淺談配電能效管理系統在紡織廠能耗成本的研究

摘要：為了降低棉紡織廠能耗費用，利用能源管理系統獲取的大數據，對棉紡織廠電價形成機制中的電度電費、基本電費、功率因數調節電費的影響因素進行了分析。通過合理生產調度、改造設備和提升設備管理水平等技術管理措施，年節約電度電費43.6萬元，基本電費14萬元，功率因數調節電費51.2萬元，合計節約電費108.8萬元。認為：充分發揮能源管理系統的作用，對于降低企業能耗成本有著積極作用。

關鍵詞：棉紡織廠；能源管理系統；數據采集；能耗成本；基本電費；功率因數；有功功率

0引言

棉紡織廠能耗成本大約占生產成本的15%左右，特別是在當前碳達峰、碳中和戰略目標實施階段，能源管理工作對于紡織廠來說顯得尤為重要。我公司新廠區2014年建成投產，在生產管理環節引入了一體化的生產管理系統，能源管理系統作為其子系統服務于生產工序的各個環節，在能源供應、調度、能耗分析、成本核算、故障響應等工作中發揮著重要作用。能源管理系統（以下簡稱EMS）的核心是成本控制，服務于生產、生活，涉及到企業生產、服務、生活的各個環節。整個系統分為縱向控制和橫向控制。在管理模式上盡量減少了縱向層級，通過現代信息化手段使能源管理扁平化，時效化［1］。

1能源管理系統

EMS是幫助工業生產企業在擴大生產的同時，以合理計劃利用能源，降低單位產品的能源消耗，提高經濟效益，降低CO2排放量為目的信息化管控系統。我國的能源管理工作從20世紀80年代中期開始，通過“能量平衡測試"“能源審計"，督促用能單位規范安裝計量儀表，推動高耗能落后設備的淘汰、主要設備的節能改造、用能系統節能優化改造工作。如今一個全員參與、整體全面、常態化的節能管理工作越來越得到國家和企業的重視。

EMS作為棉紡織企業自動化和信息化管理的重要組成部分，不僅對能源的統一調度、優化電力峰谷使用、減少蒸汽用量、提高水重復使用率、降低噸紗能耗和百米布能耗有重要作用，而且對于能源事故預案的制定和執行、事故原因的快速分析和及時判斷處理、能源供需的合理調整和平衡，以及在客觀信息基礎上的能源實績分析、能源計劃編制、能源質量管理、能源系統的預測等都是十分有效的，其具有以下特點。

1. 完善能源信息的采集、存儲、管理和能源的有效利用。EMS對能源數據進行分析、處理和加工，能源調度人員和專業能源管理人員能實時掌握系統狀態，經過系統的合理調整，確保系統運行在*佳狀態。能源統計全面。EMS從企業全局角度審視能源的基本管理需求，滿足能源工藝系統分散特性和能源管理需要集中的客觀要求，以適應企業的戰略發展需要。圖1為我廠電力供應網絡圖。電力數據通過不同計量層級的智能儀表進行采集、傳輸。及時掌握各車間、部門的能源利用水平，是企業層面進行能源生產調度的基礎。相比人工采集，EMS采集的數據是同一時間斷面的數據，更全面、準確。通過對不同層級能源數據的匯總、分析對比，對企業能源平衡、能源利用和能源損耗的情況了解得十分具體。

圖1電力供應網絡

（2）能源統計及時準確。針對不同計量層級EMS采集數據頻率有著不同的設置，層級越低采集的周期越長，*長不超過1h，*短1min。根據不同層級以日報和月報形式提供能源數據報表，使得企業獲取的數據更加客觀、及時。

2 EMS在降低用能成本中的作用

我公司電費電價執行的是“大工業電價"，即兩部制電價，兩部制電價電費包括基本電費、電度電費和功率因數調節電費，以1個月為結算周期。月總電費Z=基本電費J+電度電費D+功率因數調節電費T。

