半导体行业能耗管理改造方案的实施

01概述

    科技发展离不开大规模集成电路技术的进步，特别是半导体相关的技术。近几年受国际环境影响，国内外很多行业受到芯片供应的影响。在国家政策引导下，半导体行业发展比较快，新建了较多半导体工厂。半导体工厂用电量大，而且大部分工艺需要24/7不间断运行，对供电可靠性要求非常高，在工厂建设的时候设计工厂能效管理系统也是非常重要的。

02应用分析

    半导体工厂用电量比较大，更重要的是为了提高供电质量，降低电网干扰，一般采用110kV或更高电压等级供电。每个工厂工艺生产用电量与公用工程用电量比例不尽相同，通常工艺生产比公用工程用电量略低，但大致可以认为比例为 1:1的关系，即各占全厂总负荷的 50% 。植入、光刻、刻蚀生产过程中的机台设备、泵、高温炉及其它一些机械设备是工艺生产过程中的主要用电设备，而公用工程直接参与工艺生产的超纯水、工艺生产的冷却水、氮气及间接参与生产的建筑冷却的冷冻水、清洁干燥的空气是主要的用电大户。

     AcrelEMS-SEMI电子工厂能效管理系统集变电站综合自动化、电力监控、电能质量分析及治理、电气安全、能耗分析、照明控制、设备运维于一体，为建立可靠、安全、高效的工厂能源管理体系提供数据支持。安科瑞叶西平1870+616-00+15

03用户痛点

①　电子半导体厂房用电量非常大，对供电可靠性要求非常高，对故障比较敏感，一旦意外断电会导致重大损失，配电系统结构复杂；

②　大部分工艺设备对电能质量比较敏感，电压暂降会导致设备损坏、生产材料报废等产生较大的经济损失；

③　生产机台设备内部有大量的电子器件如晶闸管，它们不仅对谐波电压和电压波动非常敏感，承受较差电能质量的能力不是很高，同时也是主要的谐波源。

④　工厂电压等级比较多，出于供电可靠性要求和工艺设备需要电压等级不同，工厂配电电压从110kV到10kV、0.48kV、0.4kV、0.208kV不等，涉及的各电压等级变压器数量非常多；

⑤　工厂电源比较多，包含多路市电、柴油发电机，大功率UPS、储能电池等，设备维护工作量大，各电源切换逻辑复杂；

⑥　安全生产压力大：配电系统、消防系统隐患需要及时发现，部分工艺生产过程中会产生有害气体，安全生产无论怎么重视都不为过；

⑦　工厂变频设备、UPS等设备多，功率大，产生谐波较大，对无功补偿和谐波治理有一定要求；

⑧　空调系统、冷却塔系统、CDA系统、PCW 系统、 MAU 系统、FFU 系统、纯水系统、废水系统、空压机系统、照明办公系统等系统设备和子系统众多，需要统一运维管理。

含有立春、雨水、惊蛰、春分、清明、谷雨等节气。

04方案设计

    半导体制造工厂电源可分为三类即：公共电网电源、柴油发电机备用电源和 UPS 电源。国内企业通常会分别简称为：市电、E 电和 U 电。 关于 UPS 电源，除了集中式大容量UPS电源外，还会有供机台设备的 IT和控制用的 UPS，这种UPS 通常为小容量分布式 UPS。

工艺生产负荷按其对于电源可靠性要求的重要性可分为3个等级：1级关键负荷、2 级关键负荷及3级关键负荷，重要性是逐步升高的，这里负荷等级划分与国家标准GB50052-2009《供配电系统设计规范》中负荷分级定义不同。

以下为一个工厂的典型电气单线示意图(部分)，为了提高工厂供电可靠性，采用2路110kV电源供电，设立一座110/10kV变电站，配置2000kW/10kV柴油发电机作为后备电源，在0.4kV侧配置500kVA UPS用于3级关键负荷和部分2级关键负荷工艺设备供电。

