船舶企业电能智能化管理系统的设计与应用

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摘 要：论述了船舶企业高电耗的主要表现，为了达到船舶建造企业节电增效的目标，利用先进的物联网技术、传感器技术、智能仪表及嵌入式技术，研究并提出了船舶企业电能智能化应用的思路。同时通过对国内外电能研究的综合分析，设计了电能智能化的管理系统方案，阐述了电能智能化管理的应用效果，最后总结了系统的特点与未来发展方向。

关键词：电能；智能化；船舶企业；物联网；GPRS

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）08-0084-03

0 引 言

电能是造船企业使用的主要能源，经了解我国船舶建造的万元电耗平均水平与世界先进造船企业相比，要高出5倍以上，各造船厂之间的电耗水平差距也很大。节电是节能减排的重点内容，也是降低造船成本和增加经济效益的一项重要措施。造船企业高电耗主要表现在以下几方面：

（1）由于没有智能化的管理工具，节电增效工作无处着手，节电措施不力和相关的统计、计量、考核制度不完善所造成；

（2）企业由于管理、设计、工艺、生产计划等各方面的原因，电能利用效率普遍偏低；

（3）由于变压器及配电线路配置不合理；设备配置不合理，“大马拉小车”情况严重；流体设备运行工艺不合理；电能设备陈旧老化导致供配电系统运行效率低，从而产生高电耗；

（4）电力品质低且质量差，主要由于瞬变电压和浪涌电流的影响；供电电压不稳影响；以及谐波的影响电压和电流的波形产生畸变，恶化电力品质，不但增加电耗，也影响了电能安全和设备使用寿命；

（5）电能管理方式粗放，能效与供电系统及各种设备的运行状态管理、维护、检修密不可分，而大部分企业只从保障设备能正常运行的角度对电能进行管理，没有从使用效率、生产成本和设备使用寿命等角度对电能进行精细管理，由于缺乏科学有效的电能利用及电能质量管理手段，企业一般都不知道电能主要消耗在什么地方，电能质量有没有被污染以及污染程度有多大？不清楚什么时间消耗了多少，不明白电能浪费的漏洞在哪里，更不清楚改善的机会有哪些；

（6）企业电能结构复杂、且分布地域广泛的特点；很难实现对电能的使用状态、电能运行情况、电能分布状况的实时跟踪和统计等方面的管理。

因此，为了达到船舶建造企业节电增效的目标，文中利用先进的物联网技术，传感器技术、智能仪表及嵌入式技术，研究并提出了船舶企业电能智能化应用思路，此思路紧密与企业的生产工艺流程相结合，将企业日常生产中消耗的电能数据进行动态的采集，并利用移动的网络通讯技术，将数据及时传送到电能智能化管理平台，实现对数据的运算、统计和分析，形成企业需要的各种电能报表，使企业工作人员、管理人员、决策人员实时掌握电能消耗和电能分布情况，有效控制电能消耗，及时发现生产过程中的电能症结，及时采取措施，及时调度指挥，及时操作，充分利电能价政策，提高日负荷率及功率因素，降低线路功率损失，优化运行空气压缩系统，改进并优化高电耗的设备，实现能效智能化、精益化管理，达到最大限度的减少造船生产电能能耗，降低生产成本，增加企业效益，提升企业核心竞争力。

