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一款经济型智能电动机保护器的设计与应用

姚波 陆伟青
（上海安科瑞电气有限公司 上海嘉定 201801）
摘要：介绍一款经济型智能电动机保护器-ARD2型的设计与应用，该保护器将众多保护功能集于一体，针对电动机在实际使用中会遇到的多种故障进行保护，使电机在各种故障条件下不会产生损坏，提高电动机运行的可靠性，减少由于电动机的故障问题带来的生产损失。
关键字：电动机保护器，ARD2型，保护功能，经济型
0 引言
由于生产自动化及各种自动控制、顺序控制设备的出现，要求电机经常运行在频繁的起动、制动、正反转、间歇以及变负荷等方式，电机的运行要求越来越高，运行环境也越来越苛刻，同时，由于电机与配套机械连在一起，当电机发生故障时，经常波及生产系统。因此，对电机实行有效的保护是保证生产系统正常工作的一项重要任务。
本文将要介绍的是ARD2型电动机保护器的经济、简洁的设计方法和应用。该型保护器主要用于对电动机运行状态的监测，并针对电动机在生产运行过程中出现的启动超时、欠压、过压、欠载、过载、短路、堵转/阻塞、断相、不平衡、剩余电流（接地/漏电）等故障进行保护，使电动机不至于因为以上原因而导致损坏，从而使生产遭受损失，采用ARD2电动机保护器能有效提高电动机运行的安全性，降低生产损失，是传统热继电器的理想替代品。
1技术指标

