淺談基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能計量管理系統的應用

摘要：針對目前工業(yè)電能模式的研究現狀，本文闡述了在現代以太網(wǎng)基礎上的電能管理系統的設計。 該系統實(shí)現了電能的遠程實(shí)時(shí)監控與管理，并且該系統支持多種終端設備的遠程訪(fǎng)問(wèn)，建立了一個(gè)實(shí)時(shí)的人機界面管理平臺，實(shí)現對電能現代化管理模式。 提高了供電企業(yè)的管理效率和供電效益，并為地域跨越大的電網(wǎng)的遠程監測提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：電能管理；工業(yè)以太網(wǎng)；電能監控；人機界面

0引言

隨著(zhù)電網(wǎng)的發(fā)展和相關(guān)政策的出臺，用電管理也逐步實(shí)現了一家一表，抄表到戶(hù)的制度。但是隨之而來(lái)的問(wèn)題是大量用電數據的回抄和管理。同時(shí)，用電的客戶(hù)群體的多類(lèi)型決定了高質(zhì)量的供電要求。 由于自身結構的缺陷，傳統的電能管理系統在有效性、實(shí)時(shí)可控性、*準性和應用特性等方面已經(jīng)不能滿(mǎn)足當下社會(huì )的用電需求，且會(huì )造成電力資源和人力資源的浪費。因此，電管理門(mén)需加快普及新型的電能管理系統。

隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)科技的飛速發(fā)展，現代化的科學(xué)技術(shù)將逐漸取代傳統的電量測量工具。伴隨著(zhù)各類(lèi)現代化的智能產(chǎn)品不斷出現，在電能管理方面，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)管理電能系統的研究逐漸成為電能系統的主要研究主流。 而對電能的遠程操控通過(guò)人機界面對電能采取遠程管理控制，并對采集來(lái)的數據的進(jìn)行高速高效的分析、計算、控制，從而節省了大量的人力資源，提高了管理效率。 基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能網(wǎng)絡(luò )監控系統，這是未來(lái)國家集中監控電力功耗和合理利用電能的發(fā)展趨勢。

針對目前的電能質(zhì)量的市場(chǎng)需求，文中論述了以太網(wǎng)的電能管理結構，闡述了系統中所用到的關(guān)鍵性技術(shù)。系統實(shí)現了對電能的遠程監控與數據的分類(lèi)采集，數據傳輸過(guò)程中的數據解析、協(xié)議轉換、數據加密保護和保存等功能。從而實(shí)現了基于無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)的電能的管理系統的設計。

1系統結構

針對目前電能管理系統的現狀，本文提出的電能管理系統是以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎的三層架構的電能管理系統。 電能管理系統結構圖如圖1所示。 該系統的主要功能是實(shí)現對現場(chǎng)數據的實(shí)時(shí)采集分析，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的對電能進(jìn)行遠程控制和管理。

圖1 電能管理系統結構圖

系統的**級架構是基站現場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )圖如圖2所示的局部基站現場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò )圖?；粳F場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對基站現場(chǎng)用電數據等信息的分類(lèi)采集，在數據傳輸過(guò)程中實(shí)現對數據解析、協(xié)議轉換、數據加密保護和保存等。利用鏈路結構的形式將數據傳輸到二級數掘匯集中心。

圖2 局部基站現場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò )圖

中端數據匯總網(wǎng)絡(luò )中心是系統的*2級架構，主要負責匯集從各基站現場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò )發(fā)出的數據，并對用電數據進(jìn)行緩存，匯總。*后根據上*級中心設置的標準，對數據進(jìn)行分類(lèi)上傳，分時(shí)間段上傳至上*級。

*后一層架構是終端數據中心，即省級數據處監控平臺。終端數據中心會(huì )搭建一個(gè)監控系統的軟件平臺，對收集來(lái)自接受全省的用電信息數據信息進(jìn)行數據分析和管理，并將之分類(lèi)后進(jìn)行存儲，定時(shí)對數據進(jìn)行備份。根據備份時(shí)間和數據分析管理的內容對數據庫進(jìn)行統計，生成各種類(lèi)型的統計報表。根據報表的內容來(lái)制定管理流程制度，可以實(shí)現節能數據的*準化，使得電能管理更加人性化。

