船舶企業(yè)電能智能化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

電能是造船企業(yè)使用的主要能源，經(jīng)了解我國船舶建造的萬元電耗平均水平與世界先進(jìn)造船企業(yè)相比，要高出5倍以上，各造船廠之間的電耗水平差距也很大。節(jié)電是節(jié)能減排的重點(diǎn)內(nèi)容，也是降低造船成本和增加經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)重要措施。造船企業(yè)高電耗主要表現(xiàn)在以下幾方面：

由于沒有智能化的管理工具，節(jié)電增效工作無處著手,節(jié)電措施不力和相關(guān)的統(tǒng)計(jì)、計(jì)量、考核制度不完善所造成；

企業(yè)由于管理、設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)計(jì)劃等各方面的原因，電能利用效率普遍偏低；

由于變壓器及配電線路配置不合理;設(shè)備配置不合理,“大馬拉小車”情況嚴(yán)重；流體設(shè)備運(yùn)行工藝不合理；電能設(shè)備陳舊老化導(dǎo)致供配電系統(tǒng)運(yùn)行效率低，從而產(chǎn)生高電耗；

電力品質(zhì)低且質(zhì)量差，主要由于瞬變電壓和浪涌電流的影響；供電電壓不穩(wěn)影響；以及諧波的影響電壓和電流的波形產(chǎn)生畸變，惡化電力品質(zhì)，不但增加電耗，也影響了電能安全和設(shè)備使用壽命；

電能管理方式粗放，能效與供電系統(tǒng)及各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)管理、維護(hù)、檢修密不可分，而大部分企業(yè)只從保障設(shè)備能正常運(yùn)行的角度對(duì)電能進(jìn)行管理，沒有從使用效率、生產(chǎn)成本和設(shè)備使用壽命等角度對(duì)電能進(jìn)行精細(xì)管理，由于缺乏科學(xué)有效的電能利用及電能質(zhì)量管理手段，企業(yè)一般都不知道電能主要消耗在什么地方，電能質(zhì)量有沒有被污染以及污染程度有多大？不清楚什么時(shí)間消耗了多少，不明白電能浪費(fèi)的漏洞在哪里，更不清楚改善的機(jī)會(huì)有哪些；

企業(yè)電能結(jié)構(gòu)復(fù)雜、且分布地域廣泛的特點(diǎn)；很難實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的使用狀態(tài)、電能運(yùn)行情況、電能分布狀況的實(shí)時(shí)跟蹤和統(tǒng)計(jì)等方面的管理。

因此，為了達(dá)到船舶建造企業(yè)節(jié)電增效的目標(biāo)，文中利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，傳感器技術(shù)、智能儀表及嵌入式技術(shù),研究并提出了船舶企業(yè)電能智能化應(yīng)用思路，此思路緊密與企業(yè)的生產(chǎn)工藝流程相結(jié)合，將企業(yè)日常生產(chǎn)中消耗的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的采集，并利用移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到電能智能化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)和分析,形成企業(yè)需要的各種電能報(bào)表，使企業(yè)工作人員、管理人員、決策人員實(shí)時(shí)掌握電能消耗和電能分布情況，有效控制電能消耗，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的電能癥結(jié)，及時(shí)采取措施，及時(shí)調(diào)度指揮，及時(shí)操作，充分利電能價(jià)政策，提高日負(fù)荷率及功率因素，降低線路功率損失，優(yōu)化運(yùn)行空氣壓縮系統(tǒng)，改進(jìn)并優(yōu)化高電耗的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)能效智能化、精益化管理，達(dá)到最大限度的減少造船生產(chǎn)電能能耗，降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)效益，提升企業(yè)核心競爭力。

