能源管理新模式在企业用电精细化管理中的应用

赵艳粉

（上海材料研究所，上海 200437）

1 合同能源管理模式向能源管理新模式的转变

1.1 合同能源管理的发展

20世纪70年代中期以来，一种基于市场的、全新的节能新机制——“合同能源管理”（简称EPC）在市场经济国家中逐步发展起来。合同能源管理机制的实质是一种以减少能源费用来支付节能项目全部成本的节能投资方式。该节能投资方式允许客户使用未来的节能收益为工厂和设备升级，以及降低运行成本。能源管理合同在实施节能项目投资的企业（“客户”）与专门的盈利性能源管理公司之间签订，有助于推动节能项目的开展。在传统的节能投资方式下，节能项目的所有风险和所有盈利都由实施节能投资的企业承担；在合同能源管理方式中，一般不要求企业自身对节能项目进行大笔投资。

合同能源管理主要影响8个重点高耗能行业，包括钢铁、水泥、冶金、焦炭、电石、煤炭、玻璃、电力行业，通过用能状况诊断、节能项目设计、融资、改造（施工、设备安装、调试）、运行管理等服务，实现节能减排，降低煤耗以及减少CO2的排放。

1.2 能源管理新模式的提出

2014年9月，国家电网公司总经理刘振亚提出，构建全球能源互联网，服务人类社会可持续发展。能源互联网是以互联网理念构建的新型信息能源融合“广域网”，它以大电网为“主干网”，以微网为“局域网”，以开放对等的信息能源一体化架构，真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用。因此，可以最大限度地适应新能源的接入。而随着用电监测设备技术的飞速发展，其价格日渐亲民，将其应用在企业用户变电站及配电网中已成为可能。因此，将用电监测设备与互联网发展奠定的社会基础相结合，应用在企业用户自有的变电站及配电网中去，可以为其提供专业的能源管理。

能源管理新模式是一个可实现用电管理“数字化、网络化、可视化、专业化，多元化”，帮助企业实现“安全、可靠、经济、高效、洁净”能源管理目标的平台。通过能源管理新模式可改变配电网客户需求侧管理零散、无序的状态，将客户的局部用电变为系统用电，将零星用电变为整体用电，让客户低成本享受专业电力公司的服务水准，实现企业智能化能效管理的目标。特别是改变了以往节电主要依靠单一产品和局部改造的做法，实现了企业降低用电成本、改善电能质量、提高管理水平的目标。

2 能源管理新模式的优势

智能电网概念自从奥巴马将其定位为美国的战略国策后在全球发展迅猛，在国内电力系统中由于电力公司行业垄断特性造就了一个特有的“两头热中间冷”的状况。一头是电力公司自有资产电网部分建设热火朝天，另一头是千万厂家冲向面向家庭客户的智能家居市场。而对企业用户变电站关注很少，但规模上远超出电力自有的变电站数量。

目前，企业用户变电站还基本都停留在传统的、依靠人力的、分散值班自管或托管模式，即便是极少数企业建设了电站自动化系统，其系统也基本停留在十几年前的技术水平。这一现状就导致企业用户变电站存着诸多问题，具体如下：

1）企业运行维护成本居高不下，人员管理困难。

2）运行维护水平低下，保障有限，很难应对疑难问题和重大突发故障。

3）基本没有企业用电能效分析和管理，企业用电成本较高。

4）无法获得企业内各用电单元的能耗数据，很难进行企业综合节能，普遍存着较大电能浪费。

5）由于企业客户侧的不稳定和不可控，对电力公司电网的安全稳定也会造成严重影响。

在此基础上，能源管理新模式提出了针对电力需求侧用电管理的客户电力管理系统，聚焦客户侧用电精细化管理，通过精确核定成本，为企业发展注入强大的动力。客户电力管理系统以电力客户为单位，在客户的配网关口、枢纽配电柜和主要用电设备上安装智能配电采集装置，采集客户的电力、电量、电能质量指标数据，并通过网络传输到能源云平台的数据中心进行分类存储，通过能源管理专家对数据进行分析、诊断，并充分考虑微电网等新技术的使用，为企业提供能源管理整套解决方案及专业化的优化服务，从而科学优化配网和用电设施，降低用电成本，实现智能用电。

3 能源管理新模式的核心技术

基于智能配电网建设发展的应用特征和需求，将“云计算”理念及技术引入智能配电网应用领域，构造智能配电网“云计算”平台的应用构架和技术实现方案，对配电网客户站推出一种全新的需求侧“云计算”服务模式。云服务基础架构图如图1所示。