ARD2型智能电动机保护器的技术指标见表1。

2 设计方法
目前市场上综合型的智能电动机保护器的设计主要采用交流采样方式+高性能单片机的方案，采用该设计方法的电动机保护器测量参数多、测量精度高、能够提供更完善的保护功能，但是采用此设计方法的成本较高，销售价格也高，在只需要对电动机提供过载、断相等基本常见故障保护的场合没有性价比可言。因此采用一种设计简单、功能能够满足基本保护要求、主要用于替代热继电器的智能电动机保护器将会有很大的市场。ARD2型保护器就是一款设计简洁，保护功能较多，能够满足大多数电动机保护要求的经济型的智能电动机保护器。
ARD2型智能电动机保护器采用低成本的设计方案，整体系统由信号处理单元、中央处理单元、电源模块、人机交互单元、人机界面、控制模块、通讯接口模块等构成，装置硬件结构如图1所示。
2.1 信号处理单元
信号处理单元采用整流放大滤波电路，见图2，该电路能将采样得到的交流信号整流成直流信号，由CPU片内AD进行转换计算。
图中IC1为运算放大器LM324，采用双电源供电，这样可以保证LM324输出电压达到5V充分利用A/D转换提高显示精度。IC1将采样得到的信号进行两级放大处理，提高了信号的采样精度，保证了信号的线性度。
2.2 中央处理单元
中央处理单元选用MOTOROLA公司的第一款基于高度节能型S08核的器件MC9S08AW32高性能单片机，该单片机片上资源丰富，抗干扰能力突出。内含32K字节用户程序空间，片上集成2K的RAM，支持BDM片上调试功能，片内集成看门狗电路，片上集成8通道10位AD。外部扩展了铁电存储器，用于存储一些重要的参数，即使以后升级程序也不会丢失先前的重要数据。
CPU对采样信号进行处理计算，根据测量得到的电流、电压值与预先设定的各种保护数值进行对比，由此来判断电动机的运行状态是否正常，是否需要进行保护。中央处理单元电路见图3。
2.3 电源模块
采用AC380V电源模块。该电源模块输入电压为AC220V～450V，输入频率45Hz～60Hz，输出电压稳定、故障率小，输出纹波 <1％，转换效率≥75％。具有过压、过流保护。该模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。
2.4 人机交互单元
人机交互单元采用LED显示和按键输入，系统采用单排四位LED数码管显示各种信息。用户可根据实际需要进行设置。在编程状态下显示菜单及参数。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路使用一片74HC595加三极管构成。
2.5 控制模块
控制模块主要由开关量输入、输出组成，见图4。开关量输入用于监测外部开关状态，也可根据客户要求用于电动机的起动、停止控制；开关量输出主要用于输出报警信号、脱扣信号和远程起动信号。
2.6 通讯接口模块
通讯接口模块采用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能，见图5。
2.7 整体设计
保护器采用主体模块和电流互感器模块分离的结构如图6。该结构非常适合安装于抽屉式开关柜。安装时将带显示的保护主体部分嵌入式的安装在开关抽屉的活动面板内，这样既简化了柜内接线、又方便了系统随时调整、设定参数和显示、监控，同时数字化的显示面板也增添了柜面的统一性和美观性，使得配电室内的设备运行情况及故障状态一目了然，极大的方便了系统巡视和检修维护。互感器部分采用DIN35导轨式安装方式，方能够按照用户的测量需求，更换不同量程的电流互感器。
2.8 软件设计
本产品的主软件流程图如图7所示，主程序包括A/D子程序、保护子程序、计算显示子程序、按键处理子程序、通讯子程序等子程序，由于程序内容较多，现只给出主程序流程和保护子程序流程图，见图8。
3 功能简介
ARD2智能电动机保护器按额定工作电压可分为AC380V、AC220V；按工作电流范围来分可分为6.3A（1.6A～6.3A）、25A（25A～100A）、100A（25A～100A）、250A（63A～250A）、800A（250A～800A）五个测量档位。实现对电动机运行中出现的启动超时、欠压、过压、欠载、过载、短路、堵转/阻塞、断相、不平衡、剩余电流（接地/漏电）等故障进行保护。并能在此基础上增加各种附加功能，主要有：
1）远程起动功能：由上位机通过通讯控制保护器的起动继电器，来实现远程起动电动机。
2）报警功能：当电动机运行状态出现故障时，在还未达到预先设定的脱扣时间前进行报警提示。
3）通讯功能：RS-485通讯功能，能够通过通讯接口将保护器检测得到的电动机运行的各种参数实时传送给后台主控设备，方便工作人员及时了解电动机的工作状态。
4）漏电保护：开放漏电保护监测功能，当电动机的运行环境出现漏电情况时，及时切断电动机的供电电源。
5）开关量输入：用于监测外部开关的分合状态，也可按客户要求进行起、停控制。
6）事件记录：记录保护器的最近8次脱扣动作产生的时间和原因，方便维护人员查看和检修。
7）4～20mA模拟量输出：提供直流4～20mA电流信号。
4 典型应用
图9为采用直接启动接线方式的ARD2智能电动机保护器典型应用图。用户可通过按动外部启动按钮SB2或通过上位机远程控制保护器的启动继电器来启动电机。其控制方式为：当启动按钮SB2按下或远程启动继电器7、8闭合，则接触器KM的吸引线圈处于通电状态，使接触器KM的主触头和自锁触头KM闭合，启动电动机。此时，松开SB2或启动继电器7、8断开后接触器KM的吸引线圈还是处于通电状态，主触头和自锁触头KM仍旧处于闭合状态，电动机处于通电状态。一旦电动机正常启动后，保护器就对电动机的运行状态进行监测，当电动机出现故障状态后，ARD2保护器的脱扣继电器动作，常闭触点95、96断开，使接触器KM的吸引线圈断电，使接触器KM的主触头和自锁触头的状态由合变为分，切断电动机的供电，使电动机停车。
图10为电动机采用Y—∆转换启动接线方式的ARD2智能电动机保护器典型应用图。在图5中，时间继电器KT的触头状态为吸引线圈失电时的状态，即“常态”。当启动按钮SB2或远程启动继电器7、8闭合，则接触器KM1线圈通电，使KM1的主触头和自锁触头KM1闭合，同时，时间继电器KT吸引线圈通电，由于延时作用，它的触头不立即动作，于是接触器KM3线圈通电，接于主回路中的KM3的主触头闭合，电动机进行星型连接降压启动状态，同时KM3的互锁触头断开，使接触器KM2的吸引线圈不能通电，电动机运行于Y型供电方式。当时间继电器KT的延时时间到，时间继电器KT的延时断开常闭触头断开，使接触器KM3吸引线圈断电，主触头KM3断开，同时时间继电器KT的延时闭合常开触头闭合，接触器KM2的吸引线圈通电，主触头KM2闭合，电动机供电方式改为∆型连接，进入正常运行状态。与此同时，KM2的互锁触头断开，使接触器KM3吸引线圈不会通电。一旦电动机正常启动后，保护器就对电动机的运行状态进行监测，当电动机出现故障状态后，ARD2保护器的脱扣继电器动作，常闭触点95、96断开，使接触器KM的吸引线圈断电，使接触器KM的主触头和自锁触头的状态由合变为分，切断电动机的供电，使电动机停车。
5选型注意
在实际使用过程中，应注意严格按照电动机的额定电流来选择保护器，防止人为放大和缩小保护范围；避免由于量程太大或太小而造成的测量误差，从而使保护器无法正常对电动机进行保护。
由于ARD2保护器采用主体模块和电流互感器模块分离的结构，所以在现场使用时应注意按出厂编号将保护器主体与互感器配对使用。但考虑到会有维修更换保护器或互感器的情况发生，因此只要保护器主体和互感器的产品型号一样，可以任意配和使用，不会对测量保护产生影响。
保护器的设计定位为替代热继电器，故保护器本身不提供对电动机的起动、停止控制及各种起动控制方式。对电动机各种起动控制方式的实现需要外部电路的支持。
6 结语
ARD2智能电动机保护器的功能较多，能够对电动机运行中遇到的各种类型的故障进行准确的报警显示和脱扣动作，能有效的防止电机意外烧毁的发生，能为用户节约大量的资金，是热继电器的理想替代产品。因此，广泛采用电动机智能保护器，不但可以提高工艺控制的准确性、科学性，降低事故率，而且对于提高电气控制系统的自动化水平和发展国民经济，也能起到积极的推动作用。
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低压双绕组电流互感器的设计及应用