1電能智能化的國內(nèi)外發(fā)展綜述

1.1國外電能智能研究現(xiàn)狀

電能量化系統(tǒng)自八十年代中葉誕生于美國后，在世界各地得到了迅猛的發(fā)展，迅速擴(kuò)展到電、氣、熱等各個(gè)領(lǐng)域。在美國、加拿大、日本和西歐等一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都廣泛采用遠(yuǎn)程電能量化系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工抄表。此系統(tǒng)的快速發(fā)展得益于上世紀(jì)80年代計(jì)算機(jī)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和通訊技術(shù)的高速發(fā)展，美國于1986年就建立了自動(dòng)抄表研究協(xié)會(huì)，AMRA(AutomaticMeterReadingAssociation)，每一年半左右開一次國際性年會(huì)，每次年會(huì)都有專題報(bào)道，旨在進(jìn)一步發(fā)展和推廣AMR(AutomaticMeterReading)技術(shù)。近年來，歐洲自動(dòng)抄表技術(shù)協(xié)會(huì)(EUROAMRA)和英國自動(dòng)抄表技術(shù)協(xié)會(huì)(UKAMRA)也相繼成立。與此同時(shí)，IEC的Tcl3和Tc57兩大標(biāo)準(zhǔn)化組織在其標(biāo)準(zhǔn)體系中都為AMR系統(tǒng)制定

了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。各種形式的AMR系統(tǒng)，各種新的AMR技術(shù)不斷推陳出新，推動(dòng)著整個(gè)電能量化系統(tǒng)的發(fā)展。它們使得系統(tǒng)在向著智能化、低功耗、低成本和通信標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的過程中邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，如今電能量化系統(tǒng)達(dá)到可以大規(guī)模推廣的實(shí)用性階段。上世紀(jì)80年代中期以來，美國在AMR技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用上就已取得了長足的進(jìn)步。在科羅拉多州丹佛市，一家公用事業(yè)企業(yè)將77萬余臺(tái)智能電表和67萬余臺(tái)煤氣表實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，成為當(dāng)時(shí)美國推廣應(yīng)用量最大的一家公司;2004年，美國共有971項(xiàng)AMR應(yīng)用項(xiàng)目，其中約有2200萬臺(tái)智能電表實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程電能量化管理。

1.2國內(nèi)電能智能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

二十世紀(jì)90年代，電能量化系統(tǒng)技術(shù)被引進(jìn)到中國，國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛投入對(duì)電能量化的研究。早期的AMR系統(tǒng)主要用于大電網(wǎng)的電能量考核結(jié)算，隨著國內(nèi)居民電能一戶一表政策的推行和住宅小區(qū)智能化的發(fā)展，國內(nèi)一些公司開始了對(duì)此的研發(fā)和推廣1993年，廣州科立通電能公司研制出國內(nèi)第一套居民遠(yuǎn)程電能量量化系統(tǒng)。到90年代中期，國內(nèi)己有不少研制成功的自動(dòng)電能量化系統(tǒng)，例如常州的“YH5551型集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)”、太原的“煤氣表讀數(shù)遙測系統(tǒng)”、中科院合肥智能所的“煤氣表戶外自動(dòng)抄表裝置”和上海市公用事業(yè)研究所1997年開發(fā)成功的“水、煤氣表合抄集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)”不久前，沈陽匯成電纜廠開發(fā)出了DYYVP22型電能表自動(dòng)抄表系統(tǒng)專電能纜。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，AMR技術(shù)已經(jīng)在我國得到了廣泛的應(yīng)用，各種AMR技術(shù)和系統(tǒng)的研究，己成為各個(gè)AMR系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)競相追逐的熱點(diǎn)。

綜上所述，基于電能數(shù)據(jù)采集及量化管理初級(jí)階段，國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)船舶企業(yè)電能智能化管理應(yīng)用。因此，船舶企業(yè)電能網(wǎng)絡(luò)化、信息化、自動(dòng)化、智能化和集成化已成為企業(yè)電能智能管理應(yīng)用的必然發(fā)展趨勢(shì)，它為船舶企業(yè)電力資源的優(yōu)化和事故分析提供實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)電能綜合評(píng)估提供切實(shí)依據(jù)，成為企業(yè)節(jié)能減排必不可少的手段。

2電能智能化設(shè)計(jì)