图1 云技术服务基础架构图Fig. 1 The cloud infrastructure service chart

企业配网智能云服务平台体系的设计思想借鉴了谷歌云计算构建的设计思路，以及公用领域开源云平台的构架，并结合自身在电力领域实时数据并发处理的技术积累，自主设计实现。采集层则吸纳了智能变电站思想，推出了真正面向电能测控领域的云平台系统以及系列产品设计（见图2）。

图2 企业配网智能云服务平台体系Fig. 2 The intelligent cloud service platform system of the enterprise distribution network

企业配网智能云服务的总体优势与特点如下：

1）高可靠性。N-1系统灾备及恢复能力。

2）可伸缩性。自适应，云端存储的无限扩充。

3）最优化。运行与客户资源的动态优化。

4）开放性。应用市场开放灵活扩展。

5）高性能。网络运算，负载均衡，高级应用服务的提供。

6）低成本。采用PC服务器阵列，更经济更廉价。

7）便利性。跨平台移动互联，各类智能设备接入，无处不在的访问。

4 新模式下的能源管理系统

4.1 能源管理系统的组成

能源管理系统由服务器主机，以太网或者局域网连通的通信网络，无线传输部分，有线传输部分和能源管理软件，各计量点（流量计、液位计、温度、压力等），电表等部分组成，其结构示意图如图3所示。

图3 能源管理系统的结构示意图Fig. 3 The schematic diagram of the energy management system

1）硬件组成。包括各个采集点的终端表（带RS-485 通信的流量计、电表等）；采集和传输数据的集成箱；可以通信的有线网络；上位机主机。

2）软件组成。包括终端表的通信协议；采集有线网络数据的接口程序；采集无线网络的抄表软件；适用的数据库；分析和显示数据的能源管理软件。

3）界面显示。包括各个点的数据累计值和即时问询；通过运算得到的能耗值；具备导入导出功能，筛选和存储；具备柔性的操作后台，支持后期维护和扩展；最终按客户所需求的采控点，生成能源报表；操作界面通过客户端访问，支持网络共享，具有管理员访问和维护功能。

能源管理系统的平台界面如图4所示。

4.2 能源管理系统的功能

能源管理系统主要面向企业客户，提供电能自管平台，客户可以了解自己所有监测点的实时和历史用电信息及其分析结果：包括配电网络的电压、电流、负荷、电量、功率因数、电能质量、谐波畸变率、三相负载不平衡状况、电网损耗等运行情况。对电能进行可视化管理，电能管理人员可通过平板及PC看到电能的输入、传输、消耗的全过程，为企业的管理者提供电网实时分析、决策的可靠依据。

4.2.1 电能在线

能源管理系统可以实时展示用电数据信息图表，具体如下。

图4 能源管理系统的平台界面Fig. 4 The platform interface of the energy management system

1）电力实时运行图表。负荷、电流、电压、功率因数等数据及曲线。

2）电能质量实时运行图表。各次谐波电压/电流含有率、谐波电压/电流畸变率、电压偏差、频率偏差、三相电压/电流不平衡度等数据及曲线。

3）电量实时运行图表。电量、电费、电量变化等数据及曲线。

4）电能分布图。负荷、电量、电费内部消耗数据及分布对比。

5）电能运动图。电能量在配电系统内的流动方向及数值。

6）电能异常报告。明细展示各设备/回路以上电能参量的越限信息。

4.2.2 用电分析

能源管理系统可以提供历史数据的查询计算以及统计分析，具体如下。

1）电力与电能质量列表。按月/按日统计负荷、电流、电压、功率因数、谐波电压/电流畸变率等指标的平均值、最大值、最小值。

2）电量与电费分析。以年/月/周/日为周期，进行电量及电费数据的查询、统计、对比分析，然后按峰调平、峰调谷、平调谷的一定比例来推演，通过生产作息调整来避峰逐谷，实现节能省电，降低成本。

3）电力分析。查询特定日期/月份的负荷、电流、电压、无功、功率因数曲线、数据、平均值、最大值、最小值及其发生时间。

4）电能质量分析。查询特定日期/月份的各次谐波电压/电流含有率、谐波电压/电流畸变率、电压偏差、频率偏差、三相电压/电流不平衡度等曲线、数据、平均值、最大值、最小值及其发生时间，并展现电能质量各指标评价。