1 电能智能化的国内外发展综述

1.1 国外电能智能研究现状

电能量化系统自八十年代中叶诞生于美国后，在世界各地得到了迅猛的发展，迅速扩展到电、气、热等各个领域。在美国、加拿大、日本和西欧等一些发达国家和地区都广泛采用远程电能量化系统代替传统的人工抄表。此系统的快速发展得益于上世纪80年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展，美国于1986年就建立了自动抄表研究协会，AMRA （Automatic Meter Reading Association），每一年半左右开一次国际性年会，每次年会都有专题报道，旨在进一步发展和推广AMR（Automatic MeterReading）技术。近年来，欧洲自动抄表技术协会 （EUROAMRA）和英国自动抄表技术协会（UKAMRA）也相继成立。与此同时，IEC的Tcl3和Tc57两大标准化组织在其标准体系中都为AMR系统制定了相关的标准。各种形式的AMR系统，各种新的AMR技术不断推陈出新，推动着整个电能量化系统的发展。它们使得系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程中迈出了坚实的一步，如今电能量化系统达到可以大规模推广的实用性阶段。上世纪80年代中期以来，美国在AMR技术的开发和应用上就已取得了长足的进步。在科罗拉多州丹佛市，一家公用事业企业将77万余台智能电表和67万余台煤气表实现了远程控制，成为当时美国推广应用量最大的一家公司；2004年，美国共有971项AMR应用项目，其中约有2 200万台智能电表实现了远程电能量化管理。

1.2 国内电能智能系统研究现状

二十世纪90年代，电能量化系统技术被引进到中国，国内许多研究机构和企业纷纷投入对电能量化的研究。早期的AMR系统主要用于大电网的电能量考核结算，随着国内居民电能一户一表政策的推行和住宅小区智能化的发展，国内一些公司开始了对此的研发和推广。1993年，广州科立通电能公司研制出国内第一套居民远程电能量量化系统。到90年代中期，国内己有不少研制成功的自动电能量化系统，例如常州的“YH5551型集中自动抄表系统”、太原的“煤气表读数遥测系统”、中科院合肥智能所的“煤气表户外自动抄表装置”和上海市公用事业研究所1997年开发成功的“水、煤气表合抄集中自动抄表系统”。不久前，沈阳汇成电缆厂开发出了DYYVP22型电能表自动抄表系统专电能缆。经过十几年的发展，AMR技术已经在我国得到了广泛的应用，各种AMR技术和系统的研究，己成为各个AMR系统生产企业和科研机构竞相追逐的热点。

综上所述，基于电能数据采集及量化管理初级阶段，国内外尚未发现船舶企业电能智能化管理应用。 因此，船舶企业电能网络化、信息化、自动化、智能化和集成化已成为企业电能智能管理应用的必然发展趋势，它为船舶企业电力资源的优化和事故分析提供实时可靠的数据，为生产电能综合评估提供切实依据，成为企业节能减排必不可少的手段。

2 电能智能化设计

经过深入调研，并结合船舶企业现状，现提出电能智能化管理的如下设计思路。

2.1 系统总体设计拓扑结构

电能智能化系统整个架构采用基于TD/GPRS的无线网络通讯，大大降低了项目投资成本和施工难度，系统架构如图1所示。

2.2 系统功能

电能智能化应用主要通过对企业各生产流程加装多功能智能电度表，并进行数据的动态实时采集、数据分析和统计，让计量人员、管理人员及决策人员实时了解企业电量的运行情况、分布情况，也为管理人员、决策人员进行电量再分配、电能优化、电能负荷管理等提供有力的数据保障。

2.3 系统管理

系统管理主要包括对电能智能管理系统的运行配置管理、通讯接口管理和用户权限管理，主要是用户权限管理（权限管理包括部门管理、人员管理和授权管理），通过权限管理，可对企业计量人员、管理人员、决策人员进行有效的组织和分工，并使电能智能管理系统在可靠性、安全性等方面比通用软件有更大的提高。

2.4 数据采集

数据采集是电能智能管理的基本功能，数据采集通过数据采集与传输设备和多功能智能电度表通过RS485总线连接，通过DL＼645协议轮训式问答，实时采集每台多功能智能电度表的数据，包括：电流、电压、功能和电度等，再通过移动网络的GPRS，将数据传送到电能智能管理系统进行数据存储，并通过直观的人机界面（HMI）展现给计量人员及管理人员，图2所示是其实际而直观的人机界面图。

2.5 数据查询

数据查询包括实时数据查询和历史数据查询，实时数据查询可以按智能仪表的所在地或表名实时查询每块表的当前数据，也可实现每个生产流程的电能数据消耗查询；历史数据查询可查询历史任意时间及时间段查询每块表中每个数据的历史值，并通过图标的方式直观地展现给用户，图3所示是可以展现给用户的数据查询图。

