CN103093321A

CN103093321A - 大型企业能源计量管理系统

Info

Publication number: CN103093321A
Application number: CN2013100500050A
Authority: CN
Inventors: 李俭; 徐霄南; 王春岩; 侯文浩
Original assignee: LIAONING ZHONGXIN AUTOMATIC CONTROL GROUP CO Ltd
Current assignee: LIAONING ZHONGXIN AUTOMATIC CONTROL GROUP CO Ltd
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明涉及能源计量领域，特别是涉及一种大型企业能源计量管理系统，包括能源计量管理控制中心、能源介质计量单元和能源管理决策单元，能源计量管理控制中心通过profibus-DP和modbus局域网与能源介质计量单元、能源管理单元和监控中心相连，其特征在于，所述能源介质计量单元由多路单元计量单元及电能计量单元组成组成；所述能源管理决策系统分别包括报表统计单元、相关数据输入单元、能源监测分析单元、系统监视单元、决策单元和电能质量就地治理单元。与现有技术相比，本发明的有益效果是：引进决策和治理手段，把能源信息进一步处理和利用，实现能源利用的优化和就地治理，改善电能质量，实现就地制理。

Description

大型企业能源计量管理系统

技术领域

本发明涉及能源计量领域，特别是涉及一种大型企业能源计量管理系统。

背景技术

能源亦称能量资源或能源资源，是向自然界提供能量转化的物质，是人类活动的物质基础。能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。能源的发展、能源和环境是全人类共同关心的问题，也是社会经济发展的重要问题。当今社会各方面都在飞速发展，对能源的需求也在快速增加。由于有些能源或能源原料的即将枯竭，引起人们对某些能源的关注，如煤、石油等，不可再生能源原料的控制消耗或利用新能源是人类缓解能源危机的常见手段；另外，对于能源消费大户（如大型工业企业），必须重视计划利用能源，或提高能源的使用效率。

企业能源介质有煤、石油、汽油、电力、水，气体有氧气、氢气、氮气、CO₂、压缩空气、蒸汽、天燃气和煤气等，这些能源在使用时需要计量，同时在工艺过程中的能量转换、传输或排出等，也存在计量的问题，能源利用状况分析是企业能源工作的基础工作，而能源计量是基础中的基础。

每个企业都把能源计量工作做为企业成本核算的基础，也是企业实现节能降耗的关键。如何在目前能源紧张的情况下，使企业加强能源计量管理，减少能源的浪费、减少对环境的污染，是一项重要工作。

能源计量的方法很多，生产中机组消耗到各个环节中的损失和浪费，是摆在企业面前一项十分紧迫的任务，如何节能减耗，降本增效也自然成为重中之重。

能源计量的目的是合理使用能源，能源计量与节能监测、能源审计、能源统计、能源平衡等工作提供科学、准确的依据。

传统的使用模拟式计量仪表，近些年逐步使用数字显示仪表，但仍是模拟信号传递，仅用数字显示代替指针式仪表，其不足之处有：人工抄表、手工统计、人工制表，线路复杂、速度慢、用人多、成本高、不准确。

当前，也有采用PLC(可编程控制器)、无纸记彔仪或大型的数据采集器用于能源计量中，由于需要采集的数据点多且分散，设备过于复杂，成本很高，企业也不易采用。

目前的企业能源计量只是采集能源信息阶段，有的只打成报表传递使用，或网上传递，缺乏综合平衡、决策优化，不能有效用于全面能源管理中，且多数仅计量电能的消耗量，没有考核电能质量，更没有通过对电能质量的计量，进而优化和就地治理。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型企业能源计量管理系统，在企业标准化、模块化结构的网络计量装置的基础上，引进决策和治理手段，把能源信息进一步处理和利用，建立能源管理系统，实现能源利用的优化和就地治理。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

大型企业能源计量管理系统，包括能源计量管理控制中心、能源介质计量单元和能源管理单元，能源计量管理控制中心通过profibus-DP和modbus局域网与能源介质计量单元、能源管理单元和监控中心相连，所述能源介质计量单元由多路单元计量单元及电量计量单元组成；所述能源管理系统分别包括报表统计单元、相关数据输入单元、能源监测分析单元、系统监视单元、决策单元和电能质量就地治理单元，能源计量管理控制中心通过局域网络分别与GPRS无线收发装置、领导办公室、ERP管理中心、调度中心相连，能源介质计量单元通过GPRS无线收发装置与能源计量管理控制中心实现数据的无线传送。

