牽引傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室能源管理系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

黎邦騰，龐 輝，姜海龍，李潼清，邢 猛

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001）

0 引言

牽引傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室每天需要承擔(dān)大量的試驗(yàn)任務(wù)，單日耗能高，月度電費(fèi)開銷龐大；同時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)能力的提升，需要更多的線路容量支撐試驗(yàn)工作的開展。因此，啟動(dòng)了能源管理系統(tǒng)的建設(shè)，其目的是能夠監(jiān)測(cè)和記錄實(shí)驗(yàn)室每條支路各時(shí)刻的電壓、電流、功率、功率因數(shù)及能耗，對(duì)實(shí)驗(yàn)室能源體系的運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)控[1]。一方面，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、提升以及重點(diǎn)設(shè)備性能分析提供數(shù)據(jù)支持；另一方面，可以利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)測(cè)等有效的技術(shù)和管理手段，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行能源管理以及安全高效生產(chǎn)運(yùn)行，在業(yè)務(wù)不斷增長(zhǎng)的同時(shí)保證能源的高效利用，做到“節(jié)能增效”。文獻(xiàn)[1-5]分別介紹了能源管理系統(tǒng)在鋼鐵行業(yè)、煤炭行業(yè)、制藥行業(yè)中的應(yīng)用，并且通過對(duì)企業(yè)能源的管理及優(yōu)化調(diào)度，有效地實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的節(jié)能減排，指導(dǎo)了企業(yè)生產(chǎn)的高效運(yùn)行。與上述系統(tǒng)相比，一方面，牽引傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室具有供電系統(tǒng)電壓等級(jí)跨度大、功率高、覆蓋區(qū)域面廣的特點(diǎn)；另一方面，由于實(shí)驗(yàn)室需要開展軌道交通行業(yè)大功率系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)，這些試驗(yàn)的開展勢(shì)必會(huì)造成實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)功率和功率因數(shù)的經(jīng)常性波動(dòng)。因此，能源管理系統(tǒng)不僅需要監(jiān)控常規(guī)的能源參數(shù)，還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)的功率、功率因數(shù)及用能進(jìn)行預(yù)警，這對(duì)能源數(shù)據(jù)的采集提出了更高的要求。針對(duì)上述特點(diǎn)，本文提出一種適用于牽引傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的能源管理系統(tǒng)，并從系統(tǒng)架構(gòu)到軟件實(shí)現(xiàn)來具體介紹該系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

能源管理系統(tǒng)的組成架構(gòu)[4]如圖1 所示，系統(tǒng)需要采集遠(yuǎn)程和本地實(shí)驗(yàn)室的電能數(shù)據(jù)，覆蓋各試驗(yàn)區(qū)域用電情況，電壓等級(jí)跨度從110 V 到25 kV。對(duì)于遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室，由于實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)不能訪問公網(wǎng)，所以以公司級(jí)局域網(wǎng)為橋梁實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸；未部署實(shí)驗(yàn)室級(jí)局域網(wǎng)的近距離試驗(yàn)區(qū)域，則采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖1 中模擬實(shí)驗(yàn)室電能參數(shù)的獲取。

圖1 能源管理系統(tǒng)組成架構(gòu)Fig. 1 Structure of the energy management system

1.2 系統(tǒng)功能概述

能源管理系統(tǒng)功能包括綜合監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和能源調(diào)度，如圖2 所示。綜合監(jiān)控主要對(duì)各支路電壓、電流、功率、功率因數(shù)和當(dāng)日能耗進(jìn)行監(jiān)視，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；在供電系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)觸發(fā)故障錄波功能，記錄故障波形。數(shù)據(jù)分析目前實(shí)現(xiàn)了各個(gè)支路按日、月、年、自定義各個(gè)維度的歷史數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)對(duì)比查詢，并支持相關(guān)支路和設(shè)備用能統(tǒng)計(jì)分析查詢。能源調(diào)度功能設(shè)計(jì)初衷是依托綜合監(jiān)控實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)各支路能耗使用情況，在用能緊張時(shí)可動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)各支路的容量，能夠根據(jù)已有歷史數(shù)據(jù)分析供電支路狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的動(dòng)態(tài)投切，減少能源的浪費(fèi)，目前該功能正處于研發(fā)設(shè)計(jì)階段。

圖2 能源管理系統(tǒng)功能概述Fig. 2 Overview of energy management system functions

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室供電系統(tǒng)復(fù)雜，電壓等級(jí)跨度大，并且能源系統(tǒng)還需要兼顧對(duì)實(shí)驗(yàn)室供電系統(tǒng)功率及功率因數(shù)的預(yù)警功能和故障錄波及波形回放的功能，具體硬件設(shè)置需結(jié)合功能和成本進(jìn)行綜合考慮。