杨广亮、张国强/江苏安科瑞电器制造有限公司

摘 要
对馈线众多的低压配电线路，目前主要有以下方法来实现系统监测：1.采用电流互感器接多功能电力监控仪加485通讯表实现多路系统监测；2采用电流互感器接变送器来实现；、使用上述两种方案成本高、投资大。本文介绍一种低压双绕组电流互感器，它与ARTU-M32配合使用可以，实现对众多终端配电线路进行遥测的智能配电方案。该方案具有成本低、投资少、安装接线简便等优点，有利于低压智能配电的进一步推广和应用。
关键词 低压双绕组 电流互感器 工作原理 应用
1 引言
低压电流互感器具有体积小、质量轻、准确度高、容量大、安装方便等特点，且测量范围比较大，二次输出信号5A或1A，但对于远程传输和系统监控采集就没有办法来实现信息传递，必须通过变送器或电力仪表。针对市场需求，我公司开发出AKH-0.66S系列双绕组电流互感器,一次电流测量范围5-6300A,二次有两组输出,一组输出5A或1A,另一组输出0-20mA,且一次电流可过载8-10倍,可直接用于系统采集和远传,与ARTU-M32配套使用,可简化系统结构,降低成本,提高系统可靠性.
2 产品设计
2.1结构特点
本产品结构新颖，外形美观大方,透明翻盖设计有防窃电装置,接线方便。互感器外壳材料采用PC/ABS合金，该材料具有耐高温、机械强度高、环保等特点；如图1(b)、图2(b)所示，主绕组（6）铁芯采用有取向冷扎硅钢片，如图图1(b)、图2(b)所示，副绕组（5）铁芯采用坡莫合金，该材料具有性能稳定，机械强度高，导磁率极高等特点；漆包线采用高强度漆包线，该材料具有绝缘强度高，耐温性强等特点。
双绕组电流互感器是在传统低压母线式电流互感器的基础上进行研发，兼容电缆和铜排安装方式，根据一次电流的测量范围，5A-1250A采用一体式设计方案，主要规格有S-30I、S-40I、S-50II；1250A-6300A采用分体式结构设计，主要规格有S-60II、S-80II、S-100II、S-120II、S-200II为分体式，如图1(a)、 图2(a)所示。
1-端子1S1；2-端子2S1；3-端子1S2；4-端子1S2；5-副绕组；6-主绕组
2．2工作原理
双绕组电流互感器的工作原理同电流互感器的工作原理，基本工作原理如图1(b)、图2(b) 、图3所示，双绕组电流互感器一次电流I1由主绕组（6）P1端流进，至P2，主绕组（6）一次绕组匝数为N1，主绕组（6）二次电流I2由端子1S1（1）流出，经过电流表至端子1S2（3），副绕组（5）二次绕组匝数为N2，副绕组（5）输出端2S1（2）和2S2（4）输出AC 0-20mA小电流信号，供给测控装置采集。所以有：
I1×N1+ I2×N2= I0×N1 （1）
I2×N2+I3×N3 = I0′×N2 （2）
由（1）式可得：
I2×N2= I0×N1- I1×N1
由（2）式可得：
I2×N2= I0′×N2 – I3×N3，
所以可得：
I0×N1- I1×N1= I0′×N2 – I3×N3，
即
I0×N1+ I3×N3= I0×N1+ I0′×N2
上述式中I0为主绕组(6)的励磁电流，I0′为副绕组(5)的励磁电流。所以主绕组(6)的输出误差，可以通过增加铁芯截面或提高铁芯性能或通过误差补偿的方法来调节误差，而副绕组(5)的误差的补偿是通过共同提高两个绕组的性能来实现；双绕组电流互感器的电动势也类似于电流互感器原理，这里不作详细介绍。
3.主要技术指标
与常规测量用电流互感器相比，产品主要技术指标见表1
产品技术指标 表1
4．应用
双绕组电流互感器由于它既可以输出5A或1A，供给电流表测量,又可以输出交流0-20mA小电流信号，可以应用于遥测系统直接采集上传，实现了电流信号的远程测量；由于双绕组电流互感器过载能力比较强，所以它又可以应用于各种电动机保护回路。
双绕组电流互感器与ARTU-M32遥测单元配套使用，可以组成低成本的智能化低压配电多回路监控系统，是低压智能配电系统的又一种高效且低成本的解决方案，有利于低压智能配电进一步推广和应用。
4.1应用实例
以监控32条低压馈线并组网为例，每条馈线均需测量三相电流。每条馈线的A相、C相电流采用AKH-0.66S双绕组电流互感器采集，32条馈线用2台ARTU-M32遥测单元测量并远程，B相电流默认为A相与C相矢量和，见图4(a)、图4(b)。
图4(a) 图4(b)
4.2方案性价对比
方案１．采用AKH-0.66/S双绕组电流互感器的硬件成本如下：64只AKH-0.66/S双绕组电流互感器，约增加成本10560元，64只指针式电流表，约增加成本1600元，2台ARTU-M32遥测单元，成本7200元,总成本19360元。其特点是本地有指针表显示电流，远程输出为数字信号，后台采集无需再次A/D转换，精度高。
方案2．采用BD-AI的硬件成本如下：64只AKH-0.66电流互感器，约增加成本2560元，64只BD-AI变送器约增加成本43520，总成本46080元。其特点是远程输出为模拟信号，没有本地显示，后台采集需再次A/D转换，会应入二次误差。
方案3．采用PZ72-AI3/C的硬件成本如下：64只AKH-0.66电流互感器，约增加成本2560元，32只PZ72-AI3/C变送器约增加成本37120，总成本39680元。其特点同第一项（显示方式改为数字式）。
综上对比，双绕组电流互感器与ARTU-M32配合使用，性价比最高，可以实现对低压配电智能化低成本的多回路监控，有利于低压智能配电进一步推广和应用。
5 结束语
双绕组电流互感器已在上海、深圳、杭州、济南、内蒙古等地工矿企业工程配电监控系统中得到应用，降低了投资成本，产生了较好的社会和经济效益。
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一种三相共补与分相补偿相结合的电容补偿装置