所述单元计量单元中单元计量单元控制器分别与显示屏、GPRS无线收发装置相连，单元计量单元控制器通过局域网与各现场计量能源的网络信号采集器相连。

所述网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大模块和嵌入式微电脑依次连接组成，所述隔离放大模块由电容隔离组件U1、放大器U2、电阻网络U3组成，其中电容隔离组件U1由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C1、C2组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，当检测热电阻信号时，信号由B1、B2和B3进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C1、C2充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C1充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C2充电，由于电子开关Kc21的输出接地，使电容C1上的电压和电容C2上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；

所述嵌入式微电脑包括A/D转换器、基准电压源、DSP控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与DSP控制器连接；DSP控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与DSP控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out。

所述电能计量单元中电能计量控制器通过profibus-DP和modbus局域网分别与各用电系统的网络电量计量装置相连。

所述网络电量计量装置中网络电量计量装置控制器分别与ASLC测量芯片、键盘、报警器、显示屏、看门狗电路、时钟电路、基准测温元件相连，网络电量计量装置控制器的开关量输入与光电隔离电路一相连；网络电量计量装置控制器的开关量输出与光电隔离电路二相连；网络电量计量装置控制器的网络接点经光电隔离电路三与RS485接口相连；网络电量计量装置控制器的恒流输出端经光电隔离电路四与4～20mA恒流输出相连。

所述电能质量就地治理单元包括无功补偿装置和谐波一致装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在企业标准化结构的网络计量装置的基础上，引进决策和治理手段，把能源信息进一步处理和利用，建立能源管理系统，实现能源利用的优化和就地治理，当系统在能源计量过程中，实现数据的统计和监测，当能源消耗异常时，发出需求决策指导，当电量消耗异常时，可引入无功补偿和谐波一致，改善电能质量，实现就地制理。

附图说明

图1是本发明大型企业能源计量管理系统实施例原理图；

图2是图1中单元计量单元原理图；

图3是图2中网络数据采集器原理图；

图4是图3中信号接入单元原理图；

图5是图3中信号变換单元原理图；

图6是图3中隔离放大单元原理图；

图7是图6隔离放大单元中接入热电阻Rt时的接线图；

图8是图3中嵌入式微电脑原理图；

图9是用于球磨机群的电能计量单元原理图；

图10是图9中网络电量计量装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1，是本发明大型企业能源计量管理系统，包括能源计量管理控制中心、能源介质计量单元和能源管理单元，能源计量管理控制中心通过profibus-DP和modbus局域网与能源介质计量单元、能源管理单元和监控中心相连，所述能源介质计量单元由多路单元计量单元及电量计量单元组成；所述能源管理系统分别包括报表统计单元、相关数据输入单元、能源监测分析单元、系统监视单元、决策单元和电能质量就地治理单元，能源计量管理控制中心通过局域网络分别与GPRS无线收发装置、领导办公室、ERP管理中心、调度中心相连，能源介质计量单元通过GPRS无线收发装置与能源计量管理控制中心实现数据的无线传送。电能质量就地治理单元包括无功补偿装置和谐波一致装置。

见图2，所述单元计量单元中单元计量单元控制器分别与显示屏、GPRS无线收发装置相连，单元计量单元控制器通过局域网与各现场计量能源的网络信号采集器相连，每个现场的计量信号通过8路传感器或变送器传至网络信号采集器。

见图3至图8，网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大模块和嵌入式微电脑依次连接组成，信号接入单元依次与信号变换单元、隔离放大单元和嵌入式微电脑顺序相连，嵌入式微电脑设有现场总线接口与工控机通信，信号接入单元、信号变换单元和隔离放大单元的选通信号均来自嵌入式微电脑，嵌入式微电脑根据工控机指令控制整个网络信号采集器的运作。

图中：IN11～IN38为信号接入单元的信号输入端，QH为该单元选通信号，QH低电平为选通状态，D2、D1和D0为输入端控制信号；

信号信号变换单元：是将信号接入单元接入的信号变换成规定的标准电压信号，Vout基准电压源，为信号变换提供高精确和稳定的基准电压，实施时选Vout＝2.5V，电压纹波≤0.5％，D2、D1和D0为信号变换控制信号；