5）耗电类比分析。提供对某几个监控点的某个时期的电力数据进行比较。

6）耗电时比分析。提供对某个监控点的2个不同时期的电力数据进行比较。

7）电量查询。查询、统计某一时刻至某一时刻的电量电费，某月及其中每一天的电量电费，或某一天至某一天的峰谷平电量及电费明细信息。

4.2.3 辅助决策

能源管理系统可以提供用电成本、能耗、安全、质量综合分析，具体如下。

1）电费成本分析。分析电力客户的电量与电费变化情况，按月或按年统计，并展现环比值。

2）电能耗分布图。按月或按年统计当前配用电区域内电能的分布情况，反映电量、电费指标。

3）用电安全分析。主要对系统设备的用电安全异常情况进行统计分析展示。

4）电能质量分析。主要是对系统设备的电能质量异常情况进行统计分析展示。

4.2.4 有序用电

能源管理系统可以提供配电运行方案管理，有序用电指令信息及响应策划，具体如下。

1）有序用电方案。显示企业配网负荷的分配情况，作为电能管理人员进行负荷调整的依据，并可以模拟限电停运部分回路后总体负荷的降低结果。

2）有序用电指引。展现客户所属组别、线路、客户类别和保温保安负荷数值，当前区域负荷缺口、错峰预警信号和错峰目标，并依据指引图明确指引客户执行错峰用电。

3）配网运行方案。建立、维护企业配网运方档案，为配网安全、可靠运行提供技术保障。该功能将企业配电的常用运行方式进行规范和记录，便于电能管理人员进行电能调度。

4.2.5 节能诊断咨询服务

利用能源管理系统，节能诊断咨询服务人员（合同能源管理服务能效管理专家）可以查看电能自管数据信息和月报，进行分析操作，并针对缺陷在用电分析月报中填写诊断和优化意见。根据数据分析诊断结果，服务人员可以协助用电企业进行用电方式调整、设备检修改造、系统回路优化等，以提高用电质量、保障系统安全、提升运行效率、减少能源浪费、节省用电成本，具体如下。

1）配电系统改造降低线损。

2）提高功率因数降低无功电流损耗。

3）谐波治理降低用电设备谐波损耗并保障生产质量、延长设备寿命。

4）均衡三相负荷，充分挖掘配电系统容量，保障安全并提高资产利用率。

5）调整作息或利用储能避峰趋谷以降低电费成本。

6）改变运行方式提高设备线路运行效率。

通过这些措施的采用将实现能效管理的目标：使得客户配电系统达到最优运行。

4.3 能源管理系统的目标

能源管理系统的目标是，从根本上改变企业以往节电主要依靠单一产品和局部改造的做法，实现了企业降低用电成本、改善电能质量、提高管理水平。

1）降低电费开支。使企业了解自己买的电用到产品上是多少? 每度电产值是多少? 企业能耗指标在同类企业中的排名是多少? 虽然每一个企业管理者对管理过程的精细化要求不同，但是对于合理的电费支出的诉求是相同的。能源管理系统通过精确的测量和专家分析系统，可为企业提供准确、清晰的用电体会，能够最大限度地节省电费开支。

2）解决运行维护及故障问题。能源管理系统的应用使企业用电设备的运行状况能够更直观清晰地为工程技术人员所掌握，能够及时评估企业整体用电状况，方便对用电设备的运行维护。能源管理网有一批高级工程师和高素质的技工团队，能为企业提供专业的故障维修服务。

3）优化设备的利用率。电力供应和消费的同时性决定了供电必须提供一定的冗余，但是冗余有时就成为企业的负担，设备的同时率一直是对供电设备利用率的考验。用户电力管理系统作为用电末端的控制系统，通过合理调节用电设备的使用规律，人为实现峰谷平衡，合理分配功率，实现用电侧的智能用电。

4）提高用电质量和可靠性。供电可靠性指标是供电企业的核心指标，随着用电企业对用电质量的要求越来越高，用电企业内部的供电质量和可靠性正成为普通用电企业的基本诉求。用户电力管理系统可用从功率因数调节到高次谐波防治，多手段提高企业的用电质量和可靠性。

5 能源管理系统的应用案例

5.1 公司用电管理现状

上海某橡塑工业有限公司创建于1991年，公司占地面积12 000 m2，建筑面积13 500 m2。公司主要研发、生产和销售各类橡胶杂件、电缆附件、工程用橡胶、机械密封圈等，是一家科技型的橡胶制品制造商。变电站由单台800 kV·A变压器经一段低压母线供电。由于近期计划改造更换炼胶设备，新的设备负荷较大，（由原75 kW将升高到210～280 kW），需增容25%。同时按上海市电力公司相关规定，达到1 000 kV·A还需要进行10 kV环网一次设备、线路改造。

具体配电设备情况为：配变房一次设备比较陈旧，低压室有一进柜3出柜，单母线10个出线回路，每台耗电设备都有单独的电表和用电线路，包括出线柜和线路末端共37个计量点。生产/生活用电负荷分离，办公照明和空调也是单线独立供电。高压室计量柜采用多功能电子电能表，实现了远程自动抄表。低压室设有电力负荷管理终端。

