深度文章｜一种电动机系统运行工况全参数数据采集及能效分析方法

摘要：一种电动机系统运行工况全参数数据采集及能效分析方法，主要功能是对电动机系统运行工况全参数进行数据采集、能效分析、运行工况仿真、运行工况优化。实现精确量化能源转换效率、能源使用效率，以产品单位能耗值为标准，准确反映电动机系统能源消耗总量和能源浪费情况。通过三种运行数据模型拟合对比分析，准确发现和改造能量损失较大的设备和环节，并重新设计和实施系统的控制策略和优化运行方式。实现电动机系统的产品单位能耗增加值最低、运行总能耗最低、能源成本最经济的目标。

关键词：电动机系统；全参数数据采集；能效分析；优化运行

（来源：北极星售电网 作者：景满德 张晶 祁寿贤 林丽蓉 吴梦娣 马理想）

（青海综合能源服务有限公司，青海 810008）

0 引言

电动机系统能源效率的影响因素包括供电电源电能质量、电能转化电磁能效率、电磁能转化机械能效率、机械能转化物料动能、势能、热能效率、管路管网阻力损耗等多种因素。

电动机系统运行方式优化技术，是以降低能源消耗为目的，产品单位能耗值为标准，综合考虑高能效设备替代低能效设备（低能效产品、设备老化能效降低）、输入能量和负荷匹配最合理，避免负荷过轻、过载现象、能源的梯级传递利用效率最大、对形成的高品位动能、势能和热能进行二次利用、运行制度和物料需求匹配最佳，运行时间最大限度利用峰谷电价等政策因素，重新设计和实施电动机系统的控制策略和新的运行方式。

1 我国电动机系统优化运行节能技术现状

1.1 电动机系统行业现状

电动机是我国用电量最大的终端用电设备，广泛应用于拖动、泵、风机、压缩机等领域。目前中国电动机的保有量约为19亿千瓦，年耗电量 3万亿千瓦时，占全社会总用电量的64％，其中工业领域电动机用电量约占工业总用电量的 60％左右。

电动机系统是由高低压供电电源、电动机、被拖动装置(负载)、传动系统、控制(调速、调压)系统、管路管网等组成，是一个涉及多学科、多专业、多领域的复杂工业动力系统，其通过电动机将电能转化为磁场能、机械能、动能、势能、热能等多种能量形式，实现所需的各种功能，满足生产工艺要求。

一台电动机在其终身使用过程中，它的购置成本仅占总成本的5%-8%，维护成本占10%-15%，系统运行成本占75%-85%。在实际运行中，由于电动机系统设计冗余度大、电动机系统实际运行电功率和负载、负荷系统匹配不合理、长期低负荷运行、系统控制和调节方式落后、设备管理维护水平低、与生产工艺不匹配、空载运行时间长、负荷波动大等原因，导致电动机系统的实际运行效率低，造成能源浪费，能源成本增加。

我国已经完成了高效电动机替代、变频技术推广等电动机单体节能技术改造，目前还没有一种成熟有效的电动机系统优化节能技术。未来通过物联网技术优化电动机系统运行方式是降低运行电费成本的主要技术方向。随着能源物联网、工业互联网、传感器、大数据分析、云计算技术进步，研究开发电动机系统优化运行节能技术具备了技术基础。

1.2 与本发明最相似的现有技术实现方案

通过“知网”系统查询与本发明名称系统相似的文献、博硕论文、专利信息，发现与本发明最相似的现有技术主要有电动机系统能效数据采集、监控、分析类型技术，此类技术功能是对电动机系统等各类能源数据进行了采集、分析和监控，对电动机系统能耗进行了初步分析和评估。