2.1 10 kV 高壓柜設(shè)備的監(jiān)控

實(shí)驗(yàn)室10 kV 高壓柜作為實(shí)驗(yàn)室配電線路的最前端，一旦發(fā)生故障，將造成區(qū)域性供電丟失，影響范圍大，因此，對(duì)10 kV 高壓柜的供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障波形記錄極為關(guān)鍵。為兼顧10 kV 高壓柜的電能計(jì)量和故障波形記錄，采用Gantner Instruments 公司的Q.station[6]控制器和Q.bloxx 采集卡[7]，并基于配置式配套軟件test.controller 實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kV 高壓柜二次側(cè)電壓和電流波形的測(cè)量，通過軟件配置可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓/電流有效值的計(jì)算、功率計(jì)量和故障波形的捕捉。

Q.station 控制器搭配大容量U 盤，可實(shí)現(xiàn)不少于16 h 的離線波形記錄。在故障發(fā)生時(shí)，控制器通過FTP協(xié)議自動(dòng)將故障波形發(fā)送給搭建在上位機(jī)的FTP 服務(wù)器；工作人員可以通過廠家提供的LabVIEW 驅(qū)動(dòng)軟件對(duì)故障波形進(jìn)行分析，快速確定故障發(fā)生原因。

2.2 實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備電能的計(jì)量

實(shí)驗(yàn)室普通用電設(shè)備更側(cè)重于電能計(jì)量，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高，因此采用DTSD342 電能表用于電能計(jì)量和電壓電流功率等特征值檢測(cè)。DTSD342 電能表作為三相電能表，同時(shí)兼容三相四線制、三相三線制和兩表法等多種接線方式，非常適合用于現(xiàn)場(chǎng)改造。

DTSD342 電能表提供一路RS485 總線用于通信，支持DL645-2007 和Modbus-RTU 兩種通信協(xié)議。現(xiàn)場(chǎng)使用串口服務(wù)器將RS485 總線轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)，從而接入能源管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中；上位機(jī)通過映射的串口直接與DTSD342 電能表通信。

2.3 跨區(qū)域無(wú)線組網(wǎng)傳輸

能源管理系統(tǒng)是基于原有電源系統(tǒng)的改造建設(shè)，經(jīng)常會(huì)遇到跨區(qū)域或跨樓宇數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，通常很難進(jìn)行布線。針對(duì)這種情況，在改造中使用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)E90-DTU 來替代RS485 總線的布線，解決了跨區(qū)域布線實(shí)施難度大、成本高的難題。

E90-DTU 可將RS485 總線轉(zhuǎn)換為無(wú)線信號(hào)進(jìn)行傳輸，E90-DTU 支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和廣播無(wú)線組網(wǎng)，支持Modbus 協(xié)議。E90-DTU 采用433 MHz 無(wú)線頻段，符合無(wú)線電管理?xiàng)l例，可在項(xiàng)目中合法使用。

3 基于LabVIEW 的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

能源管理系統(tǒng)基于LabVIEW[8]圖形化編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件架構(gòu)組成如圖3 所示。因系統(tǒng)需要采集異地實(shí)驗(yàn)室、本部實(shí)驗(yàn)室電能數(shù)據(jù)，覆蓋范圍廣，電壓等級(jí)跨度大，必然涉及多協(xié)議、多通道數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)的集中同步展示和存儲(chǔ)不易實(shí)現(xiàn)。因此引入了B/S架構(gòu)開發(fā)中的分層開發(fā)模式[9]，充分利用其“低耦合”的性能，為每個(gè)不同通信協(xié)議的電能表建立一個(gè)單獨(dú)的采集后臺(tái)。該采集后臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)更新到共享內(nèi)存中。系統(tǒng)再對(duì)這些采集后臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理，定時(shí)從共享內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理后，一方面調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，另一方面將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到界面中顯示。此時(shí)界面顯示端可以以較短的時(shí)間刷新界面，保證界面中刷新速率較快的設(shè)備數(shù)據(jù)能夠獲得及時(shí)刷新，不會(huì)造成界面“假死”的現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 能源管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig. 3 Software architecture of the energy management system

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基于SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)，保證系統(tǒng)能夠進(jìn)行高并發(fā)訪問控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確、便捷及高效的復(fù)雜操作。