某公司参考日资企业模式推行全方位精细化管理，用电方面定时对公司所有设备进行人工手动抄录，并进行统计和跟踪，月电费约为15万元，年电费约为200万元。某公司希望能通过能效管理系统来监测供用电设备，替代人工抄表，更细致科学地优化用电，降低单位产值能耗和电费成本。对厂区低压系统进行全面监控实现最优用电和能效节约，在不影响生产的情况下，通过能源管系统自动协调控制对各级负荷进行智能调控，达到不增容改造也能满足生产需求的目的。

5.2 方案设计

根据某公司实际用能的运行需求，进行如下方案设计。

1）在配电房的低压柜1条进线、11条出线（含1条备用，密炼车间新设备可能需要增加出线）的开关处装设低压线路保护监控装置。

2）在低压出线的末端，即车间配电箱、单独供电的重荷设备如空压机、炼胶机等的配电箱柜内配电开关处装设低压线路保护监控装置。

3）保护测控装置的开出出口接入断路器的分合闸控制回路，需要远程遥控及自动投切的塑壳断路器，应配置相应的电操机构（若只需要分闸，不需要遥控或自投合闸的也可只配电脱扣器，这样只能就地人工手动合闸）。

4）在需重点关注能源消耗的进出线开关回路，以及需要监测谐波及进行电量详细统计的回路，加装了配电监测装置。

5）通过各种终端将所有配电开关及回路的监测信息汇集到1台智能微网协调控制器上。智能微网协调控制器统一协调各进出线的保护监测控制终端的运行控制，应用其中的供用电平衡协调控制功能，实现配用电系统的电能协调控制。同时，经由智能微网协调控制器实现规约转换和通信接口，使信息数据接入远端能效管理平台主站（经由VPN安全网关，通过公网或电力专网）和就地监控工作站。

6）在就地监控工作站，运行人员可以查看实时的在线信息，并可以进行操控（开关须配置电操机构才能实现遥控）。

7）系统配置能源管理平台主站，在任何一台计算机，通过互联网，采用浏览器即可访问登录能效管理平台Web服务器，查看所有用电数据信息及统计图表，进行分析诊断操作，为优化电力节能降耗方案提供基础数据和决策参考。

某公司的能源管理系统结构设计图如图5所示。

5.3 实施效果

某公司能源管理系统于近期建成并投入运行，由于各部门领导的重视，系统得到了积极的推进，系统为某的日常管理发挥出了重要而强大的作用。

图5 某公司的能源管理系统结构设计图Fig. 5 The structure design of the energy management system of a company

1）某公司由于近期产能释放，计划改造更换炼胶设备，新设备负荷较大，计划增容25%。按照上海市电力公司规定，达到1 000 kV·A还需要进行10 kV环网一次设备、线路改造。系统上线后，根据历史数据和现场实测得到，现不需要进行增容改造，节约电站增容改造费用100万元。

2）通过采用就地安装动态无功补偿器的方式，将功率因数控制在0.895～0.905，年减少罚款3万元。

3）低压进线处三相电流不平衡度平均值为6.8%、最大值为14.4%。重载回路：低压室硅胶硫化平均值为11.03%、最大值为36.6%，低压室综合库房低压室平均值为21.96%、最大值为46.6%，二期注射烘箱硅混平均值为7.3%、最大值为18.2%。通过优化回路末端接线，将负荷尽可能均摊到三相，降低三相不平衡度，提高配电设施线路的容限利用率。

4）虽然某公司对各车间用电量有严格的绩效考核机制，但是月总用电量和应交缴电费之间还存在一定的差值，通过对电费账单详细分析后，采取调整部分工序，如调整大功率炼胶机、电热设备的使用方法，达到了基本电费基本接近需量，并将误差控制在5%以内，达到峰、谷、平值基本接近的效果。另外，通过调整，使电站值班人员数量减少，每年节约人工费用15万元。

5）通过对一次设备进行安全评估检测，发现低压侧内设备由于厂区投运时期不同，用电设备档案未及时更新，如部分断路器、电缆等已接近生命周期，通过更换及改造，并完善设备的档案管理，消除安全生产隐患。

6 结语

本文提出的能源管理新模式以企业为单位，在企业的配网关口、枢纽配电柜和主要用电设备上安装智能配电采集装置，采集客户的电力、电量、电能质量指标数据，并通过网络传输到能源云平台的数据中心进行分类存储。通过能源管理专家对数据进行分析、诊断，并充分考虑微电网等新技术的使用，为企业提供能源管理整套解决方案及专业化的优化服务，从而科学优化配网和用电设施，降低用电成本，实现智能用电。

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