隔离放大单元：当输入信号经信号变换单元信号变换单元成规定的标准电压信号后，应与信号信号变换单元隔离，便于不受干扰的进行放大，其GL为该单元选通信号，GL低电平为选通状态，D0为隔离控制信号，在嵌入式微电脑的选控下，将信号进行放大；

嵌入式微电脑：将放大的模拟信号进行A/D转換，进行处理、存储执行或传输。

信号接入单元由三个CD4051或CC4051单8通道数字控制模拟电子开关芯片UIN1、UIN2和UIN3组成，每片各有8个输入端，分别为IN11～IN18、IN21～IN28和IN31～IN38。IN11、IN21和IN31为信号1（IN1）的3个输入端，IN12、IN22和IN33信号2（IN2）的3个输入端，……IN18、IN28和IN38为信号8（IN8）的3个输入端；信号IN1～IN8均在A1、A2和A3上输岀；信号接入单元的信号选通状态由表1中的QH选通信号和控制信号D2、D1及D0状态而定。其中信号接入单元信号选通状态表（QH选通信号为0）见表1。

表1

信号变换单元内包括电阻R1～R11,阻抗变换器GS1～GS6，电子开关S1～S7，输入基准电压Vuot和电子开关的选通信号D2、D1、D0，变换好的信号由B1、B2、B3三个输出端分别输出；其中电子开关S接通条件见表2（此芯片为低电平选通）。

图中Vout为基准电压源，为某些传感器提供电压；R1～R11为电阻；S1～S7为电子开关，由BX为锁存器SC的选通信号，S1～S7状态由D2、D1及D0状态而定，见表2；W1为可变电阻器，用来调节输岀值；GS1～GS6为阻抗变换器，实施时可采用运放作成的电压跟隧器；B1、B2和B3为信号变换后的输岀端；通过信号接入单元后的信号在嵌入式微电脑的控制下，可将mV、mA、热电阻、热电耦等信号直接变换规定的标准信号，实施时该标准信号可为5V；

表2

隔离放大模块由电容隔离组件U1、放大器U2、电阻网络U3组成，其中电容隔离组件U1由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C6、C7组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，B1、B2和B3为变换后的信号输入端，GL为U₁的选通信号，低电平为选通；D0为电子开关控制信号，D0低电平时KC11～KC22都合在左边，即电容C1和C2存入信号，D0高电平时，信号传给运算放大器U₂；U₂和U₃构成可编程放大器，即在来自嵌入式微电脑的放大选控信号下，调节数字电位器SD1、SD2和SD3的阻值，实现放大倍数的变化，即改变信号的量程，进而提高信号变换的精度；

当检测热电阻Rt信号时，需占用B1、B2和B3三个输入端，相当于输入端Rt信号传到U1入端，因为热电阻连线上也有电压产生，即B2和B3两端电压，当GL和D0为低电平时，电子开关合在左边，电容C1和C2上存入信号，当GL为低电平，D0为高电平时，电子开关合在右边，这样电容C1上的电压减去导线在C2上存入的电压，即去掉导线上压降的影响；这样即保证了高可靠的隔离(与常规光电耦合器隔离相比)，又提高信变换的精度。

嵌入式微电脑是网络信号采集模块的核心部件，包括A/D转换器、基准电压源、DSP控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与DSP控制器连接；DSP控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与DSP控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out，A/D转换器根据规定要求设有高精度参考电源，供模数转换使用。

其中A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，实施例中采用±18位高分辩率A/D转换器，如美信公司产品MAX132MRC芯片，串行、低功耗，温度范围－55℃～＋125℃；DSP为数字信号处理器，是嵌入式微电脑中央处理的核心部件，实施例采用德卅仪器(TI)的TMS320C2407，16位DSP；存储器：由于DSP片内存储器容量小，需外加只读存储器；网络接口：由于网络信号采集模块采用Profibus-DP和Modbus现场总线，所以专设网络接口；基准电压源：为A/D转换器提供基准电压，一般采用5V或2.5V的高准确，且稳定的直流电源；USB接口：为转存设置或输岀必要的信息；DS18B20：是一线总线式数字温度变送器，本发明中是输入端接热电耦冷端补偿用。

见图9，电能计量单元中电能计量装置控制器通过profibus-DP和modbus局域网分别与各用电系统的网络电量计量装置相连。

实施例中以球磨机群电量检测系统为例，球磨机群必须有供电电源，电量包括电压、电流、频率、有功功率、无功功率和功率因数等；网络电量计量装置是一种模块化的网络电量计量装置，可完成多种电量的计量、处理、存储、和按现场总线协议的网络传输至球磨机群监测系统；电力光纤专供网络通讯使用，其架设方便，传输速率快，成本低。

