基于组态软件的电能监控系统

2012/12/4 16:25:12

1. 引言

随着经济的飞速发展，全球能源供应日趋紧张，各种能源费用都呈上升趋势，成为企业成本的重要组成部分，在今后企业的发展和生存中将成为一个决定性因素，因此节能降耗是发展企业的首要任务。其中，电能在所有能源中消耗量较大，只有实现对各用电点电能数据的精确测量，才能找到节电的空间，实现真正意义上的节能。

建立电能计量和用电有效是企业节电的基础。建立完善的企业电能计量才能清楚地了解企业用电情况，分析个用电环节，对有节电空间的环节采取一定节电措施来调节和控制；用电有效是促进用电部门改进用电效率推进节电管理、节电改造，无论从理论和实践来讲，管理是提高企业资源利用率最有效的手段^[1]。组态软件是一些数据采集与过程控制的专用软件, 它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境, 使用灵活的组态方式, 为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

本文介绍了万洲电气股份有限公司的配网智能优化节电系统，它是基于自主研发的组态软件搭建的电能监测系统，实现对配电系统电能数据的全面监控和有效的电能管理，极大地提升企业能耗监控的信息化水平，在水泥行业等工业控制领域有着广泛的应用。

2. 组态软件

2.1 组态及组态软件的概念

“组态”的概念最早来自英文configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行待定任务，满足使用者要求的目的。也就是通过对软件采用非编程的操作方式，进行参数填写、图形连接和文件生成等，使得软件乃至整个系统具有某种指定的功能^[2]。

二次开发人员根据具体的系统要求，建立模块（创建对象）然后定义参数（对象属性），最后生成可供运行的应用程序。组态实际上是生成一系列可以直接运行的程序代码，这些程序代码可以在用于组态的计算机上直接运行，也可以下装到其他的计算机上。组态可以分为离线组态和在线组态两种。组态软件的更确切称呼应该是人机界面HMI（Human Machine Interface）/ 监控与数据采集SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）软件。

图1 组态软件的功能示意图

②实时数据显示

图5 实时数据显示

③实时曲线显示：每个数据都可以查看它的实时曲线，该曲线始终显示近五分钟之内的数据变化情况。

图6 实时曲线显示

（5）电量和电费等电能数据的查询、统计、分析和报表

图7 电量与电费分析

上图为月电量与电费的尖、峰、谷、平的电量比例走势分析图，以及电费的趋势分析，根据图形分析结果给用户提出较经济的电费计费方式。

在系统中采集的量主要是：电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电度、无功电度等电能数据。在系统分析模块中可以对历史数据如用电量和电费进行时间段的查询，统计时间段内的电能消耗情况，分析某设备的运行状况并针对存在的问题提出节能改造的建议。同时支持报表的查询、输出和打印功能。

（6）报警功能

当出现报警时，界面中间出现弹出的报警信息对话框，报警信息包括报警类型、报警描述、报警发生的时间、报警的设备和报警的脚本表达式，同时给用户提供对报警的三种处理方式：进入报警、确认报警、不处理。当选择“进入报警”时进入系统的报警记录界面查看详细的报警信息，当选择“确认报警”时对当前报警进行了确认，当选择“不处理”时不对该报警作任何处理。在报警界面中，可以点击报警信息进入该报警对应设备所在的界面。

（7）日志功能

系统记录的日志类别包括：系统信息、设备控制、设备维护、事件顺序记录(SOE)、异常信息。在日志记录的界面中可以对某时间段内的各类型的日志信息进行查看。

1.五、结论

本文介绍了万洲电气股份有限公司的配网智能优化节电系统，系统实时提供配网电压与电流波形、各相负载情况、运行效率、功率因数、电能质量、谐波畸变率以及三相负载不平衡、电网损耗等状况，为企业的管理者提供了实时决策分析、优化配电的可靠依据，提升了企业能耗监控的信息化水平，提高了企业的电能利用率，有效实现节能降耗，带来显著的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 刘美凤,配电网集成监控系统的研制[J],湖南大学,2008.2

