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淺談基於工業以太網的電能計量管理係統的應用

更新時間：2024-01-23 點擊次數：315

摘要：針對目前工業(ye) 電能模式的研究現狀，本文闡述了在現代以太網基礎上的電能管理係統的設計。該係統實現了電能的遠程實時監控與(yu) 管理，並且該係統支持多種終端設備的遠程訪問，建立了一個(ge) 實時的人機界麵管理平台，實現對電能現代化管理模式。提高了供電企業(ye) 的管理效率和供電效益，並為(wei) 地域跨越大的電網的遠程監測提供了一種新思路。

關(guan) 鍵詞：電能管理；工業(ye) 以太網；電能監控；人機界麵

0引言

隨著電網的發展和相關(guan) 政策的出台，用電管理也逐步實現了一家一表，抄表到戶的製度。但是隨之而來的問題是大量用電數據的回抄和管理。同時，用電的客戶群體(ti) 的多類型決(jue) 定了高質量的供電要求。由於(yu) 自身結構的缺陷，傳(chuan) 統的電能管理係統在有效性、實時可控性、*準性和應用特性等方麵已經不能滿足當下社會(hui) 的用電需求，且會(hui) 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係統。

隨著互聯網科技的飛速發展，現代化的科學技術將逐漸取代傳(chuan) 統的電量測量工具。伴隨著各類現代化的智能產(chan) 品不斷出現，在電能管理方麵，通過工業(ye) 以太網來管理電能係統的研究逐漸成為(wei) 電能係統的主要研究主流。而對電能的遠程操控通過人機界麵對電能采取遠程管理控製，並對采集來的數據的進行高速高效的分析、計算、控製，從(cong) 而節省了大量的人力資源，提高了管理效率。基於(yu) 工業(ye) 以太網的電能網絡監控係統，這是未來國家集中監控電力功耗和合理利用電能的發展趨勢。

針對目前的電能質量的市場需求，文中論述了以太網的電能管理結構，闡述了係統中所用到的關(guan) 鍵性技術。係統實現了對電能的遠程監控與(yu) 數據的分類采集，數據傳(chuan) 輸過程中的數據解析、協議轉換、數據加密保護和保存等功能。從(cong) 而實現了基於(yu) 無線以太網的電能的管理係統的設計。

1係統結構

針對目前電能管理係統的現狀，本文提出的電能管理係統是以工業(ye) 以太網為(wei) 基礎的三層架構的電能管理係統。電能管理係統結構圖如圖1所示。該係統的主要功能是實現對現場數據的實時采集分析，通過工業(ye) 以太網的對電能進行遠程控製和管理。

圖1 電能管理係統結構圖

係統的**級架構是基站現場采集網絡，網絡圖如圖2所示的局部基站現場采集網絡圖。基站現場采集網絡實現對基站現場用電數據等信息的分類采集，在數據傳(chuan) 輸過程中實現對數據解析、協議轉換、數據加密保護和保存等。利用鏈路結構的形式將數據傳(chuan) 輸到二級數掘匯集中心。

圖2 局部基站現場采集網絡圖

中端數據匯總網絡中心是係統的*2級架構，主要負責匯集從(cong) 各基站現場采集網絡發出的數據，並對用電數據進行緩存，匯總。*後根據上*級中心設置的標準，對數據進行分類上傳(chuan) ，分時間段上傳(chuan) 至上*級。

*後一層架構是終端數據中心，即省級數據處監控平台。終端數據中心會(hui) 搭建一個(ge) 監控係統的軟件平台，對收集來自接受全省的用電信息數據信息進行數據分析和管理，並將之分類後進行存儲(chu) ，定時對數據進行備份。根據備份時間和數據分析管理的內(nei) 容對數據庫進行統計，生成各種類型的統計報表。根據報表的內(nei) 容來製定管理流程製度，可以實現節能數據的*準化，使得電能管理更加人性化。

文中主要對電能管理係統的以太網式的監控模塊和PLC主控模塊進行了分析與(yu) 研究。其中電能管理係統中涉及到了單片機技術、電力電子技術和通信技術等多項領域。

2控製係統的設計

在電能管理係統中，基於(yu) 以太網的監控模塊的大致可分為(wei) 5個(ge) 模塊，分別為(wei) PLC主控製模塊，數據采集模塊，回路通斷控製模塊，係統電能監控模塊，和人機界麵模塊。

