哈尔滨工业大学 罗克韦尔自动化实验室 李凤阁 佟为明 林景波 梁慧敏
摘要：电力能源成本影响着企业的最终利润，企业若要获得最大的能源投资回报，就需对能源进行有效的管理。罗克韦尔自动化电力/能源管理方案可以帮助企业管理其最昂贵的生产资料之一——电能的费用、可靠性和质量，几乎适用于企业电力能源管理的所有应用。介绍了该方案的构成、特点、功能及应用。
关键词：电力系统 能源管理 自动化
1引 言
随着电力工业的飞速发展，电力生产、传输、分配和消耗的相互依赖性从来没有像今天这样重要。这就为发电厂、供电部门和用电部门提供了重新思考其电力自动化解决方案的机会。罗克韦尔自动化推出的电力/能源管理方案（Power and Energy Management Solutions,以下简称PEMS）是采用开放的网络平台和大型数据库的数据采集和监控系统，及信息管理系统和电能计费系统。具有防误操作互锁装置，分布式微机远方终端装置，电能采集终端装置，通信规约转换器，调制解调器等，能够完全实现电力负荷管理的自动化。PEMS是一种既适用于电力生产者又适用于电力使用者的优选方案。
2基于网络的拓扑结构及其功能
2.1网络拓扑结构
通信是传送能源管理信息的关键，罗克韦尔的PEMS包括现场总线系统的信息层、控制层、设备层三层网络，实现实时可靠的控制功能，并提供了开放的通信平台。图1是典型的PEMS通信结构示意图。图中，上层是信息网，硬件主要以连接到以太网上的PLC、PC机或工作站为主，完成能源信息的管理任务；中间是控制网，通过对等通信网络如ControlNet、DH+网等将PLC、工控机以及各种人机界面连接在一起实现信息交换，用于完成有较高要求的系统控制；底层是设备网或远程I/O网，用于连接工业现场设备，并通过PLC与上层网络通信，实现与上层网络进行信息传送及对现场设备的控制功能。由图1可见，PEMS中的所有硬件设备都可以直接连到这个开放的网络平台上，实现与网上的计算机、PLC和人机接口等设备的数据通信功能。
在PEMS的通信结构中，PLC控制器具有重要作用，它能把几种不同的工业通信协议集成到一个平台中，包括主机和远程SCADA功能。电力监控器也可以通过插入不同的智能通信卡直接连接到这个开放的通信网络平台上，其中以太网通信卡还包括一个内置的HTML网页，供互联网用户直接读取电力监控器采集的数据。
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图1 PEMS通信网络结构示意图 |
罗克韦尔自动化提供的PEMS主要功能有：
（1）开放网络平台
PEMS提供的具有开放网络平台通信结构的系统，可以充分利用现有的通信网络，避免增加特殊数据协议及相关联的成本，而且提供系统扩展和改进的最大灵活性。网络中各控制器和设备既可以相互通信，又可以完成独立控制功能。
（2）实时电力监测
实时监控电力系统参数，通过对电压、电流、频率和电力传输系统设备（变压器、发电机、断路器、转换开关、冷却风扇等）状态的检测、显示、记录、分析趋势及预警电力系统信息等，为用户提供快速、精确的电力系统参数和信息，显示配电系统的功效。
（3）负载分析
测量和记录能源的使用情况，以便确定负载系数，识别高峰周期需求与设备运行相关的消耗，并用图表形式显示能源消耗方式，将工厂作业与能源使用相结合。
（4）成本核算
测量和记录能源使用情况，以便核实各部门、生产过程和整个企业的电费帐单、分析能源费率、从而确定能源花费流向。
（5）电能需求管理
通过尖峰期或发电机组的控制、负荷联锁、负荷卸载、负荷调整等功能，来判断瞬时需求，在整个需求周期内进行动态需求规划，实现实时电力使用管理，从而节省电费用量。
（6） 供电质量监测
通过对影响电能质量的电压和电流不平衡度、电压和电流峰值因数、谐波畸变百分比等参数的测量、显示、记录趋势分析和预报警等来识别电力系统的异常现象。
（7）紧急卸载
此功能可以在突然损失电源的情况下保护系统的稳定性。通过确定系统的拓扑结构，估算损失电源和保留的负载，并在100ms内完成卸载，从而保护重要负载以避免由于意外的电源损失而引起的整个系统的瘫痪。
（8）电力系统控制
通过负载调节装置、发电机、电容器组、过滤机组等来控制系统的电压、功率因数或谐波等参数，从而保证供电质量。
3 系统硬件与软件
罗克韦尔PEMS开放的网络平台和强大的监控功能是与其提供的性能卓越的硬件和软件分不开的。