2.6 数据统计

由于多功能智能电度表读取的电度量都为累计值，直接通过累计值无法算出当日、旬、月甚至年的电量消耗，但电能智能管理系统的数据统计功能直接在后台运算，只要鼠标轻松一击，就可以通过图形直观显示，图4所示是其数据统计结果显示图。

2.7 数据分析

电能智能管理系统可进行高级数据分析，可同时对图5所示的某种数据或多个数据进行历史数据分析。分析方式可通过曲线、图标、棒图/饼图等，通过历史一段时间内的数据变化趋势及异常数据出现的频率高低，可对历史时间内的电能质量进行分析，找出问题缺陷，为电量再分配、负荷调整等提供数据依据。

2.8 数据报警

数据报警是电能智能管理系统的重要功能，数据报警主要用于对电能不合理或超出额定值等超负荷情况下进行工作，造成电能的额外消耗，针对此类情况，系统提供了弹画面报警和声音报警，同时，考虑有时人员可能不在现场，且现场环境复杂，有时可能听不到报警，导致没有及时知道报警而立即做出处理，带来电能的严重消耗，为避免此类问题，系统对数据报警提供更高级的数据报警功能，当报警时，系统会自动通过移动网路的GPRS，通过短信实时传输到计量人员、管理人员手机、手持终端上，即时提醒计量人员、管理人员对报警信息的处理，排除安全隐患，保证安全生产。

2.9 决策报表

电能智能系统强劲的报表系统可解决用户日常计量所需要的日报、旬报、月报及年报，系统通过类Excel电子表格方式将数据直观地展现给计量人员，并可进行报表的在线打印，图6所示是电能智能系统在线打印的报表图。

3 电能智能化应用

3.1 效益分析

电能智能管理系统可实时采集、监控生产电能数据，分析企业的电能分布情况、生产车间电能情况、设备的耗电情况等，对电能不合理或电能分配不当及时处理，加强改进措施，降低生产能耗，可为船舶企业的成本控制奠定基础。

通过对企业生产过程电能情况的全面监测和数据分析，使得船舶企业的生产经营决策在一定程度上摆脱主观判断，以客观的计量数据和对数据的统计分析为依据。

电能智能管理采用很多先进的物联网、自动化技术和信息化技术，可满足船舶企业的信息向智能化发展的需要。

3.2 风险控制

由于系统的建设和使用，需要企业对原有的业务模式和人员安排进行必要的培训，以避免由此带来的风险。

3.3 投资成本

投资成本包括以下几部分，它们是系统软硬件采购成本、系统集成成本、业务模式、管理方式、人员安排成本、人员培训成本以及系统维护成本。

4 结 语

通过对船舶企业电能智能化应用的深入研究，可以深刻感受到此应用鲜明的特点。

首先，采用先进的系统架构体系和基于3G的网络通讯技术设备，可以做到配置和技术应用的先进；其次，在经济和实用性方面，智能化设备管理以实用性为原则，充分利用现代化信息技术、移动通讯技术，在系统整体设计、硬件软件选型时结合企业现有系统实际情况，确定了合理、高性价比的建设方案。

本电能智能化应用系统的软件和硬件平台均采用模块化设计与开发，具有良好的可扩充、扩展能力，能够非常方便地进行系统升级和更新，以适应今后业务的不断发展，并提供与ERP系统的数据接口。另外，由于主干网和数据通讯多采用无线通讯技术和3G通讯技术，减少了复杂的人工布线，以便于管理和维护。

依据某船舶集团的发展现状和未来发展规划，作者采用“总体规划、分步实施”的原则，项目前期可通过具备实施条件的区域先上，再逐步向其它生产线扩展，将实现企业每条生产线的电能智能管理，使企业实现‘电能有计量、考核有依据’。

下一步，笔者将研究与现有ERP平台进行整合，有效地进行信息资源共享，为船舶企业信化向智能化发展添砖加瓦。

参 考 文 献

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