2.1PLC主控製模塊

係統的硬件結構圖如圖3所示。係統硬件有三部分組成：控製端，被控端，被控對象。文中的電能管理係統是以可編程邏輯控製器作為(wei) 係統的控製核心，PLC主控製模塊種有多個(ge) 數據采集端口，每一個(ge) 端口上有一百多個(ge) 采集點，因而可以將主控製模板分布在各個(ge) 監控區域；通過工業(ye) 以太網可以實現各個(ge) 主控製模板互通進而組成一個(ge) 控製網絡。實現過程如下：各個(ge) 監控區域通過采集點收集數據信息，PLC主控製模塊將采集到的信息進行整合運算，將處理好的數據反饋給用戶並且將之進行分類存儲(chu) ，以便用戶進行查看調用，歸檔的數據可以通過以太網進行數據信息交流，分類好的數據會(hui) 被發送到控製中心。電能管理係統的工作人員可以使用PC機來實時監控用戶的用電情況，並能利用PC機發送遠程的控製指令。如進行斷電搶修，對違章用戶實施斷電懲罰等。

此外，可以將主控製模塊和係統電能監控模塊兩(liang) 者配合使用，來達到采集電信號的目的，並以此來實現線路的通斷電控製。

圖3 係統硬件結構圖

2.2數據采集模塊

在基於(yu) 以太網的電能管理係統中的環節是數據采集模塊。數據采集模塊的采集端口接收的信號是電壓電流信號，在本係統中使用電流和電壓互感器來采集電信號。如圖4所示為(wei) 采集終端的結構圖。通過電壓電流互感耦合器將信號傳(chuan) 遞給數據處理中心，由於(yu) 大的電流電壓信號不易傳(chuan) 遞，因此需要將之按比例縮小為(wei) 易於(yu) 測量的小信號，該信號將先經過係統的電能監控模塊，*後傳(chuan) 輸到控製中心。

圖4 采集終端結構框圖

2.3回路通斷控製模塊

回路通斷控製模塊由固態繼電器和PLC主控製模塊兩(liang) 者之間相互配合來實現回路通斷控製的功能。固態繼電器是一種無觸點的具有隔離功能的電子開關(guan) ，它被接在用戶供電設備的輸入端，當控製中心反饋的是用戶超額用電信息時，控製中心將會(hui) 向PLC主控製模塊發出斷電通知命令，主控製模塊通過固態繼電器來切斷電源。因此，回路通斷控製是通過固態繼電器來控製供電各線路的通斷電狀態。

2.4係統電能監控模塊

係統電能監控模塊的工作原理圖如圖5所示，係統電能監控模塊的功能是對數據采集模塊采集的信號進行進一步的處理，將將模擬量傳(chuan) 感器和開關(guan) 量傳(chuan) 感器的輸入的信號進行測量，比較分析，輸出主控製模塊能夠識別的安全信號。

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

圖5 係統電能監控模塊

係統電能監控模塊是以太網電能管理係統的核心，它可以實現對多種信號的采集與(yu) 對多種信號的實時監控，如電流，電壓，功率因數等信號。現如今已經被廣泛應用於(yu) 學校、發電站等各個(ge) 領域。

2.5人機界麵模塊

電能管理係統中設計了智能監控的人機界麵。當監控中心需要觀測用戶的實時用電情況時，係統便會(hui) 通過工業(ye) 以太網將數據采集模塊采集的信息傳(chuan) 遞到監控中心，電站管理人員可以通過人機界麵觀看出主控模塊傳(chuan) 遞的用戶用電信息，進而實現基於(yu) 人機界麵對現場進行的實時監控，監控中心的數據係統的操作平台是基於(yu) 工業(ye) 以太網的PC機構建而成。用戶用電數據信息通過PLC主控製模塊進行分析、交流和互通，構成了一個(ge) 完整的電能管理係統，從(cong) 而可以實現整個(ge) 電能管理係統的遠程分析、控製與(yu) 監測功能。

因此，文中通過對基於(yu) 工業(ye) 以太網的電能管理係統電能監控模塊的運行過程的分析，對整個(ge) 管理係統運行情況以及實際應用中的數據進行對比，和管理係統在現場實際應用中的各部分運行情況的分析，表明基於(yu) 工業(ye) 以太網的電能管理係統已經取得了有效的成果。