經(jīng)過深入調(diào)研，并結(jié)合船舶企業(yè)現(xiàn)狀，現(xiàn)提出電能智能化管理的如下設(shè)計(jì)思路。

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電能智能化系統(tǒng)整個(gè)架構(gòu)采用基于TD/GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)通訊，大大降低了項(xiàng)目投資成本和施工難度，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2系統(tǒng)功能

電能智能化應(yīng)用主要通過對(duì)企業(yè)各生產(chǎn)流程加裝多功能智能電度表，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì),讓計(jì)量人員、管理人員及決策人員實(shí)時(shí)了解企業(yè)電量的運(yùn)行情況、分布情況，也為管理人員、決策人員進(jìn)行電量再分配、電能優(yōu)化、電能負(fù)荷管理等提供有力的數(shù)據(jù)保障。

2.3系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理主要包括對(duì)電能智能管理系統(tǒng)的運(yùn)行配置管理、通訊接口管理和用戶權(quán)限管理，主要是用戶權(quán)限管理(權(quán)限管理包括部門管理、人員管理和授權(quán)管理)，通過權(quán)限管理,可對(duì)企業(yè)計(jì)量人員、管理人員、決策人員進(jìn)行有效的組織和分工，并使電能智能管理系統(tǒng)在可靠性、安全性等方面比通用軟件有更大的提高。

2.4數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是電能智能管理的基本功能，數(shù)據(jù)采集通過數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備和多功能智能電度表通過RS485總線連接,通過DL\645協(xié)議輪訓(xùn)式問答，實(shí)時(shí)采集每臺(tái)多功能智能電度表的數(shù)據(jù)，包括：電流、電壓、功能和電度等，再通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的GPRS，將數(shù)據(jù)傳送到電能智能管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過直觀的人機(jī)界面(HMI)展現(xiàn)給計(jì)量人員及管理人員，圖2所示是其實(shí)際而直觀的人機(jī)界面圖。

2.5數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢可以按智能儀表的所在地或表名實(shí)時(shí)查詢每塊表的當(dāng)前數(shù)據(jù)，也可實(shí)現(xiàn)每個(gè)生產(chǎn)流程的電能數(shù)據(jù)消耗查詢；歷史數(shù)據(jù)查詢可查詢歷史任意時(shí)間及時(shí)間段查詢每塊表中每個(gè)數(shù)據(jù)的歷史值，并通過圖標(biāo)的方式直觀地展現(xiàn)給用戶，圖3所示是可以展現(xiàn)給用戶的數(shù)據(jù)查詢圖。

圖3可展現(xiàn)給用戶的數(shù)據(jù)查詢圖

2.6數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由于多功能智能電度表讀取的電度量都為累計(jì)值，直接通過累計(jì)值無法算出當(dāng)日、旬、月甚至年的電量消耗，但電能智能管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能直接在后臺(tái)運(yùn)算，只要鼠標(biāo)輕松一擊，就可以通過圖形直觀顯示，圖4所示是其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示圖。

圖4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.7數(shù)據(jù)分析

電能智能管理系統(tǒng)可進(jìn)行高級(jí)數(shù)據(jù)分析，可同時(shí)對(duì)圖5所示的某種數(shù)據(jù)或多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析。分析方式可通過曲線、圖標(biāo)、棒圖/餅圖等，通過歷史一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)及異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率高低，可對(duì)歷史時(shí)間內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行分析，找出問題缺陷，為電量再分配、負(fù)荷調(diào)整等提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖5某種或多個(gè)歷史數(shù)據(jù)分析圖

2.8數(shù)據(jù)報(bào)警

數(shù)據(jù)報(bào)警是電能智能管理系統(tǒng)的重要功能，數(shù)據(jù)報(bào)警主要用于對(duì)電能不合理或超出額定值等超負(fù)荷情況下進(jìn)行工作,

/86物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2014年/第8期造成電能的額外消耗，針對(duì)此類情況，系統(tǒng)提供了彈畫面報(bào)警和聲音報(bào)警，同時(shí)，考慮有時(shí)人員可能不在現(xiàn)場，且現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，有時(shí)可能聽不到報(bào)警，導(dǎo)致沒有及時(shí)知道報(bào)警而立即做出處理，帶來電能的嚴(yán)重消耗，為避免此類問題，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)警提供更高級(jí)的數(shù)據(jù)報(bào)警功能，當(dāng)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過移動(dòng)網(wǎng)路的GPRS，通過短信實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)量人員、管理人員手機(jī)、手持終端上，即時(shí)提醒計(jì)量人員、管理人員對(duì)報(bào)警信息的處理，排除安全隱患，保證安全生產(chǎn)。