【摘　要】 介绍了一种新型的低压电容无功补偿技术——三相共补与分相补偿相结合的补偿装置。该装置主要由配电综合测控仪和智能型无触点复合开关组成，可对三相无功功率进行三相、分相自动投切，提高配电系统功率因数，同时又可对配电变压器运行过程中的多路参数进行统计、监测，并通过RS232接口或无线接口进行数据通讯。

1　引言

 

为了提高低压配电系统的功率因数，降低线损，增加变压器的出力能力，通常在配电变压器低压侧采用低压并联电容器装置进行集中补偿。目前被广泛应用的低压无功补偿装置多为同投同切，采用交流接触器投切电容器组。

城区电网大多数存在三相负荷不平衡现象，如采用这种单一的同投同切的交流接触器式装置，只要有一相负荷达到动作条件，接触器就动作，必然会造成接触器的频繁投切；再者投切过程中涌流大，操作过电压高，接触器触头很容易严重烧毁，影响了电容器的使用寿命和装置的安全可靠性。为此，本文介绍了一种新型的低压三相共补与分相补偿相结合的补偿装置，该装置主要配备于系统配电变压器上，对三相无功功率先进行三相共补，然后根据各相负荷情况进行分相补偿。信息来自:www.tede.cn

 

2　系统装置的工作原理

 

整个无功补偿装置由配电综合测控仪、智能型无触点复合开关及电容器组成。

 

配电综合测控仪采集配电变压器低压端的三相电压、电流信号，获得三相电压、电流、频率和功率因数等负荷参数值，并根据用户通过显示操作器的设定来决定是否进行功率补偿，补偿的投切控制取样物理量为无功功率或无功电流。配电综合测控仪可输出12路接点，根据用户需要设定三相共补与分相补偿路数，系统先执行三相共补，然后根据各相无功功率不平衡情况执行分相补偿，投切方式采用循环投切。通过显示操作器的操作，可获得三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电度、无功电度及频率等实时数据。通过RS232通讯方式将数据传送到管理计算机处理。

 

3　系统装置的选择及特点

 

3.1　补偿容量的计算及选择

无功功率补偿容量与变压器实际负载有关。在最初设计时，补偿容量可按下式确定： Q=P（■-1-■）

式中　P——已知负荷功率，kW；

cosφ1——补偿前的功率因数；

cosφ2——补偿后的功率因数；

Q——所需电容器的容量kvar。

当不具备设计计算条件时，补偿容量可按变压器容量的10%~30%确定。

3.2 投切装置的选择及其特点

（1）配电综合测控仪

配电综合测控仪是该装置的核心部分。它具有采样信号的准确性、可靠性，能灵活地适用三相共补与分相补偿相结合的补偿方式，控制输出能适用无触点复合开关，且具有过压、欠压、缺相、谐波、轻载防振保护和报警功能，同时能利用先进的软件技术管理配电检测的各类数据。

