浅析基于工业网络技术的设备电能监控系统

  针对制造业智能制造升级改造过程中，设备电能监控管理的需求，提出一种基于工业互联网理念的设备电能监控系统的架构体系，研究系统的网络架构以及平台架构，进行电能监测，系统功能、系统界面的设计与开发。该系统采用智能电表监测设备的电能参数，通过数据采集平台把电表的 Modbus 协议转换成MOTT协议，并上传到云平台。在某工厂实际场景下，进行系统的安装部署及应用，实现设备电能参数的实时采集、监控与统计分析，实现该工厂的设备、产线、车间用电的*确计量，提高了设备用电统计分析效率，有效地支撑了工厂电能管理、用电优化，提高机器生产效率。该系统具有建设成本低、容易实现、运行可靠利于复制推广的优点，可以基于工业网络站点平台积累数据，进一步挖掘分析，构建能耗优化模型，实现工厂电能的智能管理。

  关键词:电能监控；工业互联网；电能管理；能源管理；云平台；工业互联网平台

  在我国的能源消耗中，企业是能源消耗的大户，企业能源消耗量占全国能源消耗总量的70%左右。电能消耗，是公司制作的主要成本，降低用电成本，是生产的全部过程的主要关注点之一。建设一个集中统一的工厂电能监控系统，已成为近年研究的热点。通过获取机器详细用电数据，电能监控系统可实现对生产设备电能的集中采集、监控、计算、分析及处理，以直观的数据和图表向管理人员或者决策层展示设备能耗情况，便于找出高耗能点和不合理的耗能习惯，有利于电能消耗的*确分析与优化，有效节约能源，从而在企业能源平衡、调度与优化、设备正常运行与能源管理等方面发挥重要作用。

  近年来工业互联网发展日趋成熟，它融合了先进制造技术和互联网、云计算、物联网、大数据等信息技术，是一种新型的网络化制造服务模式，是工业互联的信息*枢，是制造业与互联网融合的新型基础设施在智慧工厂建设或企业智能制造升级改造中，工业互联网正逐步应用于设备管理、生产的全部过程控制、供应链管理安环管理!3-61等环节。本文将工业互联网的设计理念应用于设备电能监控系统，研究了基于工业互联网的工厂设备电能监控系统的架构体系，设计与开发了该系统，并在实际工厂中开展应用，实现了工厂设备电能的实时采集监控及处理与分析，有效地支撑了设备电能优化应用，优化生产计划，提高生产效率、机器效能，降低用电成本。

  该系统的网络构架如图1所示，由设备监控网、车间局域网、企业级网络组成。设备监控网主要负责设备层级联网，是指现场总线、工业以太网、Loral/WiFi/5G等设备层级局域网;车间局域网一般是以太网、光纤通信网或5G专网构建的车间级的监控网络；公司制作网是为企业生产与办公设计的以太网或光纤通信网。

  在*点高耗能设备上安装智能电表，在车间或产线侧部署数据采集终端，采集电表中的电能参数并发送至云端，云平台接收设施电能数据后，做处理、存储与展示分析。

  基于工业互联网架构设计理念17-201设计的电能监控系统平台架构如图2所示，分别由边缘层、基础设施层(IaaS)、工业平台层(PaaS)、工业应用层 (SaaS) 及工业安全防护模块组成。

  边缘层面向工厂设备、传感器接入与数据采集而设计，在能源监控管理系统中，主要负责接入各类能源消耗相关传感器和仪表并采集数据。

  IaaS层是虚拟化的计算、存储、网络基础设施资源能够最终靠 OpenStack、VMware 等软件自行搭建，或者选用华为云、阿里云等商业云搭建。

  PaaS层主要包含中间件、通用PaaS平台、工业建模和数据分析、应用开发、工业微服务库等模块。其中中间件提供电表接入、数据接收、预处理及存储服务通用PaaS平台模块提供基础资源的管理与运维能力;工业建模和数据分析模块提供电能模型、设备建模、工厂建模等的建模与分析能力;应用开发与工业微服务库模块提供平台工具支撑系统的开发、运行与管理。

  SaaS层为微服务化部署的设备电能监测、产线电能监控、能耗预警、电能统计分析、电能对比分析、能耗优化分析等应用，支撑工厂电能全要素、多维度的监控实现数据驱动的分析改善，助力电能管理优化。