文中主要對電能管理系統的以太網(wǎng)式的監控模塊和PLC主控模塊進(jìn)行了分析與研究。其中電能管理系統中涉及到了單片機技術(shù)、電力電子技術(shù)和通信技術(shù)等多項領(lǐng)域。

2控制系統的設計

在電能管理系統中，基于以太網(wǎng)的監控模塊的大致可分為5個(gè)模塊，分別為PLC主控制模塊，數據采集模塊，回路通斷控制模塊，系統電能監控模塊，和人機界面模塊。

2.1PLC主控制模塊

系統的硬件結構圖如圖3所示。系統硬件有三部分組成：控制端，被控端，被控對象。文中的電能管理系統是以可編程邏輯控制器作為系統的控制核心，PLC主控制模塊種有多個(gè)數據采集端口，每一個(gè)端口上有一百多個(gè)采集點(diǎn)，因而可以將主控制模板分布在各個(gè)監控區域；通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)可以實(shí)現各個(gè)主控制模板互通進(jìn)而組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )。實(shí)現過(guò)程如下：各個(gè)監控區域通過(guò)采集點(diǎn)收集數據信息，PLC主控制模塊將采集到的信息進(jìn)行整合運算，將處理好的數據反饋給用戶(hù)并且將之進(jìn)行分類(lèi)存儲，以便用戶(hù)進(jìn)行查看調用，歸檔的數據可以通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數據信息交流，分類(lèi)好的數據會(huì )被發(fā)送到控制中心。電能管理系統的工作人員可以使用PC機來(lái)實(shí)時(shí)監控用戶(hù)的用電情況，并能利用PC機發(fā)送遠程的控制指令。如進(jìn)行斷電搶修，對違章用戶(hù)實(shí)施斷電懲罰等。

此外，可以將主控制模塊和系統電能監控模塊兩者配合使用，來(lái)達到采集電信號的目的，并以此來(lái)實(shí)現線(xiàn)路的通斷電控制。

圖3 系統硬件結構圖

2.2數據采集模塊

在基于以太網(wǎng)的電能管理系統中，的環(huán)節是數據采集模塊。數據采集模塊的采集端口接收的信號是電壓電流信號，在本系統中使用電流和電壓互感器來(lái)采集電信號。如圖4所示為采集終端的結構圖。通過(guò)電壓電流互感耦合器將信號傳遞給數據處理中心，由于大的電流電壓信號不易傳遞，因此需要將之按比例縮小為易于測量 的小信號，該信號將先經(jīng)過(guò)系統的電能監控模塊，*后傳輸到控制中心。

圖4 采集終端結構框圖

2.3回路通斷控制模塊

回路通斷控制模塊由固態(tài)繼電器和PLC主控制模塊兩者之間相互配合來(lái)實(shí)現回路通斷控制的功能。固態(tài)繼電器是一種無(wú)觸點(diǎn)的具有隔離功能的電子開(kāi)關(guān)，它被接在用戶(hù)供電設備的輸入端，當控制中心反饋的是用戶(hù)超額用電信息時(shí)，控制中心將會(huì )向PLC主控制模塊發(fā)出斷電通知命令，主控制模塊通過(guò)固態(tài)繼電器來(lái)切斷電源。因此，回路通斷控制是通過(guò)固態(tài)繼電器來(lái)控制供電各線(xiàn)路的通斷電狀態(tài)。

2.4系統電能監控模塊

系統電能監控模塊的工作原理圖如圖5所示，系統電能監控模塊的功能是對數據采集模塊采集的信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理，將將模擬量傳感器和開(kāi)關(guān)量傳感器的輸入的信號進(jìn)行測量，比較分析，輸出主控制模塊能夠識別的安全信號。

電能監控模塊實(shí)現的過(guò)程是先將數據采集模塊采集的電流電壓信號分別進(jìn)行濾波處理，為了防止高頻信號對對測量的電信號進(jìn)行干擾，首先必須對高頻干擾信號進(jìn)行處理，處理方法是在電路中加入低通濾波器，被濾除高頻干擾的信號*后用運算放大器對之進(jìn)行放大處理。