3 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決(jue) 方案

3.1概述

用戶端消耗著整個(ge) 電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節約用電有十分重要的意義(yi) 。構建智能用電服務體(ti) 係，全麵推廣用戶端智能儀(yi) 表、智能用電管理終端等設備用電管理解決(jue) 方案，實現電網與(yu) 用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決(jue) 的研究內(nei) 容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理係統、需求側(ce) 管理等課題。

安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決(jue) 方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決(jue) 策層展示各分項用電的使用消耗情況，便於(yu) 找出高耗能點或不合理的耗能習(xi) 慣，有效節約電能，為(wei) 用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

3.2應用場所

（1）辦公建築（商務辦公、大型公共建築等）；

（2）商業(ye) 建築（商場、金融機構建築等）；

（3）旅遊建築（賓館飯店、娛樂(le) 場所等）；

（4）科教文衛建築（文化、教育、科研、醫療衛生、體(ti) 育建築等）；

（5）通信建築（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

（6）交通運輸建築（機場、車站、碼頭建築等）。

3.3係統結構

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3.4係統功能

3.4.1實時監測

係統人機界麵友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關(guan) 、地刀等合、分狀態，以及有關(guan) 故障、告警等信號。

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3.4.2電能統計報表

係統以豐(feng) 富的報表支撐計量體(ti) 係的完整性。係統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內(nei) 各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與(yu) 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，並在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體(ti) 係的正確性。

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3.4.3詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個(ge) 回路附近時，鼠標指針變為(wei) 手形，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、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，並可以查看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

係統具有實時電力參數和曆史電力參數的存儲(chu) 和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界麵中能夠自定義(yi) 需要查詢的參數、相應時間或選擇查詢更新的記錄數據等，並通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定製運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

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3.4.5變壓器運行監視

係統對配電係統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，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。

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3.4.6實時報警

係統具有實時報警功能，係統能夠對配電回路斷路器、隔離開關(guan) 、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、功率因數越限等事件進行實時監測，並根據事件等級發出告警。係統報警時自動彈出實時報警窗口，並發出聲音或語音提醒。

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3.4.7曆史事件查詢

係統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

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3.4.8電能質量監測

係統可以對整個(ge) 配電係統範圍內(nei) 的電能質量進行持續性的監測，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(yi) 表，不需要可刪除。

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3.4.9遙控操作

係統支持對斷路器、隔離開關(guan) 、接地刀等進行分、合遙控操作。係統具有嚴(yan) 格的密碼保護和操作權限管理功能，對於(yu) 每次遙控操作，係統自動生成操作記錄，記錄內(nei) 容包含操作人、操作時間、操作類型等。實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。

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3.4.10用戶權限管理

係統為(wei) 保障係統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

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3.4.11通訊狀態圖

係統支持實時監視接入係統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態，發生網絡異常時能自動在界麵上顯示故障設備或元件及其故障部位。從(cong) 而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證係統的穩定運行。

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3.4.12視頻監控

視頻監控展示了當前實時畫麵（視頻直播），選中某一個(ge) 變配電站，即可查看該變配電站內(nei) 視頻信息。

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3.4.13用戶報告

用戶報告頁麵主要用於(yu) 對選定的變配電站自動匯總一個(ge) 月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。

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3.4.14 APP支持

電力運維手機支持“監控係統"、“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、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