（2）智能型无触点复合开关

智能型无触点复合开关采用晶闸管和接触器开关并联接法,接通和断开时采用晶闸管,正常通电时用接触器,能够对三相及单相电容器快速投切。具有电压过零投入，电流过零切除；无通断涌流，不产生过电压；功耗低，无需外加散热器；抗干扰能力强，工作可靠等特点。其动作顺序为：

电容器投入时：晶闸管导通10周波接触器接通，再10周波后断开晶闸管。

电容器切除时：晶闸管导通10周波接触器断开，再10周波后断开晶闸管。

这样同时吸取了投切时晶闸管无涌流，接触器正常通电时压降小的优点，又避开了他们各自的缺点。

（3）低压并联电容器

电容器宜采用自愈式低压并联电容器。这种电容器采用目前国际最先进的铝锌复合边缘加厚金属化膜制造，使用金属化聚丙稀新材料作为介质，对过电压所造成的介质局部击穿能迅速自愈，恢复正常工作；内装自放电电阻和保险装置，能使电容器断开施加电压1min后，残留电压降至50V以下，当电容器发生故障时，保险装置能及时断开电源，避免故障的进一步发展。对应于三相共补的电容器采用“△“接法，对应于分相补偿的电容器采用”Y“接法。

 

4　结束语

 

该装置充分考虑了城市电网的特点，可以保证城市低压配电网无功补偿的安全、可靠和准确性。我公司在绍兴城区电网改造工程中应用的多套该补偿装置，功率因数都能达到0.95以上，节能效果明显，且性能稳定。

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ARTU四遥单元在低压智能配电中的应用

摘要：针对馈线众多的低压配电线路，采用多功能电力监控仪表实现遥测、遥信、遥控及电能的测量管理，成本高、投资大。本文介绍一种基于ARTU四遥单元，实现对终端配电线路进行遥测、遥信、遥控、遥脉的智能配电方案。该方案具有成本低、投资少、安装接线简便等优点，有利于低压智能配电的进一步推广和应用。

关键字：ARTU四遥单元 低压智能配电应用

1 引言

随着对生命、财产安全及电器节能管理考核的日趋重视，低压配电需要智能监控的应用场合越来越广泛。目前采用多功能电力监控仪表，对低压配电回路电流、电能进行遥测，对断路器的合闸、脱扣状态进行遥信和记录，并利用上位机软件通过仪表对断路器进行控制。虽然该方案能满足低压智能配电的要求，但每一馈线均需一台监控仪表，成本高、投资大，用户难以承受。

本文介绍在传统的低压配电线路上，增加ARTU四遥单元，实现对低压配电智能化低成本的多回路监控。

2 产品特点

ARTU四遥单元包括遥测单元、遥脉单元、遥信单元、遥控单元四个规格。外观见图1，采用DIN35mm导轨安装。前端带通信指示和信号运行通道指示2组信号灯，通信有两路RS485接口，一路用于通用参数的设置及调试，另一路用于读取和设置“四遥”值。产品顶端设有拨码开关窗口，可通过拨码开关设置产品通讯地址和波特率。辅助电源有24Vdc或220Vac/dc两种供选择，整机功耗小于5W，防护等级达IP20。产品符合JB/T10388-2002《带总线通信功能的智能测控节点产品通用技术条件》、GB/T7261-2000《继电器及装置基本试验方法》和GB/T13729-2002《远动终端设备》标准。

3 四遥单元的功能及应用

3.1 ARTU-M32遥测单元

3.1.1产品功能

ARTU-M32能同时采信32路交流或直流模拟信号，如0-20mA ac、0-5V dc、4-20mA dc等模拟量，经AC/DC转换，与上位机通讯RS485总线连接进行数据交换。32路双色指示灯用于指示每路输入信号的当前状态，绿灯表示正常状态，红灯表示紧急状态，黄色表示警示状态。遥测刷新速度小于1s，精度达0.5。

3.1.2产品应用

以检测16路馈线的工作电流为例，一次方案见图2(a)，电流互感器采用AKH-0.66S低压双绕组互感器，用于电流采集，一次侧额定电流5A-6300A，二次输出有2个绕组，一组输出0-5A(或1A)，给99T1、6L等指针表作当地显示电流值，另一组输出交流0-20mA，给ARTU-M32单元远传遥测，见图2(b)，电流测量回路通过指针表显示各馈线回路相应的电流值，遥测回路利用通讯端口远程集中显示各回路电流值。