圖5 系統電能監控模塊

系統電能監控模塊是以太網(wǎng)電能管理系統的核心，它可以實(shí)現對多種信號的采集與對多種信號的實(shí)時(shí)監控，如電流，電壓，功率因數等信號?，F如今已經(jīng)被廣泛應用于學(xué)校、發(fā)電站等各個(gè)領(lǐng)域。

2.5人機界面模塊

電能管理系統中設計了智能監控的人機界面。當監控中心需要觀(guān)測用戶(hù)的實(shí)時(shí)用電情況時(shí)，系統便會(huì )通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將數據采集模塊采集的信息傳遞到監控中心，電站管理人員可以通過(guò)人機界面觀(guān)看出主控模塊傳遞的用戶(hù)用電信息，進(jìn)而實(shí)現基于人機界面對現場(chǎng)進(jìn)行的實(shí)時(shí)監控，監控中心的數據系統的操作平臺是基于工業(yè)以太網(wǎng)的PC機構建而成。用戶(hù)用電數據信息通過(guò)PLC主控制模塊進(jìn)行分析、交流和互通，構成了一個(gè)完整的電能管理系統，從而可以實(shí)現整個(gè)電能管理系統的遠程分析、控制與監測功能。

因此，文中通過(guò)對基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能管理系統電能監控模塊的運行過(guò)程的分析，對整個(gè)管理系統運行情況以及實(shí)際應用中的數據進(jìn)行對比，和管理系統在現場(chǎng)實(shí)際應用中的各部分運行情況的分析，表明基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能管理系統已經(jīng)取得了有效的成果。

3 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

3.1概述

用戶(hù)端消耗著(zhù)整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶(hù)端智能化用電管理對用戶(hù)可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶(hù)端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實(shí)現電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向良性互動(dòng)。用戶(hù)端急需解決的研究?jì)热葜饕ǎ合冗M(jìn)的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶(hù)用電管理系統、需求側管理等課題。

安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對用戶(hù)端用電情況進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

3.2應用場(chǎng)所

（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè )場(chǎng)所等）；

（4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）。

3.3系統結構

3.4系統功能

3.4.1實(shí)時(shí)監測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

3.4.2電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況，即該節點(diǎn)進(jìn)線(xiàn)用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯，維護計量體系的正確性。

3.4.3詳細電參量查詢(xún)

在配電一次圖中，當鼠標移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢曲線(xiàn)及24小時(shí)電壓趨勢曲線(xiàn)。

3.4.4運行報表

系統具有實(shí)時(shí)電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢(xún)界面中能夠自定義需要查詢(xún)的參數、相應時(shí)間或選擇查詢(xún)更新的記錄數據等，并通過(guò)報表方式顯示出來(lái)。用戶(hù)可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶(hù)要求導出PDF格式文件。

3.4.5變壓器運行監視

系統對配電系統總進(jìn)線(xiàn)、主變壓器、重要負荷出線(xiàn)的運行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監視，用曲線(xiàn)顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時(shí)掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

3.4.6實(shí)時(shí)報警

系統具有實(shí)時(shí)報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報警窗口，并發(fā)出聲音或語(yǔ)音提醒。

3.4.7歷史事件查詢(xún)

系統能夠對遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

3.4.8電能質(zhì)量監測

系統可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量進(jìn)行持續性的監測，運行維護人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)線(xiàn)、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時(shí)采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監測功能的電力儀表，不需要可刪除。

3.4.9遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動(dòng)生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時(shí)間、操作類(lèi)型等。實(shí)現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

3.4.10用戶(hù)權限管理

系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如配電回路名稱(chēng)修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

3.4.11通訊狀態(tài)圖

系統支持實(shí)時(shí)監視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構；可在線(xiàn)診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò )異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實(shí)時(shí)掌握現場(chǎng)各設備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

3.4.12視頻監控

視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

3.4.13用戶(hù)報告

用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進(jìn)行統計分析。

3.4.14 APP支持

電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)等。