最为相似的发明技术为“CN107797060A”“CN107797060B”“一种电机系统能效检测方法及系统”公开了一种电机系统能效检测方法及系统，将电机节能改造项目进行系统化的全面考虑，将传统的电机系统相关的技术工作融为一个整体的检测方法，能进行电机系统的能效实时检测和电机系统负载率的实时分析；能根据电机设备的额定参数进行效率曲线拟合，并将拟合曲线与实测参数进行对比，从电机系统设备的动态性能上分析节能潜力。该发明与本发明步骤1方法和思路基本相同，在通用性测试方法方面有重叠部分，具体为对电动机系统运行实测数据与电动机系统设计和铭牌额定参数进行行效率曲线拟合对比，分析节能潜力。

“CN201620821467.7 ”“一种电机系统物联网检测仪”，公开了一种电机系统物联网检测仪，包括处理器；所述处理器与电源、人机交互界面、AD转换模块连接；所述AD转换模块与采集模块连接；所述采集模块接入电机。本实用新型成本低，通信距离长，组网简单，适用于工业物联网设备；安装简单，布线成本低。与本发明技术方法和权力要求没有相同之处。

“CN107527131A”,“一种集群电机系统能耗水平评价方法及装置”与本发明技术方法和权力要求没有相同之处。

1.3 现有技术的缺点

现有电动机系统能效数据采集、监控、分析类型技术，对电动机系统存在的典型问题“电动机系统设计冗余度大、电动机系统实际运行电功率和负载、负荷系统匹配不合理、长期低负荷运行、系统控制和调节方式落后、与生产工艺不匹配、空载运行时间长、负荷波动大”没有提出可量化解决的方法。

2 一种电动机系统运行工况全参数数据采集及能效分析方法

2.1 发明目的

以“电动机系统运行总能耗最低、运行成本最经济”为出发点，以系统运行耗能影响产品单位能耗值为衡量标准，使用物联网技术开发电动机系统优化运行节能技术。用能源数据表征“由于电动机系统设计冗余度大、电动机系统实际运行电功率和负载、负荷系统匹配不合理、长期低负荷运行、系统控制和调节方式落后、设备管理维护水平低、与生产工艺不匹配、空载运行时间长、负荷波动大”等原因导致电动机系统的实际运行能效低等问题，实现可量化的解决方案。实现电动机系统工况优化运行，指导电动机系统节能改造，提高电动机系统整体运行效率，实现节能降耗。

2.2 技术解决方案

本发明通过对电动机系统运行工况全参数数据采集、计算、分析，将电动机系统能源转换、能量传递过程分段进行精确测量，建立实测运行数据模型和数据库，分析得出各阶段能源输入总量、能源转换量、能源使用量、能源损失量，终端能源输出量。以实测系统运行能效数据为基础，开展三种运行数据模型（实测运行数据模型、设计参数运行数据仿真模型、理想化运行数据仿真模型）下的能效数据仿真和拟合对比分析，准确发现和改造能源使用效率低、存在能源浪费的环节和设备，并提出节能技术改造方案。重新设计和实施系统的控制策略和优化运行方式，实现电动机系统中产品单位能耗增加值最低、运行总能耗最低、能源成本最经济的目标。

2.2.1 建立三种运行数据模型

模型1：实测运行数据模型：以实测采集的一次数据和计算得到的二次数据为基础建立数据库，并以实测的运行数据为基础搭建电动机系统实测运行数据模型。

模型2：设计运行数据仿真模型：使用电动机系统设计参数、设计工况、设备额定参数等数据建立电动机系统的设计运行数据仿真模型。

模型3：理想化运行数据仿真模型：以系统功能不变为前提，假设所有电动机都具备变频调速和电压调节功能，且变频设备损耗增加在合理范围内，管路管网系统所有阀门、闸门都具备变频调节功能。结合产品生产工艺、最大化利用当地峰谷电价政策，以电动机系统运行总能耗最低、运行成本最经济为目标，产品单位能耗值为标准，建立理想化系统仿真模型。

理想化运行数据仿真模型仿真系统的主要变量参数有：电动机输入功率、电动机输入频率值、电动机效率、电动机运行制度、风机压力值、拖动负荷值、管网末端输出压力值、风机水泵管网流量值等变量。

