淺談基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能計量管理系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要：針對目前工業(yè)電能模式的研究現(xiàn)狀，本文闡述了在現(xiàn)代以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的電能管理系統(tǒng)的設(shè)計。 該系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的遠程實時監(jiān)控與管理，并且該系統(tǒng)支持多種終端設(shè)備的遠程訪問，建立了一個實時的人機界面管理平臺，實現(xiàn)對電能現(xiàn)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(jiān)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(jiān)控；人機界面

0引言

隨著電網(wǎng)的發(fā)展和相關(guān)政策的出臺，用電管理也逐步實現(xiàn)了一家一表，抄表到戶的制度。但是隨之而來的問題是大量用電數(shù)據(jù)的回抄和管理。同時，用電的客戶群體的多類型決定了高質(zhì)量的供電要求。 由于自身結(jié)構(gòu)的缺陷，傳統(tǒng)的電能管理系統(tǒng)在有效性、實時可控性、*準(zhǔn)性和應(yīng)用特性等方面已經(jīng)不能滿足當(dāng)下社會的用電需求，且會造成電力資源和人力資源的浪費。因此，電管理門需加快普及新型的電能管理系統(tǒng)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)科技的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)將逐漸取代傳統(tǒng)的電量測量工具。伴隨著各類現(xiàn)代化的智能產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，在電能管理方面，通過工業(yè)以太網(wǎng)來管理電能系統(tǒng)的研究逐漸成為電能系統(tǒng)的主要研究主流。 而對電能的遠程操控通過人機界面對電能采取遠程管理控制，并對采集來的數(shù)據(jù)的進行高速高效的分析、計算、控制，從而節(jié)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(jiān)控系統(tǒng)，這是未來國家集中監(jiān)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)量的市場需求，文中論述了以太網(wǎng)的電能管理結(jié)構(gòu)，闡述了系統(tǒng)中所用到的關(guān)鍵性技術(shù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了對電能的遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)的分類采集，數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)解析、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加密保護和保存等功能。從而實現(xiàn)了基于無線以太網(wǎng)的電能的管理系統(tǒng)的設(shè)計。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對目前電能管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本文提出的電能管理系統(tǒng)是以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的三層架構(gòu)的電能管理系統(tǒng)。 電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 該系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集分析，通過工業(yè)以太網(wǎng)的對電能進行遠程控制和管理。

圖1 電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的**級架構(gòu)是基站現(xiàn)場采集網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示的局部基站現(xiàn)場采集網(wǎng)絡(luò)圖。基站現(xiàn)場采集網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對基站現(xiàn)場用電數(shù)據(jù)等信息的分類采集，在數(shù)據(jù)傳輸過程中實現(xiàn)對數(shù)據(jù)解析、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加密保護和保存等。利用鏈路結(jié)構(gòu)的形式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉墧?shù)掘匯集中心。

圖2 局部基站現(xiàn)場采集網(wǎng)絡(luò)圖

中端數(shù)據(jù)匯總網(wǎng)絡(luò)中心是系統(tǒng)的*2級架構(gòu)，主要負責(zé)匯集從各基站現(xiàn)場采集網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并對用電數(shù)據(jù)進行緩存，匯總。*后根據(jù)上*級中心設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)進行分類上傳，分時間段上傳至上*級。

*后一層架構(gòu)是終端數(shù)據(jù)中心，即省級數(shù)據(jù)處監(jiān)控平臺。終端數(shù)據(jù)中心會搭建一個監(jiān)控系統(tǒng)的軟件平臺，對收集來自接受全省的用電信息數(shù)據(jù)信息進行數(shù)據(jù)分析和管理，并將之分類后進行存儲，定時對數(shù)據(jù)進行備份。根據(jù)備份時間和數(shù)據(jù)分析管理的內(nèi)容對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)計，生成各種類型的統(tǒng)計報表。根據(jù)報表的內(nèi)容來制定管理流程制度，可以實現(xiàn)節(jié)能數(shù)據(jù)的*準(zhǔn)化，使得電能管理更加人性化。

文中主要對電能管理系統(tǒng)的以太網(wǎng)式的監(jiān)控模塊和PLC主控模塊進行了分析與研究。其中電能管理系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計

在電能管理系統(tǒng)中，基于以太網(wǎng)的監(jiān)控模塊的大致可分為5個模塊，分別為PLC主控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，回路通斷控制模塊，系統(tǒng)電能監(jiān)控模塊，和人機界面模塊。