2.1 EMS在降低電度電費D中的作用

電度電費計價：大工業生產采用峰平谷階段電價計算，目前峰值單價P峰為0.7324元/（kW·h）；平值單價P平為0.4672元/（kW·h）；谷值單價P谷為0.2020元/（kW·h）。平均電度電費D=0.7342×Q峰+0.4672×Q平+0.2020×Q谷，Q峰、Q平、Q谷分別為峰值、平值和谷值用電量。要降低平均電度電費D，在總用電量不變的情況下，消峰填谷降低Q峰占比，提高Q平和Q谷是重要的途徑，掌握全廠24h負荷分布情況，合理生產調度調節［2］。

棉紡織企業采用連續生產模式正常情況下峰平谷電均占生產總用電量1/3。平均電度電價Pˉ=（P峰+P平+P谷）/3=0.4678［元/（kW·h）］。我們利用EMS系統電力功率分布曲線不斷優化生產調度、調整生產節拍，使峰平谷電量占比不斷優化，當前達到了峰電32.74%、平電33.34%、谷電33.92%，平均電度電價Pˉ為0.4645元/（kW·h）。電價下降約0.0033元/（kW·h），月均用電1100萬kW·h，則月可節約電費3.63萬元，年節約電費43.56萬元。

2.2 EMS在降低基本電費中的作用

基本電費是按照變壓器容量（kVA）計算或*大需量（kW）計算，我廠選擇*大需量計算。*大需量MD（kW）以有功電表連續15min穩定的*大負荷記錄為準，西安地區基本電價為31元/kW，基本電費J=31×MD。在整個電費中基本電費占比也較高，約占10%。降低基本電費對于降低用電成本非常重要。

利用EMS系統對*大需量發生時段前后功率曲線進行對比分析，根據計量電表顯示某月*大需量達到了16012kW，通過EMS調取了*大需量發生時的全天功率曲線圖，*大值為16313kW，發生時間在10：26。調查得知當天10：00左右開啟了冷凍機組YKR2k45DGG，冷凍機組額定功率1196kW，運行功率在600kW左右，對比當天（A天）和前一天（B天）的功率曲線，10：00—16：00為電力負荷較高的時間段，冷凍機組啟動時全廠達到了峰值負荷。假設以前一天（B天）同時段未開啟冷凍機組時功率平均值作為基準來計算峰值負荷，功率曲線10：00—16：00的平均功率在15200kW左右。通過對EMS所提供的A天功率曲線數據分析，發現冷凍機組在啟動階段（1h）后負荷就逐漸降低了，10：00—11：00平均功率15900kW；11：00—16：00平均功率15600kW。大功率機組啟動對于月*大需量有著重要影響。通過進一步分析發現，A天負荷*小值為12844kW發生在7：00—9：00的7：28，此時段平均功率13600kW，平均值為14200kW。如果將大功率設備開啟時間調整到此時間段，月*大需量將降低300kW~400kW。綜合安排，我們對冷凍機組和空調風機等大功率設備檢修調試開臺時間作出調整，盡量安排在7：00—9：00。通過實際效果檢驗，*大需量下降400kW~500kW，月節約基本電費約12400元，年節約14萬元。

2.3 EMS在提高功率因數調節電費中的作用

我公司供電電壓為110kV，根據相關規定功率因數標準值為0.85，根據實測有功電量和無功電量計算當月功率因數，再按照“功率因數調整電費表"所規定的百分數增減電費。表1為“功率因數調整電費表"。為了提高功率因數，經濟用電，我們采取了以下措施。

表1功率因數調整電費表

適度投用變壓器附帶的移相電容器，補償用電設備所需的無功功率，以提高其功率因數。但是投用變壓器移相電容器存在以下問題。一是，補償設備本身也有功率消耗，補償設備投用是需要能源的，投用的越多本身耗能也越多。二是，棉紡織廠由于設備密集，大量采用電力電子設備如整流器、變頻器、開關電源等，可飽和設備如變壓器、電動機等，電光源設備如日光燈等，這些設備均是諧波源，運行時將產生大量的諧波。而并聯到線路上進行無功補償的電容器對諧波會有放大作用，使得系統電壓及電流的畸變更加嚴重。并且，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，會造成溫度升高，減少電容器的使用壽命［3］。