3.2 ARTU-P32遥脉单元

3.2.1 产品功能

ARTU-P32遥脉单元采集32路电能脉冲信号，通过RS485总线与上位机连接进行数据交换，具有计数值掉电保护功能。脉冲宽度大于10ms，最大累积脉冲数4294967296个。上位机采集得到的电能脉冲数除以该回路电能表的脉冲常数(imp/kWh)，就为该回路的电能数据。该遥脉单元还有GPS校时功能。

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3.2.2产品应用

以计量32个馈线电能为例，电能表采用DTM862-2型，一次方案见图3(a)，电能脉冲采集二次见图3(b)。使用传统的机械式电能表附带脉冲接口，利用智能化的脉冲接收装置实现远程集中式抄表功能。

3.3 ARTU-K32遥信单元

3.3.1产品功能

ARTU-K32可接受32路有源或无源接点，把开关量信号转换为数字信号，经通讯实现和上位机监控系统的数据交换，32个通道扫描一周所需时间为1ms，可记录2000组事件容量，带GPS校时功能。

3.3.2产品应用

1台ARTU-K32可以监控8条马达回路或16路照明回路的工作状态。以监测马达回路为例，一次方案见图4(a)，由配辅助、故障触点的NS断路器、LC1交流接触器、LR2热继电器和AKH-0.66P保护型互感器组成。每条马达回路监测4组节点，即断路器合闸、故障触点，电机运行(接触器)状态触点，电机热过载(热继电器)触点，1台ARTU-K32监测8条马达回路。见图4(b)，通过现场启停按钮控制马达的运行与停车，现场红、绿指示灯同步显示马达的工作状态，遥信单元则可通过监测各元件触点的动作值远程显示马达的工作状态。

3.4 ARTU-J16遥控装置功能及应用

3.4.1产品功能

ARTU-J16通过RS485总线与上位机相连，作为远程继电器输出模块，用于接收计算机指令，执行系统的遥控操作或自动控制，继电器输出共16路，继电器触点容量5A/250VAC或5A/30VDC，遥控准确率100%，可记录1600组事件顺序记录，带GPS校时功能。

3.4.2产品应用

以1台ARTU-J16控制8路低压馈线为例，CM1断路器配电动机操作机构，一次方案见图5(a)，控制方式见图5(b)。启停按钮现场手动控制各回路断路器的合、分闸，遥控单元通过通讯接口集中控制8路断路器的工作状态，实现断路器就地与远程两地控制的工作模式。

4 应用实例

以某工程为例，需监控32条低压馈线并组网，其中16路为照明回路、16路为马达回路，每条馈线均需测量三相电流、电能，并进行故障记录、防误跳。每条馈线的A相、C相电流采用AKH-0.66S双绕组互感器采集，32条馈线用2台ARTU-M32遥测单元测量并远程，B相电流默认为A相与C相的平均值;每条馈线的电能计量采用DTM862-2电度表，用1台ARTU-P32采集电能脉冲信号，并将数据上传，实现电能无人抄表。用1台ARTU-K32监测16路照明回路开关状态，2台ARTU-K32监测16路马达回路工作状况，并实现事件记录。用4台ARTU-J16控制32条馈线的断路器防误跳，1台ARTU-J16控制16条马达回路的接触器，控制马达运行状态。

当多个ARTU组网使用时，最后一个的RS485的A和B端子上应并接入一个终端匹配电阻R，以保证通讯阻抗匹配，终端匹配电阻一般在120Ω-10kΩ之间，布线不同终端匹配电阻可能会不同。正确接入RS485总线，并连接至上位机。上位机根据模块的站号和波特率，按规约格式下发命令。此时模块的通信指示灯闪烁，表明模块已收到上位机命令并应答，即通讯已经建立，见图6。

采用该方案的硬件成本如下：64只AKH-0.66S双绕组电流互感器，约增加成本10560元，2台ARTU-M32遥测单元，成本7200元，1台ARTU-P32遥脉单元成本为3500元，3台ARTU-K32遥信单元，成本10500元，5台ARTU-J16遥控单元成本19500元。32块DTM862-2成本为8000元。如果使用智能化的网络仪表来实现以上功能，需要选用ACR210E(测量三相电流及有功电能，带通讯接口)配2DI/2DO(2路遥信2路遥控)的方案，马达回路由于需要监测的参数较多，需要配4DI/4DO(4路遥信4路遥控)的开关量模块，32只此款仪表成本85760元，相比第一种方案增加成本44.7%。

5 结束语

2007年12月，国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心对ARTU四遥单元产品性能指标、电磁兼容、通讯规约进行测试检验，符合相关要求。该产品已在青海油田供水供电公司、苏州税务大厦、内蒙古镶黄旗林煤矿等工程配电监控系统中得到应用，降低了投资成本，产生了较好的社会和经济效益。