使用理想化运行数据仿真模型，仿真当单个参数和多个参数发生变化对产品单位能耗影响，以产品单位能耗值为标准，衡量电动机系统存在能源浪费现象的标准，定量设备和系统相应需要进行调整的参数数值，确定设备和系统其他参数的改变量，形成新的优化电动机系统控制策略和运行方式。

对三种数据模型进行拟合分析和对比，找到电动机系统中设计冗余度大、运行电功率和负载、负荷系统匹配不合理、长期低负荷运行的电动机、拖动设备、泵、风机、压缩机、管路管网等设备、系统控制和调节方式落后、设备管理维护水平低等原因，并进行定量分析，精确确定需要节能技术改造的环节和设备，精确确定电动机系统需要优化运行的控制策略，重新设计系统的运行控制策略，实施新的优化运行方式。

图1 一种电动机系统运行工况全参数数据采集及能效分析方法流程图

2.2.2 实现主要技术的步骤

实施步骤1： 运行全参数数据采集。选择通用性电动机系统，如电动机拖动系统、电动机风机除尘除灰系统、电动机循化水泵系统、电动机空压机系统等，优先使用和校核原有的数据采集设备，增加新的智能仪表、传感器，采集完整运行工况周期的各类与能源消耗相关的全参数数据。主要采集数据有电压、电流、频率、有功功率、无功功率、频率等全电气量参数。转速、流量、压力、速度、重量、位移、温度、物料数量、物料动能、物料势能、物料热能等其他与能源转换和消耗有关的全部参数和一次数据（直接采集）。

实现运行中的电动机系统工况全参数数据采集，将电动机系统能源转换、能量传递过程分段进行精确测量，建立实测运行数据模型和数据库。

实施步骤2：数据分析。对采集到的数据进行分析处理，得到二次数据（计算数据）。二次数据主要包括系统的电能质量评价数据、电动机系统的电能转化磁能效率、电磁能转化机械能效率、机械能转化流动动能、物料动能、风力动能、压缩压力、转换热量效率等。各阶段能源输入总量、能源转换量、能源使用量、能源损失量，终端能源输出量数据。

通过各类能源转化效率计算各环节能源损失率，计算电动机系统各环节在不同运行工况下的能源消耗总量、能源损失量、能源转换效量、能源传递量，计算电动机系统电能的使用效率、机械能使用效率、机械能转化各类动能的转换效率，并将这些数据折算到产品单位能耗进行能效评价，初步找到能源浪费环节和设备。

利用采集和分析计算得到的能源运行数据对能源转换和消耗系统，如电动机-拖动系统、电动机-泵系统、电动机-风机系统、电动机-气体压缩机系统、电动机-传动系统等进行能效评估，发现发现能源使用效率低、存在能源浪费的环节，并提出节能技术改造方案。

实施步骤3：建立数据库和三种数据模型（实测运行数据模型、设计参数运行数据仿真模型、理想化运行数据仿真模型），并进行仿真计算，进行拟合分析和对比。精确量化电动机系统主要技术缺陷，提出改进的方案。

使用三种模型仿真，仿真电动机输入功率、电动机输入频率值、电动机效率、电动机运行制度、风机压力值、拖动负荷值、管网末端输出压力值、风机水泵管网流量值等变量。

当单个参数和多个参数发生变化对产品单位能耗影响，以产品单位能耗增加值变化为标准衡量电动机系统存在能源浪费现象的标准，定量设备和系统相应需要进行调整的参数数值，确定设备和系统需要改变量，形成新的优化电动机系统控制策略和运行方式。

对三种数据模型进行拟合分析和对比，发现电动机系统中设计冗余度大、运行电功率和负载、负荷系统匹配不合理、长期低负荷运行的电动机、拖动设备、泵、风机、压缩机、管路管网等设备、系统控制和调节方式落后、设备管理维护水平低等原因，精确确定节能技术改造的环节和设备，精确确定电动机系统需要优化运行的控制策略，重新设计系统的优化运行方式，实施新的运行控制策略。