[2] 孟庆峰、胡正华等,基于组态软件的大型企业电能监测管理系统的应用,工程应用,2010年11月总第123期

[3] 殷飞、丁维明,组态软件设计中的模式研究,计算机测量与控制,2005.13（3）

[4] 赵维佺、冼钊龙,监控组态软件的研究与应用,工业控制计算机,2006年19卷第10 期

[5] 李文杰,电能管理系统在工业企业供电系统中的应用,电气时代,2007年底9期

2.2 组态软件的特点

组态软件的突出特点是实时多任务。

（1）提供开发环境和运行环境；

（2）采用客户/服务器模式；

（3）软件采用组件方式构成；

（4）采用DDE、OLE、COM/DCOM、Active X技术；

（5）提供ODBC、OPC、API接口；

（6）支持分布式应用；

（7）支持多种系统结构，如单用户、多用户（网络），甚至多层网络结构；

（8）支持Internet应用。

2.3 组态软件的设计

组态软件主要包括系统组态、数据库组态、图形界面组态、报警监视、日志处理、趋势曲线(实时曲线和历史曲线)、报表组态等部分。

3. 电能监测系统的组成

企业电能监测管理系统是指通过在企业安装电能计量装置，采用以太网现场总线的方式实时采集电能数据及重要的电力参数．根据电能的主要用途统计对其进行分项计量并对数据进行相应的统计和分析^[3]。该系统从功能上可分为系统管理层、通讯层和设备层。系统结构图如图2所示。

图2 系统结构图

3.1 系统管理层

系统管理层针对电力监控系统的管理人员，是人机交互的直接用户，也是系统的最上层部分。主要由系统软件和必要的硬件设备，如工业级计算机、打印机、UPS 电源等组成^[4]。

系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类数据信息计算、分析与处理，并以曲线趋势、数字颜色、声音等方式反映现场的运行状况。系统软件在客户端上运行。

服务器：用于与现场设备通讯，进行数据采集、处理、保存和客户端请求应答。为系统内或外部提供数据接口，进行系统管理、维护和分析工作。

打印机：系统打印或自动打印图形、报表等。

UPS：保证计算机监测系统的正常供电，在整个系统发生供电问题时，保证系统管理层设备的正常运行，提供足够的时间进行数据采集和存储。

3.2 通讯层

通讯层是数据交换的桥梁，负责对现场设备回送的数据信息进行采集、处理和转发，同时向下转达上位机对现场设备的各种控制指令。通讯链路层是串口联网服务器或前端机与电量监测模块、1OkV微机综保装置电能表等设备之间的现场总线网络，以及串1：3联网服务器或前端机与电能监测管理系统计算机之间的以太网通讯。现场总线都具有校验功能，一旦出错，立即将报文自动重发，它们是现场管理层与现场监控层之间的网络．将采集到的数据传送到电能监测管理系统计算机。

3.3 设备层

智能电力监控管理系统的现场设备层包括：变电站发电机房或电气小间的串口联网服务器或前端机；专用电源附属设备监控变、配电设备的各种监控装置、元件或设备，如电量监测模块、RTU等；还有一些变、配电设备上的具有通讯功能的智能化装置，如：1OkV微机综保装置、电能表、变压器温控仪、发电机控制器等，也是现场监控层的一部分^[5]。

4. 电能监测系统的应用案例

本文以万洲电气股份有限公司的配网智能优化节电系统为例，介绍电能监测系统的应用案例。配网智能优化节电系统的上位机软件是一套用与快速搭建和生成工业监控系统的组态软件，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际问题的方案，在工业控制领域有着广泛的应用，下面介绍该系统在大型配电系统中的应用案例。系统的功能包括以下几部分：

（1）用户权限

将用户分成系统管理员、工程师、操作工三种级别，不同等级的用户操作权限不同。操作的权限包括：开发系统、退出系统、系统设置的维护、设备的控制。

（2）图形化的系统监控界面

监控界面包括四种类型：系统图、电气连接一次图、网络拓扑图、数据采集。其中，系统图形象地展示系统的总体概貌、设备连接情况，并能反映设备运行的正常/故障/非经济运行状态；电气连接一次图反映的是系统的电气连接情况，采用图形化动态显示开关、断路器等其它类型设备的工作状态；网络拓扑图是根据配电系统的网络分布情况，将系统分成管理层、通讯层、设备层，分别用不同的颜色展示不同的通讯协议类型，反映整个系统的网络连接情况；数据采集是对系统采集到的所有数据进行集中的显示，

图3 网络拓扑图