3.1 系统硬件
罗克韦尔自动化的PEMS采用标准的硬件和软件以及严格的工程规范，提供一整套专为满足企业特殊要求而配置的外设系统，可针对用户的电力和能源管理需求提供不同的解决方案。主要有A-B品牌可编程序控制器（PLC）、电力监控器、变频器、智能电动机控制器、人机界面产品（HMI）；瑞恩的优质高效感应电动机、变频电动机；Kate发电机和电力调节装置等一系列设备。这些设备都已进行了广泛的自身测试。例如，为了避免由于变频器和电动机不匹配而产生的斩波，提供了一系列变频器、电动机和发电机，从而可以准确地按容量选择，不仅保证了设备的互操作性，也减少了系统的停机时间。
在众多的硬件设备中，PLC和电力监控器是PEMS中控制和检测的核心部件。A-B品牌的各系列PLC可编程序控制器已广泛应用于模拟量控制以及传统的数字量控制中，而且非常容易集成到现有的分布式控制系统中。同样，基于PLC的SCADA系统能够对电力传输和分配系统提供价格合理的远程通信及控制。PLC是各个功能层次应用中费用少、效率高和技术上可行的首选设备。
罗克韦尔A-B品牌的PowermonitorⅡTM（简称PMⅡ）和Powermonitor3000TM（简称PM3000）电力监控器是一种适合于各种应用场合的电力监测和控制装置，提供电力管理和电能计费所必需的信息。同时还采用了现场总线和电力监控专用微处理器技术，简化了输入装置，取消了通用仪表，使设备结构紧凑，还可以通过现场总线将电力系统与企业的局域网和以太网互连，以实现电力系统的远程监控。
在监测性能上，PMⅡ和PM3000除具有电压、电流、相序、频率、功率、功率因数、电能、谐波分析等监测功能外，还有事件记录、最值记录、瞬态记录、故障录波、事故预报分析、电网质量分析和电能需求管理等功能。四路开关量输入和两对继电器触点输出接口，用于检测和控制电力系统设备的运行状况。电力监控器还支持20个同步的设定点控制，可以将被测参数与设定点的设定条件进行比较，来判断数据的状态，从而实现报警、控制继电器和触发其它内部事件的功能。
3.2 系统软件
罗克韦尔PEMS的软件与硬件相互配合有效地解决了电力系统监控和管理的问题。用罗克韦尔的RSPower32、RSEnergy， 或RSView32软件与RSLinx软件配合可以在计算机上获取电力监控系统采集的数据，并对电力系统进行控制。其中RSView是通用上位机组态软件，RSLinx是通信驱动软件。RSPower和RSEnergy是专为电力监控系统而开发的监控软件，安装了该软件的计算机可以对电力系统中现场的电力设备进行监控，在计算机上就会有电力参数的浏览页、谐波分析页、故障录波和事件记录页等，可以很方便地用来记录文件、监测电力系统参数、分析谐波数据、记录波形参数等。同时监控界面上还提供了对电力监控参数的磁盘保存、打印（包括电压、电流、功率、谐波、录波等参数）的功能，这样就更方便了对一些电力参数的监控和管理。
4 PEMS应用
罗克韦尔自动化提供的电力能源管理方案的诸多功能，完全有能力实现企业内部电网的自动平衡、自动监控，运转负荷的前期预测和控制，是企业节能开源的优选方案，在世界范围内得到了广泛的应用。
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图2 RTI新的电力管理系统控制结构图 |
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例如:美国一家生产优质钢材企业—Republic Technologies International公司(以下简称RTI)在俄亥俄州坎顿市的工厂，原来的电力控制系统可靠性差，而且过分保守的需求控制算法，使每月的电能费用占运营费用相当大的比例，在很大程度上影响了生产力。罗克韦尔自动化为该厂提供的新的基于PLC-5控制结构的解决方案如图2所示，系统中除PLC-5控制器外，包括PMII电力监控器，通过光缆连接的远程I/O 网（RIO）和数个分布在工厂各区的操作员站。
在该方案中，控制器采用一对带备用通信模块的冗余PLC-5处理器，连接到现有的工厂级控制以太网上，安装在高炉上的远程I/O（RIO）控制节点通过一个冗余光纤回路与PLC-5/40E处理器通信。安装在工厂电力网上的PMⅡ电力监控器作为PLC-5/40E的