    根据用户要求，配置AcrelEMS-SEMI电子厂房能效管理系统，为厂房提供全方位的监测和控制

05安科瑞EMS系统介绍

用户变电站实时监测
①　实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等；
 

②　监测各进线回路电能质量，包括电压暂降、谐波畸变、闪变等数据波形记录，进而判断配电系统扰动方向；

③　对中高压回路进行故障录波、事件顺序记录等功能，协助分析故障原因并改进；

④　完成多路电源的自动切换逻辑；

⑤　对中压开关柜母排设置弧光保护装置，探测到故障性弧光快速跳闸并报警；

电气安全实时监测

①　对0.4kV和0.208kV侧进行电能质量治理，包括谐波治理和无功补偿；

②　实时监测0.48kV、0.4kV和0.208kV馈线漏电电流，异常时报警；

③　监测各电气接点、母排、密集型母线槽温度并实时预警；

④　实时监测消防设备的电源状态，发生异常时报警；

⑤　实时监测厂房内防火门、安全门状态，发生异常时及时报警；

⑥　监测厂区内消防应急照明和疏散指示灯具工作状态，在发生火灾时提供疏散应急预案，灯具有异常时报警；

⑦　对UPS电池间电池温度、电流、电压、内阻进行监测；

能耗分析

①　按照建筑栋别或用户要求的区域采集厂区内建筑的能耗数据，包括电、水、气、汽、压缩空气、冷热量等，并进行折标煤计算和CO2排放趋势统计；

②　采集厂内冰机系统、冷却塔系统、热水系统、PCW 系统、MAU 系统、排气系统、FFU 系统、纯水系统、废水系统、纯水抛光系统、空压机系统、气体纯化系统、大宗气站、照明办公系统、IT 数据中心系统、工艺机台等，展示画面形式包括饼图、折线图、柱状图等，可对历史数据、实时数据、累计电量、功率、分时段（年、月、周、日）电量及功率进行展示对比分析；

③　按照照明插座、空调、工艺设备、特殊用电对厂内用电进行分项统计，并通过饼图方式展现；

④　分析厂内单位产量能耗数据，并可按照建筑或区域产线进行统计；

照明管理

①　对厂区内照明进行集中管理，包括厂房内和厂区道路、停车库照明；

②　通过系统实现集中控制、定时控制、光照度感应控制、人体感应控制、区域控制等；

③　对光照度有要求的特定区域实现调光控制；

④　对厂区道路照明实现基于经纬度和日落日出时间的定时控制；

⑤　对停车库实现雷达感应控制；

新能源管理

①　接入厂区分布式光伏电站发电数据，采集光伏逆变器、并网柜数据，并进行日、月、年、累计收益分析和减排分析；

②　对光伏系统异常及时预警；

③　接入储能系统和BMS数据，根据负荷曲线制定储能充放电使用策略；

④　对厂区内电动汽车和电瓶车充电桩进行状态监测和充电交易管理；

职工宿舍管理

①　对厂区内职工宿舍进行负载管理，包括恶性负载识别管理、负载阈值管理；

②　对员工宿舍进行水电收费管理，支持微信、支付宝等缴费方式；

③　采集职工宿舍能耗数据；

厂区环境监测管理

①　对厂内特定区域进行空调漏水、温湿度、空气质量、粉尘含量等监测；

②　对特定区域如UPS电池间氢气浓度进行监测，在浓度超标时可自动启动排风。

06总结

     方案基于工厂不同的应用场景，配置终端感知设备，包括微机保护测控装置、操控装置、测温传感器、弧光探测单元、电能质量分析装置、多功能计量仪表、有源滤波装置、无功补偿装置、电气火灾探测器、电池监测单元、气体传感器、照明控制器和传感器、暖通仪表等，配合现场具备通讯接口的设备如柴油发电机控制柜、UPS、直流屏等设备，通过智能网关采集设备数据，进行协议转换、数据分析、就地存储、逻辑判断后上传能效管理平台，为管理人员提供电气、设备、环境全方位监测、控制和预警，提升了工厂运行可靠性和安全性，提高管理效率，减少在供电、环境和设备上的运维人力成本。

审核编辑 黄宇