2.9決策報(bào)表

電能智能系統(tǒng)強(qiáng)勁的報(bào)表系統(tǒng)可解決用戶日常計(jì)量所需要的日?qǐng)?bào)、旬報(bào)、月報(bào)及年報(bào)，系統(tǒng)通過類Excel電子表格方式將數(shù)據(jù)直觀地展現(xiàn)給計(jì)量人員，并可進(jìn)行報(bào)表的在線打印,圖6所示是電能智能系統(tǒng)在線打印的報(bào)表圖。

圖6電能智能系統(tǒng)在線打印的報(bào)表

3電能智能化應(yīng)用

3.1效益分析

電能智能管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控生產(chǎn)電能數(shù)據(jù)，分析企業(yè)的電能分布情況、生產(chǎn)車間電能情況、設(shè)備的耗電情況等，對(duì)電能不合理或電能分配不當(dāng)及時(shí)處理，加強(qiáng)改進(jìn)措施,降低生產(chǎn)能耗，可為船舶企業(yè)的成本控制奠定基礎(chǔ)。

通過對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程電能情況的全面監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析,使得船舶企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營決策在一定程度上擺脫主觀判斷,以客觀的計(jì)量數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析為依據(jù)。

電能智能管理采用很多先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)，可滿足船舶企業(yè)的信息向智能化發(fā)展的需要。

3.2風(fēng)險(xiǎn)控制

由于系統(tǒng)的建設(shè)和使用，需要企業(yè)對(duì)原有的業(yè)務(wù)模式和人員安排進(jìn)行必要的培訓(xùn)，以避免由此帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3投資成本

投資成本包括以下幾部分，它們是系統(tǒng)軟硬件采購成本、系統(tǒng)集成成本、業(yè)務(wù)模式、管理方式、人員安排成本、人員培訓(xùn)成本以及系統(tǒng)維護(hù)成本。

4結(jié)語

通過對(duì)船舶企業(yè)電能智能化應(yīng)用的深入研究，可以深刻感受到此應(yīng)用鮮明的特點(diǎn)。

首先，采用先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)體系和基于3G的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)設(shè)備，可以做到配置和技術(shù)應(yīng)用的先進(jìn)；其次，在經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性方面，智能化設(shè)備管理以實(shí)用性為原則，充分利用現(xiàn)代化信息技術(shù)、移動(dòng)通訊技術(shù)，在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、硬件軟件選型時(shí)結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)際情況，確定了合理、高性價(jià)比的建設(shè)方案。

本電能智能化應(yīng)用系統(tǒng)的軟件和硬件平臺(tái)均采用模塊化設(shè)計(jì)與開發(fā)，具有良好的可擴(kuò)充、擴(kuò)展能力，能夠非常方便地進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和更新，以適應(yīng)今后業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，并提供與ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口。另外，由于主干網(wǎng)和數(shù)據(jù)通訊多采用無線通訊技術(shù)和3G通訊技術(shù)，減少了復(fù)雜的人工布線，以便于管理和維護(hù)。

依據(jù)某船舶集團(tuán)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展規(guī)劃，作者采用“總體規(guī)劃、分步實(shí)施”的原則，項(xiàng)目前期可通過具備實(shí)施條件的區(qū)域先上，再逐步向其它生產(chǎn)線擴(kuò)展，將實(shí)現(xiàn)企業(yè)每條生產(chǎn)線的電能智能管理，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)'電能有計(jì)量、考核有依據(jù)'

下一步，筆者將研究與現(xiàn)有ERP平臺(tái)進(jìn)行整合，有效地進(jìn)行信息資源共享，為船舶企業(yè)信化向智能化發(fā)展添磚加瓦。

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