2.1PLC主控制模塊

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)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(tǒng)是以可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)的控制核心，PLC主控制模塊種有多個數(shù)據(jù)采集端口，每一個端口上有一百多個采集點，因而可以將主控制模板分布在各個監(jiān)控區(qū)域；通過工業(yè)以太網(wǎng)可以實現(xiàn)各個主控制模板互通進而組成一個控制網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)過程如下：各個監(jiān)控區(qū)域通過采集點收集數(shù)據(jù)信息，PLC主控制模塊將采集到的信息進行整合運算，將處理好的數(shù)據(jù)反饋給用戶并且將之進行分類存儲，以便用戶進行查看調(diào)用，歸檔的數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)信息交流，分類好的數(shù)據(jù)會被發(fā)送到控制中心。電能管理系統(tǒng)的工作人員可以使用PC機來實時監(jiān)控用戶的用電情況，并能利用PC機發(fā)送遠程的控制指令。如進行斷電搶修，對違章用戶實施斷電懲罰等。

此外，可以將主控制模塊和系統(tǒng)電能監(jiān)控模塊兩者配合使用，來達到采集電信號的目的，并以此來實現(xiàn)線路的通斷電控制。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)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(tǒng)中使用電流和電壓互感器來采集電信號。如圖4所示為采集終端的結(jié)構(gòu)圖。通過電壓電流互感耦合器將信號傳遞給數(shù)據(jù)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)過系統(tǒng)的電能監(jiān)控模塊，*后傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

圖4 采集終端結(jié)構(gòu)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實現(xiàn)回路通斷控制的功能。固態(tài)繼電器是一種無觸點的具有隔離功能的電子開關(guān)，它被接在用戶供電設(shè)備的輸入端，當(dāng)控制中心反饋的是用戶超額用電信息時，控制中心將會向PLC主控制模塊發(fā)出斷電通知命令，主控制模塊通過固態(tài)繼電器來切斷電源。因此，回路通斷控制是通過固態(tài)繼電器來控制供電各線路的通斷電狀態(tài)。

2.4系統(tǒng)電能監(jiān)控模塊

系統(tǒng)電能監(jiān)控模塊的工作原理圖如圖5所示，系統(tǒng)電能監(jiān)控模塊的功能是對數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號進行進一步的處理，將將模擬量傳感器和開關(guān)量傳感器的輸入的信號進行測量，比較分析，輸出主控制模塊能夠識別的安全信號。

電能監(jiān)控模塊實現(xiàn)的過程是先將數(shù)據(jù)采集模塊采集的電流電壓信號分別進行濾波處理，為了防止高頻信號對對測量的電信號進行干擾，首先必須對高頻干擾信號進行處理，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行放大處理。

圖5 系統(tǒng)電能監(jiān)控模塊

系統(tǒng)電能監(jiān)控模塊是以太網(wǎng)電能管理系統(tǒng)的核心，它可以實現(xiàn)對多種信號的采集與對多種信號的實時監(jiān)控，如電流，電壓，功率因數(shù)等信號。現(xiàn)如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于學(xué)校、發(fā)電站等各個領(lǐng)域。

2.5人機界面模塊

電能管理系統(tǒng)中設(shè)計了智能監(jiān)控的人機界面。當(dāng)監(jiān)控中心需要觀測用戶的實時用電情況時，系統(tǒng)便會通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)采集模塊采集的信息傳遞到監(jiān)控中心，電站管理人員可以通過人機界面觀看出主控模塊傳遞的用戶用電信息，進而實現(xiàn)基于人機界面對現(xiàn)場進行的實時監(jiān)控，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)系統(tǒng)的操作平臺是基于工業(yè)以太網(wǎng)的PC機構(gòu)建而成。用戶用電數(shù)據(jù)信息通過PLC主控制模塊進行分析、交流和互通，構(gòu)成了一個完整的電能管理系統(tǒng)，從而可以實現(xiàn)整個電能管理系統(tǒng)的遠程分析、控制與監(jiān)測功能。

因此，文中通過對基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能管理系統(tǒng)電能監(jiān)控模塊的運行過程的分析，對整個管理系統(tǒng)運行情況以及實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)進行對比，和管理系統(tǒng)在現(xiàn)場實際應(yīng)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(tǒng)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

用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。

安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)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，便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

3.2應(yīng)用場所

（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、金融機構(gòu)建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4系統(tǒng)功能

3.4.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(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(tǒng)計報表

系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)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

在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動到每個回路附近時，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?，鼠?biāo)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、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

3.4.4運行報表

系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、相應(yīng)時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

3.4.5變壓器運行監(jiān)視

系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、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掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

3.4.6實時報警

系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

3.4.7歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

3.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測

系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、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，及時采取相應(yīng)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(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

3.4.9遙控操作

系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護和操作權(quán)限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

3.4.10用戶權(quán)限管理

系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)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(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.4.12視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

3.4.13用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

3.4.14 APP支持

電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)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、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。