见图10，网络电量计量装置中网络电量计量装置控制器分别与ASLC测量芯片、键盘、报警器、显示屏、看门狗电路、时钟电路、基准测温元件相连，网络电量计量装置控制器的开关量输入与光电隔离电路一相连；网络电量计量装置控制器的开关量输出与光电隔离电路二相连；网络电量计量装置控制器的网络接点经光电隔离电路三与RS485接口相连；网络电量计量装置控制器的恒流输出端经光电隔离电路四与4～20mA恒流输出相连。

实施例中，网络电量计量装置控制器是由8位单片微机组成的嵌入式微电脑；ASLC测量芯片是电量测量专用芯片，输入端接有来自被测电量的电流传感器CT和电压传感器PT，完成电量测量后，将数据传给网络电量计量装置控制器进一步处理、存储和网络传输；4～20mA恒流输岀端为其外接传感器提供标准电流源；S18B20是一线总线式数字温度变送器，本发明中是为测量本电量计量装置内部温升而专设的；时钟是专为计量电量和低谷(23时～次日7时为低谷时间，其电价约为峰时的一半)电量而设置的。

当前，用于大型企业，最理想的能源计量设备是完全采用标准化、模块化结构的网络计量装置。它不是一量一表，而是采用多路输入、信号统一调理、隔离可编程放大、A/D转换和嵌入式微电脑处理的网络智能计量模块。将多个模拟信号同时接入，分时转换成数字信号，经嵌入式微电脑智能处理、决策，通过有线或无线通信网络（备有现场总线协议），同时进行能源处理、统计、存储或执行。将各工位、车间、分厂的数据进行单元汇总，再进入局域网，最后再由企业能源计量管理中心集中。这种方法设备简单、功能强、精度高、速度快、智能化、成本低、组网灵活，适合大型企业能源计量使用，可以节约大量管理设备和连线。

Claims

1.大型企业能源计量管理系统，包括能源计量管理控制中心、能源介质计量单元和能源管理单元，能源计量管理控制中心通过profibus-DP和modbus局域网与能源介质计量单元、能源管理单元和监控中心相连，其特征在于，所述能源介质计量单元由多路单元计量单元及电量计量单元组成；所述能源管理系统分别包括报表统计单元、相关数据输入单元、能源监测分析单元、系统监视单元、决策单元和电能质量就地治理单元，能源计量管理控制中心通过局域网络分别与GPRS无线收发装置、领导办公室、ERP管理中心、调度中心相连，能源介质计量单元通过GPRS无线收发装置与能源计量管理控制中心实现数据的无线传送。

2.根据权利要求1所述的大型企业能源计量管理系统，其特征在于，所述单元计量单元中单元计量单元控制器分别与显示屏、GPRS无线收发装置相连，单元计量单元控制器通过局域网与各现场计量能源的网络信号采集器相连。

3.根据权利要求2所述的大型企业能源计量管理系统，其特征在于，所述网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大模块和嵌入式微电脑依次连接组成，所述隔离放大模块由电容隔离组件U1、放大器U2、电阻网络U3组成，其中电容隔离组件U1由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C1、C2组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，当检测热电阻信号时，信号由B1、B2和B3进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C1、C2充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C1充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C2充电，由于电子开关Kc21的输出接地，使电容C1上的电压和电容C2上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；

4.根据权利要求1所述的大型企业能源计量管理系统，其特征在于，所述电能计量单元中电能计量装置控制器通过profibus-DP和modbus局域网分别与各用电系统的网络电量计量装置相连。

5.根据权利要求4所述的大型企业能源计量管理系统，其特征在于，所述网络电量计量装置中网络电量计量装置控制器分别与ASLC测量芯片、键盘、报警器、显示屏、看门狗电路、时钟电路、基准测温元件相连，网络电量计量装置控制器的开关量输入与光电隔离电路一相连；网络电量计量装置控制器的开关量输出与光电隔离电路二相连；网络电量计量装置控制器的网络接点经光电隔离电路三与RS485接口相连；网络电量计量装置控制器的恒流输出端经光电隔离电路四与4～20mA恒流输出相连。

6.根据权利要求1所述的大型企业能源计量管理系统，其特征在于，所述电能质量就地治理单元包括无功补偿装置和谐波一致装置。