印机等设备组成；该层设备完成现场信息的数据转换成人机界面信息，并将信息按照发生源进行分门别类分析处理。

整体的系统架构如图1所示。

图1电能管理与监控系统整体架构图

2.1设备及组网

2.1.1变/配电站仪表选型

由于用户原有电力仪表大部分为传统的机械仪表和不具备相应电力数据采集及远传功能的电力仪表，为实现用户的功能需求，需要对变/配电站的仪表进行重新精确选型并整体更换以实现数据的采集要求。本项目中选择AEM96三相多功能电能表，该仪表是一款主要针对电力系统、工矿企业、公用设施的电能统计、管理需求而设计的智能电能表，尤其针对某些施工现场不允许停电作业的情况，具备AEM96-C三相多功能电能表方案。AEM96和AEM96-CT三相多功能电能表均集成三相电力参数测量、电能计量及考核管理，提供上24时、上31日以及上12月的电能数据统计。具有31次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和继电器输出，可实现“遥信”和“遥控”功能，并具备报警输出功能，可广泛应用于多种控制系统、SCADA系统（数据采集与监视控制系统）和能源管理系统中。

AEM96和AEM96-CT三相多功能电能表主要具备如下功能：三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、*大需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史极值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、报警输出、RS485（Modbus或DL/T645-2007《多功能电能表通信协议》）等。

根据监测要求和现场实际，整体更换配置了99台多功能电力仪表。

2.1.2数据融合终端

数据融合终端是集数据采集、数据融合、数据上传和边缘计算于一体的智能设备，如图2所示。数据融合终端具有串口、网口、LoRa、光纤等多种通信接口，并可根据现场情况灵活选择与设备层产品的连接方式，同时支持Modbus、103、DL/T645、OPCUA、BACnet等多种通信协议，兼容性强，能采集不同类型产品的数据，并将数据压缩、加密后上传至平台，并且支持本地存储，实现断点续传、失电报警功能，保证数据传输的稳定、安全、可靠。

数据融合终端采用模块化，集中式设计，通过集成各类元器件，方便施工接线，对终端数据进行采集和监控及数据上传管理。根据实际现场共配置21台数据融合终端。

2.1.3系统组网

仪表进行整体更换后，电力仪表可以实时采集各电力参数，并将采集的数据发送到配备在各变电站以及配电站的汇聚交换机，建立数据汇聚点，由汇聚交换机将数据通过能源网络集中到能源监控中心核心交换机，通过核心交换机传输至能源监控服务器，中心平台通过网络访问能源管控服务器。

根据组网要求，现场共布置了19台接入交换机和1台核心交换机，分别选用端口为16口千兆和24口千兆的交换机，布置在各配电站以及能源监控中心，组网系统图如图3所示。在组网光缆选型方面，考虑到传输距离和传输效率，从各变电站到配电站或监控

图2数据融合终端

图3外场网络布置图

中心均采用单模4芯光缆，配电站1至监控中心选用单模12芯光缆，配电站2和配电站3至监控中心分别选用单模4芯、8芯光缆。

2.2软件开发

为了满足用户需求，船厂电能管理系统软件开发架构选用B/S架构，即浏览器与服务器模式，该架构基于Web浏览器的计算模式，业务逻辑的实现主要依靠后台服务器。整体架构图如图4所示。

在开发语言上，从开发的安全性和运行效率出发并结合船厂电能管理与监测系统的需求，选择Java作为后台程序开发语言，VUE作为前端脚本开发语言。软件通过Web前端技术进行发布，通过网页的形式展现给用户，用户通过浏览器在地址栏输入网址进行浏览。

数据库概念结构设计的主要目标是实现对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体数据库管理系统的概念模型。在数据库设计中，数据按照相应频率自动保存到TDengine数据库，限于篇幅，本文对时序数据库的设计方案不再展开叙述。

图4软件平台架构

2.3能源监控中心配置

船厂电能管理及监控系统中，由多功能电力仪表和数据采集器实现了电力数据的采集和数据发送功能，并由数据传输网络将采集的数据汇聚到能源监控中心，能源监控中心需要接收、显示并存储电力数据。能源监控中心主要由服务器、显示器、工业网络交换机等设备组成，为保证系统正常运行，相应的配置和指标应当满足以下要求。

2.3.1硬件配置条件

安装系统软件的主机需满足如下硬件条件：

1. CPU：intel志强银牌4210。
2. 内存：16GDDR4以上。
3. 硬盘：硬盘2~10T（固态）。
4. 显卡：分辨率支持1280*1024、1600*900、1920*1080。

2.3.2软件运行环境

企业能效管理平台主要运行在微软WindowsServer201264位（简体中文）操作系统平台上，Web端使用谷歌、360（极速模式）、火狐浏览器等访问。

2.3.3主要技术指标

1. 遥信、遥测数据周期上传频率：1min、5min、10min等可配置。
2. 越限、变位等事件上传：≤5s。
3. 通信方式：RS485、以太网。
4. 并发访问量：≥500。
5. 历史数据存储：≥3年。