3.2 單日能耗計(jì)算

在數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)部分，難點(diǎn)是當(dāng)日能耗數(shù)據(jù)的計(jì)算。因?yàn)樵诟髦穼?shí)時(shí)電能參數(shù)顯示界面，需要實(shí)時(shí)顯示當(dāng)日能耗，但實(shí)際電能表是沒有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的，獲取到的值均是該電能表自工作以來采集的總能耗。若要獲取到當(dāng)日能耗，系統(tǒng)不得不實(shí)時(shí)進(jìn)行“抄表”，動(dòng)態(tài)計(jì)算當(dāng)日能耗；并且在該過程中，還需要考慮當(dāng)出現(xiàn)電能表電源被切斷、電能表故障或通信故障之類問題時(shí)，系統(tǒng)仍然能夠計(jì)算出正確的當(dāng)日能耗值。

因此，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，建立了原始數(shù)據(jù)表及當(dāng)日臨時(shí)數(shù)據(jù)表。原始數(shù)據(jù)表不被做任何處理，其僅記錄電能表所有時(shí)刻電能參數(shù)，且在系統(tǒng)異常時(shí)，能夠回放數(shù)據(jù)，回填正確數(shù)據(jù)。為了減少計(jì)算機(jī)在計(jì)算當(dāng)日能耗時(shí)去原始數(shù)據(jù)表查詢當(dāng)日數(shù)據(jù)的負(fù)荷，創(chuàng)建了當(dāng)日臨時(shí)數(shù)據(jù)表。這樣，在計(jì)算當(dāng)日能耗時(shí)，僅僅訪問當(dāng)日臨時(shí)數(shù)據(jù)表，就能實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)日能耗值。整個(gè)流程如圖4 所示。

圖4 當(dāng)日能耗計(jì)算流程Fig. 4 Flow chart of daily energy consumption calculation

3.3 數(shù)據(jù)顯示

在數(shù)據(jù)展示方面，開發(fā)了單設(shè)備歷史數(shù)據(jù)查詢、單設(shè)備統(tǒng)計(jì)信息展示、不同設(shè)備功率及能耗比較等友好界面。為方便用戶迅速定位各支路位置，采用樹形圖將各支路分類展示并支持單選和復(fù)選功能，這樣用戶能夠快速切換界面，查看不同支路數(shù)據(jù)。同時(shí)為方便用戶直觀查看曲線數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)跟隨光標(biāo)動(dòng)態(tài)顯示功能。LabVIEW 在這些功能的實(shí)現(xiàn)上均無(wú)實(shí)際的案例參考，下面對(duì)其實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（1）帶復(fù)選框樹形圖的實(shí)現(xiàn)。由于LabVIEW 并未提供可直接使用的單選和復(fù)選功能，本文采用遍歷樹形節(jié)點(diǎn)方式動(dòng)態(tài)修改各節(jié)點(diǎn)項(xiàng)符號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)該功能。其原理是為樹形節(jié)點(diǎn)每一條支路指定其在數(shù)據(jù)中的項(xiàng)索引，在用戶單擊繪圖按鈕時(shí)，系統(tǒng)通過遍歷項(xiàng)節(jié)點(diǎn)符號(hào)而獲取項(xiàng)節(jié)點(diǎn)的選中狀態(tài)，再根據(jù)項(xiàng)節(jié)點(diǎn)元素得到其在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的索引，從而從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出數(shù)據(jù)，繪制圖形，其主要代碼如圖5 所示。

圖5 樹形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主要代碼Fig. 5 Main codes for realization of tree structure

（2）數(shù)據(jù)跟隨光標(biāo)的動(dòng)態(tài)顯示。其原理是將不同曲線依次采用不用的波形圖繪制，并將這些波形圖在界面上并行排列，以保證其橫坐標(biāo)位置一致。為每個(gè)波形圖設(shè)置游標(biāo)，當(dāng)觸發(fā)鼠標(biāo)進(jìn)入繪圖區(qū)域事件時(shí)，自動(dòng)更新其他圖例光標(biāo)位置，部分程序?qū)崿F(xiàn)如圖6 所示。

圖6 游標(biāo)設(shè)置程序塊Fig. 6 Blocks for cursor setting

4 能源管理系統(tǒng)應(yīng)用

在系統(tǒng)硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)和軟件的實(shí)現(xiàn)過程中，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用需求，能源管理系統(tǒng)滿足對(duì)實(shí)驗(yàn)室各支路和設(shè)備用能的集中監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)等功能需求。

4.1 數(shù)據(jù)集中監(jiān)控

圖7 是最終電能表數(shù)據(jù)匯總集中顯示的其中一個(gè)界面，其分級(jí)展示各個(gè)支路電能使用情況，布局嚴(yán)格按照實(shí)際電路走向。單擊線路指示箭頭按鈕，系統(tǒng)一級(jí)一級(jí)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的子支路頁(yè)面。在該界面中，第一條支路為實(shí)驗(yàn)室能源主要干線。在該支路上安裝的是Q.bloxx 系列采集卡，每0.1 s 計(jì)算一次電能。在實(shí)驗(yàn)室普通設(shè)備和辦公用電支路上安裝的是普通電能表，但是這并不影響界面以0.1 s 的速率進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新；同時(shí)可以看到，界面顯示的是當(dāng)日能耗使用數(shù)據(jù)，而不是從電能表直接獲取到的總能耗數(shù)據(jù)。