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3.5係統硬件配置清單

應用場合	型號	圖片	功能
電能管理軟件	Acrel-3000WEB		Acrel-3000WEB電能管理軟件全方監視用戶配電係統的運行狀態和電量數據，為(wei) 用戶提供更好的運維服務。平台提供用戶概況、電力數據監測、電能質量分析、用電分析、日/月/年用能數據報表、異常事件報警和記錄、運行環境監測等功能，並支持多平台、多終端數據訪問。
智能網關(guan)	Anet-2E8S1		8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協議的數據接入，ModbusT-c(主、從(cong) ）、104（主、從(cong) ）、建築能耗、SNMP、MQTT等協議上傳(chuan) ，支持不同協議向多平台轉發數據;輸入電源:AC/DC 22ov，導軌式安裝。
	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從(cong) ）、104(主、從(cong) ）、建築能耗、SNMP、MOTT;（主模塊）輸入電源:DC 12 V ~36 V .支持4G擴展模塊，485擴展模塊。
	ANet-485		M485模塊:4路光耦隔離RS485
	ANet-M4G		M4G模塊:支持4G全網通
35kV/10kV/6kV微機保護裝置	AM6係列		35kV及以下配電係統線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監測/PT並列、母聯/備自投等保護。
35kV/10kV/6kV弧光保護	ARB5-M		主控單元，可接20路弧光信號或4個(ge) 擴展單元，弧光保護<8組）、失靈保護(4組）、TA斷線監測（4組）、非電量保護、裝置故障告警
	ARB5-E		擴展單元，可以插接6塊擴展插件，每個(ge) 擴展插件可以采集5路弧光信號
	ARB5-S		弧光探頭，建議安裝地點包括（但不限於(yu) ）斷路器室、電纜室、母線室，可麵板開孔安裝，亦可支架式安裝。弧光探頭的檢測範圍是一個(ge) 角度為(wei) 180°，半徑0.5m的扇形區域。
35kV/10kV/6kV進線櫃電能質量在線監測	APView500		裝置1024點波形采樣，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控製等功能為(wei) 一體(ti) ，能夠滿足110kV及以下供電係統電能質量監測的要求。
35kV/10kV/6kV間隔智能操控、節點測溫	ASD500		液晶屏顯示一次回路動態模擬圖、彈簧儲(chu) 能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫濕度控製及顯示、遠方/就地、分合閘、儲(chu) 能旋鈕、預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體(ti) 感應、櫃內(nei) 照明控製、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓內(nei) 電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈衝(chong) 輸出、4~20mA輸出
35kV/10kV/6kV傳(chuan) 感器	ATE400		合金片固定，CT感應取電，啟動電流大於(yu) 5A，測溫範圍-50-125℃，測量精度±1℃;傳(chuan) 輸距離空曠150米
35kV/10kV/6kV間隔電參量測量	APM830		三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos），零序電流In，四象限電能，實時及需量，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示
高壓重要回路或低壓進線櫃	APM810		三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序電流In，四象限電能，實時及需量，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類型及外部事件（SOE)各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示
	AEM96		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率)﹔電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級
	ADW300/4G		三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量;電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量;電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量當月及上三月的電壓、電流、功率;需量及上十二月曆史需量記錄;事件記錄、複費率、四象限電能及曆史電能記錄;支持4路開關(guan) 量輸入、2路開關(guan) 量輸出;支持4路測溫;支持1路剩餘(yu) 電流測量;支持本地顯示及按鍵設置;有功電能精度1級。通訊方式:支持RS485通訊、Lora無線通訊、4G通訊;WIFI通訊
0.4kV出線	AEM72		三相電參量U、I、P、0、s、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）﹔電流規格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級.無功電能精度2級
	DTSD1352		三相電參量u、I、P、Q、s、PF、F測量，分相正向有功電能統計，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計﹔紅外通訊;電流規格:經互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級。
	ACR120EL		LCD顯示、全電參量測量(U、1、P、Q、PF、F);四象限電能計量;RS485/Modbus;可選複費率電能統計、需量統計;4DI+2DO;RS485通訊接口、Modbus 協議
照明箱	DDSD1352		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;紅外及RS485通訊;電流規格:10(60）A，有功電能精度1級，無功精度2級;可選配複費率
照明箱	DDS1352		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;RS485通訊;電流規格:10(60)A，有功電能精度1級，無功精度2級;尺寸:1P
電流互感器	AKH-0.66/K型		開口式電流互感器

4結束語

基於(yu) 工業(ye) 以太網的電能管理係統，采用新型的科技，將智能化設備融入用電用戶中，在能夠充分采集用戶的用電數據信息的情況下，利用工業(ye) 以太網對數據進行自動化收集和數據分析管理，實現了對用用戶電信息的統一存儲(chu) 和分析，對實現電能的人性化管理具有重要意義(yi) 。但是由於(yu) 各個(ge) 管理係統產(chan) 品之間沒有統一的通信的標準，並且實施現代化的電能管理係統不能拋棄傳(chuan) 統。因此構建一個(ge) 基於(yu) 工業(ye) 以太網的電能管理係統的過程必然是曲折漫長的過程。

安科瑞侯文莉

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