3系统功能

系统建成后，在能源监控中心运行船厂电能管理与监控系统软件，各模块功能如下。

3.1电力监控

3.1.1变/配电力综合看板

电力综合看板提供整个园区的用电概况、厂区电力外场平面图和报警分析。用电概况可以显示变配电站数量、变压器数量、总装机容量，以及监测点数量等相关数据，同时显示当前总功率和今日总耗电量。电力平面图中标注总降压站、4座配电站及17座变电站的位置信息。报警分析内容包括普通故障、严重故障、发生事故。当出现事故时屏幕出现弹窗，弹窗内容告知事故发生地点以及事故类型。事故通过声音和画面两方面进行实时提醒。

3.1.2变/配电站运行看板

运行看板可以展示单个配电站及变电站的运行状况，并提供系统一次图，各出线回路实时显示重要的电力运行参数，示意图如图5所示。此外，针对变电站展示基础信息维护，包括变电站位置、变压等级、装机容量、申报需量、变压器数量等。图中实时显示变电站负荷曲线，并提供变电站分时段用电今日、昨日对比柱状图。

3.1.3电力曲线记录

当选定变电站，电力曲线记录显示各回路的有功功率、电流、电压、频率、功率因数、无功功率、视在功率曲线，运行记录如图6所示。

3.1.4电力极值报表

电力极值报表展示所选变/配电站各回路功率、电压、电流、不平衡度等参数的日极值和月极值，报表如图7所示。

图5变电站运行看板

图6变电站电力曲线记录

图7电力极值报表

3.1.5电力运行报表

电力运行报表展示所选回路每隔5min的数据抄表值。

3.1.6整点集抄报表

整点集抄报表展示各回路所选时间节点各电参量的抄表值。

3.2电能统计

3.2.1用电集抄

用电集抄功能展示选中变/配电站回路的间隔时间内的正向有功电度用能情况，并可以通过选择生成对应的电费，该功能模块如图8所示。

3.2.2用电统计

用电统计可以展示选中变/配电站回路的用能数据，可以根据不同的统计需要选择日报、月报和年报，该功能模块如图9所示。

3.2.3分时段用电

分时段用电显示选中变/配电站选中回路的选中时间段内的尖、峰、平、谷、总电量，并且根据实际用电量来计算电费情况，该功能模块如图10所示。

3.2.4用电同比分析

用电同比分析对选定回路年份及前一年的用能进行对比，直观展示用能数据差异，通过柱状图与数据报表两种方式进行对比，该功能模块如图11所示。

3.2.5用电环比分析

用电环比分析展示选中变/配电站的各回路的环比用能情况，支持按日、按周、按月的方式进行环比分析。

图8用电集抄功能

图9用电统计功能

图10分时段用电功能

图11用电同比分析功能

3.2.6分组用电统计

分组用电统计展示组合定义的变/配电站的用电报表，可以根据需求对用电回路进行分类，模块中给定了按区域统计、按分项用能统计、按部门统计等分类类别，此外可以将统计报表按日报、月报、年报展示，可以选中相应的数据生成柱状图、折线图、饼图等图表样式，该功能模块如图12所示。

图12分组用电统计功能

4安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案

4.1概述

用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，全面推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

4.2应用场所

（1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；

（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

4.3系统结构

4.4系统功能

4.4.1实时监测

系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

4.4.2电能统计报表

系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

4.4.3详细电参量查询

在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

4.4.4运行报表

系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

4.4.5变压器运行监视

系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

4.4.6实时报警

系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

4.4.7历史事件查询

系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

4.4.8电能质量监测

系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

4.4.9遥控操作

系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

4.4.10用户权限管理

系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

4.4.11通讯状态图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

4.4.12视频监控

视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

4.4.13用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

4.4.14APP支持

电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

4.5系统硬件配置清单

5结语

船厂电能管理及监控系统在应用过程中，能实现用户需求分析中所需要的功能，可以实现对10kV系统的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等电参量的实时监控，对异常值进行告警，并生成相应的报表；可以实现对配电站10kV、变电站0.4kV回路的电能消耗统计和报表，实现对变电站能耗使用相关数据的分析与查询。

除介绍的相关功能，经过深入调研发现：某些船厂由于功能扩建或者新建设施，新增的用电设备容易使得船厂用电超容，影响供电系统的可靠性。结合本系统的功能，进一步开发相关软件功能研究船厂负荷特性，进行船厂用电负荷调配对于缓解船厂供需矛盾、安全稳定运行具有重要意义。

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