為此，通過EMS對全公司20臺投運變壓器進行實時監測，動態了解各變壓器的功率因數變化情況。通過數據分析，發現5臺變壓器投用移相電容器后諧波嚴重，過高的諧波電流使變壓器的銅損耗增加，引起局部過熱、振動、噪聲增大、繞組附加發熱。并且諧波污染經常導致相關區域的機臺通訊故障，嚴重時甚至造成服務器端口燒毀?；贓MS提供的可靠數據，我們在這5臺變壓器上加裝了變壓器智能節能裝備。智能節電保護裝備融入了電磁平衡技術，使三相輸出電壓、電流趨于平衡穩定，采用控制技術智能調整變壓器輸出的過剩和畸變電壓，降低設備啟動電流，削減回路中高次諧波，降低浪涌電流和閃變電壓，提高了變壓器功率因數，提升電能利用效率［4］?；诖隧椉夹g，2020年節電約120萬kW·h。表2為加裝變壓器智能節能裝備后EMS采集的功率因數。杜絕變壓器空載運行。通過EMS建立全公司各機臺品種能耗監測，及時發現低效率機臺并進行整改，從而降低機臺空載和低載運行時間。

表2加裝變壓器智能節能裝備后各變壓器功率因數統計表

通過實施以上技術措施，全公司功率因數達到了0.92~0.93，相應的電費下降了0.80%~

0.95%，按我公司年電費約6400萬元計算，年節約電費約51.2萬元。

3 AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺

3.1平臺概述

AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺集變電站綜合自動化、電力監控、電能質量分析及治理、電氣安全、能耗分析、照明控制、設備運維于一體，為建立可靠、安全、高效的工廠能源管理體系提供數據支持。同時引入技術，配合廠務系統優化，簡化全廠管理，并利用實時數據，優化能效并預防風險，保障關鍵制造設備的穩定運行和良品率，降低綜合成本，*終達到高效運營和制造的目的。

3.2.平臺組成

安科瑞AcrelEMS-SEMI電子廠房管理系統是一個深度集成的自動化平臺，它集成了電力監控系統、變電所綜合自動化、電能質量監測與治理、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、消防應急照明和疏散指示系統、智能照明控制系統、能耗監測系統、新能源充電樁、預付費系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對電子廠房的用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足廠房用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

4平臺拓撲圖

5平臺子系統

5.1電力監控

電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

5.2電能質量監測與治理

監測各進線回路電能質量，包括電壓暫降、諧波畸變、閃變等數據波形記錄，進而判斷配電系統擾動方向。

配置有源濾波裝置和無功補償裝置對0.4kV側電能質量進行補償和治理，并監測有源濾波裝置和無功補償裝置運行情況，確保電能質量符合生產要求。

5.3變電站綜合自動化

變電站綜合自動化系統主要針對110kV變電站、10kV變電所和10kV柴油發電機部分，在變電站設置Acrel-1000變電站綜合自動化系統子站，實現本地遙測、遙信、遙控、報警、報表等功能，并把數據上傳至AcrelEMS-SEMI能效管理平臺，實現集中監測和報警。

5.4電氣安全

AcrelEMS電子廠房能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

5.5智能照明控制

單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式。

5.6能耗分析

AcrelEMS電子廠房能效管理系統為工廠搭建計量體系，顯示能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助企業分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對工廠用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

5.7充電樁管理

電動汽車和電瓶車充電樁管理，包括收費管理、資產管理。

5.8職工公寓管理

對廠區內職工宿舍進行負載管理，包括惡性負載識別管理、負載閾值管理，避免因為惡性負載引起火災。對員工宿舍進行水電收費管理，支持微信、支付寶等繳費方式，采集職工宿舍能耗數據。

6相關平臺部署硬件選型清單

6.1電力監控系統硬件配置

6.2能耗管理系統硬件配置方案