  工厂中用电消耗关注点主要为高能耗的设备、产线车间，通用辅助设备、设施及工厂等。首先需对工厂全域进行电能监测点的统计。某工厂电能监测点统计示例如表1所示。

  工厂设备常用380 V三相电，考虑设备电能监测需要高精度、高质量、安全可靠和经济实惠，且外形紧凑具备通信接口，易于安装的需求，本文选择安科瑞三相电能表ACR230ELH/ACR330ELH进行设备的电能监测它是针对电力系统、工矿企业、公共设施等的电能监控需求而设计的，符合 Class 0.5S/Class 1精度标准，具有三相交流有功功率、无功功率和视在功率测量与显示具有 RS485 通信接口(Modbus RTU协议)，可用于供电质量的综合监控诊断以及电能管理。

  首先，通过串口服务器USR-N580-H7 连接智能电表，实现RS485-以太网接口转换，将电表接入设备监控网中。然后，采用工业网关、SCADA或数据采集软件实现电表参数的采集。由于电表的通信协议为 ModbusRTU，其协议栈简单，考虑低成本、自主可控因素，本文利用自行开发数据采集平台，进行设备的电能采集。

  电能监控系统的功能框图如图3所示。系统主要实现数据采集与处理、系统建模、数据展示与分析、能耗预警、权限控制等功能.

  (1) 数据采集与处理。在各用电计量节点及重要耗电设备的配电柜荃癌傲惫斑艾挨卑啊奔耙豹爱豹拆毙滁胺班苞袄奔榜苞堡报内安装智能电表，进行电能参数的监测，利用边缘侧的数据采集平台把电能参数发送到云端，云端中间件接收电能参数数据，进行数据的解析、处理与存储。

  (2)系统建模。系统建模包括工厂建模和设备建模工厂建模是指根据实施规划，进行工厂的实体建模，配置好工序、车间、工厂、基地、集团等关系，并按照管理要求构建用电成本中心;设备建模是指创建设备类型设备属性、设备配置，并实例化现场设备，包括:智能仪表、车间配电柜、网络设备等。

  (3) 数据展示与分析。能源图表以所建模型为原型将相关点设备数据及实时电能参数在模型上打点，显示实时采集数据值和电能流向，并以颜色差异提供初步状态提示，能按产线、按区域、按设备类型、按时段展示与分析，查询设备的实时电能参数与状态、历史数据数据曲线，生成分析报表等。

  (4)能耗预警。设置系统中的报警类型以及报警之后对应的应对措施。当设备发生能耗异常报警，以****微信、邮件、页面消息等方式通知到对应的责任人。

  (5) 权限控制。主要是部门、角色、用户、菜单的系统账号及账号的权限管理。

  系统通过监控界面进行数据展示与分析，设备电能监控界面如图4所示，主要实现设备、产线、车间的电能参数的实时监控与展示。

  以一台 (套)机器的能耗作为分析对象，依据机器的性能及技术参数，结合生产运行数据，对机器的电能数据建模计算分析，以可视化的图表，展示机器的性能及生产运行是否经济、高效，生成计划、维护、维修建议，让机器保持高效运行。设备电能统计及趋势变化分析界面如图5所示。

  系统能实现以时间为维度，查询与展示生产和非生产时段的设备、产线、车间的耗能情况及趋势，可以有效的进行电能数据分析、统计，可以展开厂区、车间、产线能耗同比、环比、量化对比分析。厂区、车间、产线所示。

  通过统计分析，整体把握工厂能耗情况，并与上一周、月或年的数据做横向对比，可结合产量，将能耗预分配到一个单位的产品耗能上。在此基础上细分，可下分到产线、班组、工位等。以此可分析出企业整体耗能情况，*点耗能区域，做总体量化自身趋势变化分析。根据不同的方式和算法做多元化的分析处理，挖掘出其中的某种规律并给出节能优化建议，提供给管理人员作为参考决策实现工厂电能的优化管理。

  在某工厂现场实际设备的控制柜中安装电流互感器与智能电表。通过安装电流互感器感应回路中电流的大小，智能电表与电流互感器连接，进行回路电流、电压、功率、电耗等电能参数的监测，来获取车间、产线、机器的电能参数。