实施步骤4：以实际采集到的一次数据和分析技术得到的二次数据建立的数据库和建立的三种数据模型（实测运行数据模型、设计运行数据仿真模型、理想化运行数据仿真模型）为基础建立以产品单位能耗增加值最小为标准的能源物联网系统平台。

针对电动机系统用电成本占较大的生产性企业、或以电动机系统为主要生产工艺设备为主的企业，在能源物联网系统平台上将产品生产工艺流程与电动机系统运行优化相结合，形成企业全生产链的工业互联网平台。此类企业主要有，炼钢企业、火力发电企业、大型化工企业、铁合金企业、有色冶金企业、矿产品采掘企业、大宗物资港口装卸等企业和行业。

3、技术效果

本发明对存量电动机系统能够精确发现和改造能量损失较大的设备和环节，并重新设计和实施系统的控制策略和优化运行方式，降低系统能源消耗量，降低系统产品单位能耗，提升企业经济效益，降低全社会能源消耗总量。目前中国电动机的保有量约为19亿千瓦，2019年我国全社会用电量7.23万亿千瓦时，工业用电量4.94万亿千瓦时年，其中工业领域电动机用电量约占工业总用电量的 60％左右。工业领域电动机系统能效提高1%，每年可节约电量296亿千瓦时，具有很大的节能潜力。

对于电动机系统设计冗余度大、“大马拉小车”的系统，依据实测和仿真能耗数据，对于冗余度大于5%的系统，计算电动机电功率冗余度损耗折算到单位产品能耗损失电量、能源损失费用，平衡考虑设备改造投资费用，更换容量更为合适的电动机，或加装电动机变频、调压装置，优化控制策略和优化运行方式，实现电动机输出电功率与电动机系统实际运行电功率和负载、负荷系统实现最佳匹配运行。实现电动机系统工况优化运行，指导电动机系统节能改造，提高电动机系统整体运行效率，实现节能降耗。

针对电动机系统用电成本占较大的生产性企业、或以电动机系统为主要生产工艺设备为主的企业，使用能源物联网技术将产品生产工艺流程与电动机系统运行优化相结合，形成企业全生产链的工业互联网平台，具有较大的系统性节能潜力。此类企业主要有，炼钢企业、火力发电企业、大型化工企业、铁合金企业、有色冶金企业、矿产品采掘企业、大宗物资港口装卸等企业和行业。

本发明对增量电动机系统参数设计提供实测数据修正指导，进行仿真验证，减小系统冗余度容量配置，提高负荷匹配精度，优化系统控制策略，节约系统设备投资，节约能源消费量，提升国家经济发展质量。

4 具体实施方式

基于以上方法和措施，开发一套便携式《电动机系统通用型运行工况全参数数据采集及能效分析测试装置》，基于三种运行数据模型的《电动机系统运行能效仿真分析软件》，实现对运行中的通用型电动机系统现场进行快速数据采集、计算、分析，分析实际运行工况能效，仿真最佳运行工况能效，对比发现能源损失环节和设备，指导完成系统的节能改造，重新设计和实施系统的控制策略和优化运行方式。

参考文献：

[1]杨红英．推进电机系统能效提升，助力工业绿色发展[N]．中国工业报，2015，7，28．

[2]董振斌，刘憬奇．中国工业电机系统节能现状与展望[J]]．电力需求侧管理．2016，2．

[3]工业和信息化部、国家质量监督检验检疫总局．关于组织实施电机能效提升计(2013—2015年)的通知，2014．

[4]李正熙．电机系统节能关键技术及展望． 有色冶金设计与研究，2015，3．

作者简介：景满德（1972），男，青海西宁人，高级工程师，主要从事高压试验、工业节能、综合能源工作。