圖7 能源顯示主界面Fig. 7 Main interface of energy display

4.2 數(shù)據(jù)查詢

圖8 和圖9 分別示出基于LabVIEW 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)能源數(shù)據(jù)不同維度統(tǒng)計(jì)的各類電能信息。

圖8 某支路某日電能使用情況Fig. 8 Power utilization of a branch in a certain day

圖9 某日各支路能耗對(duì)比Fig. 9 Energy consumption comparison of each branch in a day

圖8 示出了某支路某日電能的使用情況。為了便于用戶能夠直觀地獲取相關(guān)信息，在波形圖右側(cè)會(huì)根據(jù)當(dāng)前光標(biāo)的位置實(shí)時(shí)顯示每個(gè)波形圖對(duì)應(yīng)曲線的值。

圖9 示出了不同設(shè)備能耗對(duì)比。界面左側(cè)具有帶復(fù)選框的樹形圖，用戶可以基于樹形圖快速定位到具體的設(shè)備，通過勾選相應(yīng)的設(shè)備，就能按日、按月、按年對(duì)比統(tǒng)計(jì)設(shè)備的能耗情況。

由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基于SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)而實(shí)現(xiàn)，各個(gè)功能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)及展示均可獨(dú)立同步運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多并發(fā)訪問，不用考慮查詢、統(tǒng)計(jì)會(huì)影響前端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

4.3 報(bào)表統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的設(shè)備用能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，可以計(jì)算出設(shè)備的使用率、工作狀態(tài)及支路容量使用情況等信息。其一方面為設(shè)備的性能分析提供了數(shù)據(jù)支撐，另一方面為實(shí)驗(yàn)室容量的合理分配提供了依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了資源的充分有效利用。表1 是某設(shè)備全年度投入時(shí)間統(tǒng)計(jì)，按照每日平均工作時(shí)長(zhǎng)8 h 計(jì)算，可以看到該設(shè)備除去休息日，基本實(shí)現(xiàn)每日高效運(yùn)行。

表1 某設(shè)備全年度投入時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Statistics of annual input time of an equipment

4.4 故障錄波

實(shí)驗(yàn)室在開展試驗(yàn)過程中，由于設(shè)備原因造成實(shí)驗(yàn)室供電系統(tǒng)高壓柜跳閘保護(hù)，以往系統(tǒng)維護(hù)工作人員常需花費(fèi)大量時(shí)間排查確認(rèn)系統(tǒng)故障原因。本系統(tǒng)具備故障錄波機(jī)制，在供電系統(tǒng)正常情況下，整個(gè)系統(tǒng)保持一致的采樣率采集電能數(shù)據(jù)；一旦系統(tǒng)發(fā)生跳閘保護(hù)事件，Q.bloxx 系列采集卡能夠立即存儲(chǔ)故障前后各5 s 時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器，工作人員能夠根據(jù)該波形數(shù)據(jù)快速定位供電系統(tǒng)故障位置。圖10 為某高壓柜跳閘時(shí)系統(tǒng)存儲(chǔ)的故障波形，圖11 為分析故障波形中該高壓柜電流有效值?？梢钥吹?，該高壓柜在15:17:40.2 時(shí)刻由于過流故障而觸發(fā)跳閘保護(hù)功能。

圖10 系統(tǒng)存儲(chǔ)的故障波形Fig. 10 Fault waveforms stored in the system

圖11 高壓柜電流有效值Fig. 11 Effective value of the current in high voltage cabinet

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種在大功率實(shí)驗(yàn)室建設(shè)能源管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，并通過實(shí)際案例展示驗(yàn)證了該方案的可行性。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備用能的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且能夠?qū)δ茉磾?shù)據(jù)進(jìn)行有效分析、統(tǒng)計(jì)，合理地分配能源，有目的有針對(duì)性地提升了能源使用效率，有效保證了生產(chǎn)高效運(yùn)行。但是當(dāng)前該系統(tǒng)僅解決了能源數(shù)據(jù)的有效采集、展示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析及查詢等功能，如何基于這些數(shù)據(jù)去實(shí)現(xiàn)更多的功能（如設(shè)備的動(dòng)態(tài)投切、能源的動(dòng)態(tài)調(diào)配和優(yōu)化調(diào)度等）、最大化地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的價(jià)值、為提高能源的利用率提供決策基礎(chǔ)[10-12]，將是后續(xù)的重點(diǎn)研究方向。