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

摘要：針對(duì)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(jì)。 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，并且該系統(tǒng)支持多種終端設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問，建立了一個(gè)實(shí)時(shí)的人機(jī)界面管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(jī)界面

0引言

隨著電網(wǎng)的發(fā)展和相關(guān)政策的出臺(tái)，用電管理也逐步實(shí)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(shí)，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(shí)時(shí)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(huì)的用電需求，且會(huì)造成電力資源和人力資源的浪費(fèi)。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(cè)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(duì)電能的遠(yuǎn)程操控通過人機(jī)界面對(duì)電能采取遠(yuǎn)程管理控制，并對(duì)采集來的數(shù)據(jù)的進(jìn)行高速高效的分析、計(jì)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(guó)家集中監(jiān)控電力功耗和合理利用電能的發(fā)展趨勢(shì)。

針對(duì)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(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(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的遠(yuǎn)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(hù)和保存等功能。從而實(shí)現(xiàn)了基于無線以太網(wǎng)的電能的管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集分析，通過工業(yè)以太網(wǎng)的對(duì)電能進(jìn)行遠(yuǎn)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(jí)架構(gòu)是基站現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示的局部基站現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)圖。基站現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)基站現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)解析、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加密保護(hù)和保存等。利用鏈路結(jié)構(gòu)的形式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉?jí)數(shù)掘匯集中心。

圖2 局部基站現(xiàn)場(chǎng)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(jí)架構(gòu)，主要負(fù)責(zé)匯集從各基站現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，匯總。*后根據(jù)上*級(jí)中心設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類上傳，分時(shí)間段上傳至上*級(jí)。

*后一層架構(gòu)是終端數(shù)據(jù)中心，即省級(jí)數(shù)據(jù)處監(jiān)控平臺(tái)。終端數(shù)據(jù)中心會(huì)搭建一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，對(duì)收集來自接受全省的用電信息數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和管理，并將之分類后進(jìn)行存儲(chǔ)，定時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。根據(jù)備份時(shí)間和數(shù)據(jù)分析管理的內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成各種類型的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。根據(jù)報(bào)表的內(nèi)容來制定管理流程制度，可以實(shí)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(duì)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(jìn)行了分析與研究。其中電能管理系統(tǒng)中涉及到了單片機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和通信技術(shù)等多項(xiàng)領(lǐng)域。

2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(gè)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(jī)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(duì)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(gè)數(shù)據(jù)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(jiān)控區(qū)域；通過工業(yè)以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)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(xiàn)過程如下：各個(gè)監(jiān)控區(qū)域通過采集點(diǎn)收集數(shù)據(jù)信息，PLC主控制模塊將采集到的信息進(jìn)行整合運(yùn)算，將處理好的數(shù)據(jù)反饋給用戶并且將之進(jìn)行分類存儲(chǔ)，以便用戶進(jìn)行查看調(diào)用，歸檔的數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交流，分類好的數(shù)據(jù)會(huì)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(jī)來實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶的用電情況，并能利用PC機(jī)發(fā)送遠(yuǎn)程的控制指令。如進(jìn)行斷電搶修，對(duì)違章用戶實(shí)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(dá)到采集電信號(hào)的目的，并以此來實(shí)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(hào)是電壓電流信號(hào)，在本系統(tǒng)中使用電流和電壓互感器來采集電信號(hào)。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(hào)傳遞給數(shù)據(jù)處理中心，由于大的電流電壓信號(hào)不易傳遞，因此需要將之按比例縮小為易于測(cè)量 的小信號(hào)，該信號(hào)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(shí)現(xiàn)回路通斷控制的功能。固態(tài)繼電器是一種無觸點(diǎn)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(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(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)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(hào)進(jìn)行測(cè)量，比較分析，輸出主控制模塊能夠識(shí)別的安全信號(hào)。

電能監(jiān)控模塊實(shí)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(hào)分別進(jìn)行濾波處理，為了防止高頻信號(hào)對(duì)對(duì)測(cè)量的電信號(hào)進(jìn)行干擾，首先必須對(duì)高頻干擾信號(hào)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(hào)*后用運(yùn)算放大器對(duì)之進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)多種信號(hào)的采集與對(duì)多種信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如電流，電壓，功率因數(shù)等信號(hào)?，F(xiàn)如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于學(xué)校、發(fā)電站等各個(gè)領(lǐng)域。

2.5人機(jī)界面模塊

電能管理系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了智能監(jiān)控的人機(jī)界面。當(dāng)監(jiān)控中心需要觀測(cè)用戶的實(shí)時(shí)用電情況時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)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(jī)界面觀看出主控模塊傳遞的用戶用電信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于人機(jī)界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)系統(tǒng)的操作平臺(tái)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的PC機(jī)構(gòu)建而成。用戶用電數(shù)據(jù)信息通過PLC主控制模塊進(jìn)行分析、交流和互通，構(gòu)成了一個(gè)完整的電能管理系統(tǒng)，從而可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電能管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程分析、控制與監(jiān)測(cè)功能。

因此，文中通過對(duì)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(yùn)行過程的分析，對(duì)整個(gè)管理系統(tǒng)運(yùn)行情況以及實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，和管理系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中的各部分運(yùn)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(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對(duì)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動(dòng)。用戶端急需解決的研究?jī)?nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計(jì)，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(duì)用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，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(xiàng)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(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

3.2應(yīng)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(jī)構(gòu)建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場(chǎng)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(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動(dòng)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(hào)。

3.4.2電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表

系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況，即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)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(hù)計(jì)量體系的正確性。

3.4.3詳細(xì)電參量查詢

在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?，鼠?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)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(shí)相電流趨勢(shì)曲線及24小時(shí)電壓趨勢(shì)曲線。

3.4.4運(yùn)行報(bào)表

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、相應(yīng)時(shí)間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報(bào)表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)，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(yùn)行監(jiān)視

系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢(shì)，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

3.4.6實(shí)時(shí)報(bào)警

系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)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(dòng)作等遙信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)事件等級(jí)發(fā)出告警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報(bào)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(hù)動(dòng)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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

3.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖、報(bào)表掌握進(jìn)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(shí)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(cè)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(duì)斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對(duì)于每次遙控操作，系統(tǒng)自動(dòng)生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測(cè)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(yùn)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）?？梢远x不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、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(shí)時(shí)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(gè)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(shí)能自動(dòng)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(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4.12視頻監(jiān)控

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

3.4.13用戶報(bào)告

用戶報(bào)告頁面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.4.14 APP支持

電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“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(bào)警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。