  智能电表配置参数:协议ModbusRTU，波特率9600停止位1位，偶检验;串口服务器USR-N580-H7的配置参数是通信方式设置为双向透明传输，其他参数设置与智能电表相同:参数配置完成后，需要给智能电表串口服务器重新上电，实现重启。

  某工厂中实际场景下部署的设备电能数据采集平台如图7所示。系统实现了 75台智能电表的电能参数监测与采集，并以MOTT协议把采集到的电能参数上传云端。

  电能监控系统实际应用中的 WEB 界面(部分截图) 如图8所示。实现设备电能参数的实时采集、监控与统计分析，实现该工厂的设备、产线、车间用电的*确计量。

  在该工厂的实际应用中，通过设备电能监控系统实现了设备电能数据统计分析效率提高 300%，有效地支撑了工厂电能管理、用电优化。结合设备生产运行数据系统以可视化的图表展示机器的性能及生产运行是否经济、高效，为生产计划、设备维护、维修提供相关建议，提高机器生产效率。

  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，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最重要的包含：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做细分和统计，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，为用户进一步节约能源改造或设备升级提供准确的数据支撑。

  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作时的状态，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。

  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，用户都能够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。

  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，并能查看24小时相电流趋势曲线小时电压趋势曲线）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、指定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。用户都能够根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还能够准确的通过用户要求导出PDF格式文件。

  系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运作时的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。

  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。

  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。

  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，运行维护人能通过谐波分析棒图、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，及时采取对应的措施，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。

  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就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。

  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预防没有经过授权的操作（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、管理提供较为可靠的安全保障。

  系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示总系统网络结构；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。

  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。

  用户报告页面大多数都用在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。

  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。

  Acrel-3000WEB电能管理软件全方监视用户配电系统的运作时的状态和电量数据，为用户更好的提供更好的运维服务。平台提供用户概况、电力数据监测、电能质量分析、用电分析、日/月/年用能数据报表、异常事件报警和记录、运行环境监视测定等功能，并支持多平台、多终端数据访问。

  8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等协议的数据接入，ModbusT-c(主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持不同协议向多平台转发数据;输入电源:AC/DC 22ov，导轨式安装。

  4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、从）、104(主、从）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模块）输入电源:DC 12 V ~36 V .支持4G扩展模块，485扩展模块。

  35kV及以下配电系统线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等保护。

  主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，弧光保护〈8组）、失灵保护(4组）、TA断线组）、非电量保护、装置故障告警

  弧光探头，建议安装地点包括（但不限于）断路器室、电缆室、母线室，可面板开孔安装，亦可支架式安装。弧光探头的检验测试范围是一个角度为180°，半径0.5m的扇形区域。

  装置1024点波形采样，集谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体，能够很好的满足110kV及以下供电系统电能质量监测的要求。

  液晶屏显示一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温湿度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮、预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4~20mA输出

  合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃;传输距离空旷150米

  三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos） ，零序电流In，四象限电能，实时及需量，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示

  三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序电流In，四象限电能，实时及需量，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE)各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示

  三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31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)﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级

  三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量当月及上三月的电压、电流、功率;需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持4路开关量输入、2路开关量输出;支持4路测温;支持1路剩余电流测量;支持本地显示及按键设置;有功电能精度1级。通讯方式:支持RS485通讯、Lora无线G通讯;WIFI通讯

  三相电参量U、I、P、0、s、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31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）﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级.无功电能精度2级

  单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;红外及RS485通讯;电流规格:10(60）A，有功电能精度1级，无功精度2级;可选配复费率

  本文研究了一种基于工业网络站点平台架构体系的设备电能监控系统，进行了系统功能、架构、电能监测以及用户交互界面的设计与开发，并在实际工厂中落地应用，实现了工厂设备电能的实时采集、电能监控、设备用电统计分析，以及厂区、车间、产线的多维度能耗对比分析，有效地支撑了设备电能优化应用，优化生产计划，提高生产效率、机器效能，降低用电成本。该系统具有建设成本低、容易实现、运行可靠、利于复制推厂的优点。利用工业网络站点平台，可以积累数据，进一步挖掘分析，构建能耗优化模型，实现工厂电能的智能管理。未来系统进一步扩展，可建成工厂的水、电、汽、热等全要素能源智慧管理系统。

  [2]张利平,王航,张瑾,等.能源管理系统在离散型制造业园区项目中的设计与应用[J].工业仪表与自动化装置,2019(6):70-73