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电力仪表在大型公共建筑电能分项计量中的应用

摘要 ：介绍了电力仪表的功能特点以及电力仪表在大型公共建筑电能分项计量中的选型方案，电力仪表的通讯功能，可以与计算机等组成电能管理系统，其强大的电能报表、曲线分析、图形显示功能，使得电力仪表在大型公共建筑电能分项计量中的应用越来越广泛。

关键词 ：电力仪表 大型公共建筑 电能分项计量

0 引言

目前，据国家有关部门统计，国家机关办公建筑和大型公共建筑每平方米建筑面积年平均耗电量为85.4度（年平均85.4kWh／m2），约占全国城镇总耗电量的22%，每平方米耗电量是普通居民的10~20倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.5~2倍。

一方面，我国大型公共建筑用电巨大，另一方面，我们也缺乏直接数据为用电节能决策的制定提供参考。为此，国务院令第531号《公共机构节能条例》第14条明确指出：公共机构应当实行能源消费计量制度，区分用能种类，用能系统实行能源消费分户、分类、分项计量，并对能源消耗状况实行监测，及时发现、纠正用能浪费现象。江苏、上海等地方分别推出苏建科[2007]217号文《江苏省公共建筑用能计量设计规定》和沪建交[2008]828号文《关于进一步加强本市民用建筑设备专业节能设计技术管理的通知》，进一步明确提出对主要用电设施分项计量，对办公楼、商场、宿舍等应计量到经济核算单元，对医疗病房、宾馆客房、学校教室应按楼层或功能分区计量等等。

由此可见，大型公共建筑实行电能分项计量管理，可及时发现纠正用电浪费，并为建筑节能考核提供数据。

1　大型公建电能计量宜采用电力仪表

大型公共建筑电能计量宜采用电力仪表作为内部管理电表，不宜用收费电表。两者主要特点归纳如下（见表1）。

表1收费电表与电力仪表之比较

供电部门一般给用户实施一户一表的收费制度，即收费电表由供电部门统一安装。因此，收费电表除了要有技监局发放的计量器具许可证外，还需要当地省、市电力部

　　门的许可才可安装使用。在大型公共建筑电能管理中，供电部门一般会在总进线处安装收费电表。

　　电力仪表在用户安装收费电表的基础上，考虑内部电能计量与节能管理的需要安装，用于内部电能管理。因此用户可自主选择采购，但应注意制造商是否有电力仪表（电能部分）的计量许可证。电力仪表可以完成对各回路、各楼层或各功能区的分项电能数据的采集，通过后台电能管理系统完成对大型公共建筑的电能分项计量。

2　电力仪表在电能分项计量中的选型方案

　　电力仪表，是针对电力系统、工矿企业、公用设施、智能大型公共建筑的电力监控与电能管理需求而设计的。它能高精度的测量所有常用的电力参数，如三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、四象限电能等，采用可视度高的LCD来显示仪表测量参数和电网系统的运行信息。电力仪表功能、型号繁多，价格也各不相同，电能计量方案也多种多样，因此，应合理选配，达到较佳的性价比。

　　根据住房和城乡建设部114号文件，对大型公共建筑能耗数据实行分类、分项计量，对电能按动力用电、照明与插座用电、空调用电和特殊用电进行分项计量管理[1]。因此，针对宿舍、商铺、病房等应计量到经济核算单元的地方，可采用DDS1352或DDSF1352电表；

　　DDS1352单相电表，又称为ADL10；单相电能计量表，DIN35mm导轨安装，宽度为1个模数（即宽为18mm），一次最大接入单相电流30A，精度1.0级。优点是尺寸小，价格低，缺点是没有通讯功能，不能组网。

　　DDSF1352单相电表，又称为ADL100，同样为DIN35mm导轨安装，宽度为4个模数，一次最大接入单相电流为80A，精度1.0级，具有峰、平、谷电能分时复费率计量功能，带RS485接口，Modbus协议或DL/T645规约，可组网。主要应用于对单相电能的计量，常用在配电箱内。DDS1352及DDSF1352单相电表外形及应用如图1所示：

针对用电设施按照明与插座用电、动力用电、空调用电、特殊用电进行分项计量，对学校教室、医疗病房、宾馆客房按楼层或功能分区计量时，可选用DTSF1352或ACR120EL电表。

采用DTSF1352三相四线电表（见图2），又称ADL300，用于三相电能计量，具有尖、峰、平、谷电能分时复费率计量功能，DIN35mm导轨安装，宽度为7个模数，可安装在照明箱或动力箱中，一次最大接入三相电流80A，80A以上可经电流互感器采集，精度0.5级，带RS485接口，Modbus协议或DL/T645规约，可组网[2]。

采用ACR120EL多功能电表，该表为嵌入式安装，可安装在动力箱或低压出线柜门板上，面板尺寸为80mm×80mm，规格为220/380V、5A，电流经互感器接入，精度0.5级，可测量电流、电压、功率、频率、功率因数、四象限电能等电参量，带Modbus通讯协议。

　　一些重要场合需检测谐波的，可采用ACR230ELH多功能电表，针对进线回路或重要出线回路，采用ACR230ELH多功能电表，嵌入式安装在配电柜门板上，面框尺寸为96mm×96mm，除测量所有电参量外，还具有最大需量，2-31次电流、电压谐波分量、电压波峰系数、电流K系数、电话波形因子、电流电压不平衡度、正负零序分量分析等功能。ACR120EL，ACR230ELH多功能电表外形及其在低压配电柜中的实际应用如图3所示。

3　系统组网

　　电力仪表可作为内部管理电表单独使用，取代大量传统的模拟仪表，亦可作为电力监控系统的前端设备，实现远程数据采集与控制。符合工业标准的RS485通讯接口，使得组网轻松便捷，是SCADA系统集成的理想选择。大型公共建筑电能管理系统可以根据现场情况，采用现场总线以光纤环网、以太网或无线等组网方式实现电能集抄与电能分项计量功能。系统以计算机、通讯设备、现场电力仪表计量装置为基本工具，为实时数据采集、远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测、控制设备构成复杂的电力监控与电能管理系统。该系统主要采用分层分布式计算机网络结构，分站控管理层、网络通讯层和现场设备层[3]（如图4）。

　　电力仪表用屏蔽双绞线相互连接起来，与通讯服务器、交换机、工业级计算机等组成一个后台监控管理系统，实现对配电系统的监控以及电能分项计量的管理。系统实现的主要功能：

（1）实时采集与显示运行参数，如电压、电流、功率、功率因数，有功电能等，为正常运行时的计量管理、事故发生时的故障原因分析提供依据。

（2）监视电气设备运行状态，如高、低压进线断路器等各种类型开关当前分、合状态，是否正常运行，如发现故障自动报警。

（3）对建筑物内所有设备的用电量进行记录与统计，包括动力用电、照明与插座用电、空调用电、特殊用电等电能分项计量以及分时复费率计量等，并可生产电能计量报表供用户查询使用。

4 应用案例

　　上海浦东某图书馆是一个高能耗大型公共建筑，总建筑面积60885平方米，图书馆变配电系统包括高压配电室和低压配电室，其中高压配电室有高压配电柜10面，低压配电室有低压配电柜31面。在高压进线柜、PT柜及配出柜上安装中压微机保护装置，其它各个低压回路上安装电力仪表，对各个回路进行电能分项计量，各楼层按用电类型分别安装DTSF1352导轨式三相四线电表，对用电进行分项计量，所有的中压微机保护装置和电力仪表均通过现场总线进行组网，在中控室对现场各回路用电状况实现集中监控，对用电状况实行监测，并进行数据库存储，自动生成用电日报表、月报表、年报表以及电能分项计量统计报表等，为管理人员的分析、决策提供参考。

该项目电能分项计量管理系统采用三层网络结构，站控管理层是人机交互的直接窗口，采用研祥工业计算机作为监控主机，并附带液晶显示器、打印机等设备，山特UPS电源在整个系统发生供电问题时，可在一定时间内保证站控管理层设备的正常运行。通讯管理层主要由通讯服务器和交换机等组成，该层是数据信息交互的桥梁，负责对现场设备回送的数据信息进行采集与传输的同时，转达上位机对现场设备的各种命令。现场设备层的电力仪表主要为ACR系列多功能电表和ADL系列导轨式电表，低压进线回路及重要馈线回路选用ACR系列多功能电表，普通馈线回路及动力箱、照明箱中选用ADL系列导轨式电表，实现对现场各回路、各楼层的电能分项计量。

监控室电能管理系统通过现场设备和通信系统提供的传输通道，完成对各用电回路的数据采集，信息经分析、处理，以报表、图形等多种形式供值班员参考，使值班员能够便捷的掌握系统的运行及电能使用状况，对电能分项计量，及时发现、纠正用电浪费现象，从而节约用电。在需要时，还可提供快捷的远程控制手段，完成对设备运行状态的改变以及事故情况的处理。图5给出了图书馆电能分项计量查询表，很清楚的显示出各分项用电的使用情况。图6为系统给出的图书馆照明、空调及插座等分项用电量的饼图，很直观地显示出分项用电量的百分比。

5　结束语