简析基于工业以太网的电能计量管理系统的实现

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：针对目工业电能模式的研究现状，本文阐述了在现代以太网基础上的电能管理系统的设计。 该系统实现了电能的远程实时监控与管理，并且该系统支持多种终端设备的远程访问，建立了一个实时的人机界面管理平台，实现对电能现代化管理模式。 提高了供电企业的管理效率和供电效益，并为地域跨越大的电网的远程监测提供了一种新思路。

关键词：电能管理；工业以太网；电能监控；人机界面

0引言

随着电网的发展和相关政策的出台，电力管理逐步实现了一家一户抄表到户的制度。然而，随之而来的问题是大量电力数据的复制和管理。同时，多种类型的用电客户决定了高质量的供电要求。由于其自身的结构缺陷，传统的电力管理系统在有效性、实时可控性、准确性和应用特性方面已不能满足当社会的用电需求，会造成电力资源和人力资源的浪费。因此，电力管理门需要加快新型电力管理系统的普及。

随着互联网技术的飞速发展，现代科学技术将逐步取代传统的电力测量工具。随着各种现代智能产品的不断出现，通过工业以太网管理电能系统的研究逐渐成为电能系统的主流研究在电能管理方面的主流。通过人机界面对电能进行远程管理和控制，对收集到的数据进行快速**的分析、计算和控制，从而节省了大量的人力资源，提高了管理效率。基于工业以太网的电能网络监控系统是未来国家对电能功耗的集中监控。

针对当市场对电能质量的需求，本文讨论了以太网的电能管理结构，并阐述了系统中使用的关键技术。该系统实现了数据分析、协议转换、数据加密保护和保存等功能，用于远程监控电能和数据分类采集。从而实现了基于无线以太网的电能管理系统的设计。

1系统结构

鉴于电力管理系统的现状，本文提出的电力管理系统是一种基于工业以太网的三层架构的电力管理系统。电力管理系统的结构图如图1所示。该系统的主要功能是通过工业以太网实现现场数据的实时采集和分析，远程控制和管理电力。

图1 电能管理系统结构图

系统的**架构是基站现场采集网络，网络图如图2所示的局部基站现场采集网络图。基站现场采集网络实现对基站现场用电数据等信息的分类采集，在数据传输过程中实现对数据解析、协议转换、数据加密保护和保存等。利用链路结构的形式将数据传输到二数掘汇集中心。

图2 局部基站现场采集网络图

中端数据汇总网络中心是系统的*2架构，主要负责从各基站现场收集网络发送的数据，缓存和汇总电力消耗数据。*之后，根据上中心设置的标准，对数据进行分类上传，并在不同时间段上传到上。

*后一层架构是终端数据中心，即省数据办公室监控平台。终端数据中心将建立一个软件平台，用于分析和管理来自接收省份的电力信息数据信息，对其进行分类和存储，并定期备份数据。根据备份时间和数据分析管理内容对数据库进行统计，生成各种类型的统计报告。管理流程系统可以根据报告的内容制定，实现节能数据的准化，使电力管理更加人性化。

本文主要分析研究了电力管理系统的以太网监控模块和PLC主控模块。其中，电力管理系统涉及单片机技术、电力电子技术和通信技术。

2控制系统的设计

在电能管理系统中，基于以太网的监控模块大致可分为PLC主控模块、数据采集模块、电路通断控制模块、系统电能监控模块和人机界面模块五个模块。

2.1PLC主控模块

系统的硬件结构图如图3所示。系统硬件由三部分组成：控制端、被控端和被控对象。本文中的电能管理系统以编程逻辑控制器为系统的控制核心。PLC主控制模块有多个数据收集端口，每个端口有100多个收集点，因此主控制模板可以分布在每个监控区域；通过工业以太网，每个主控制模板可以相互通信，形成一个控制网络。实现过程如下：每个监控区域通过收集点收集数据信息，PLC主控制模块将收集到的信息进行整合和计算，

此外，主控制模块和系统电能监控模块可以一起使用，以达到收集电信号的目的，从而实现线路的开关控制。

图3 系统硬件结构图

2.2数据采集模块

在基于以太网的电能管理系统中，不可缺少的环节是数据采集模块。数据采集模块的采集端口接收的信号是电压电流信号，在本系统中使用电流和电压互感器来采集电信号。如图4所示为采集终端的结构图。通过电压电流互感耦合器将信号传递给数据处理中心，由于大的电流电压信号不易传递，因此需要将之按比例缩小为易于测量 的小信号，该信号将先经过系统的电能监控模块，*后传输到控制中心。

图4 采集终端结构框图

2.3回路通断控制模块

电路通断控制模块由固态继电器和PLC主控制模块相互配合，实现电路通断控制功能。固态继电器是一种具有隔离功能的无触点电子开关，连接到用户供电设备的输入端。当控制中心反馈用户过度用电信息时，控制中心会向PLC主控制模块发出断电通知命令，主控制模块会通过固态继电器切断电源。因此，电路通断控制是通过固态继电器控制供电线路的通断状态。

2.4系统电能监控模块

如图5所示，系统电能监控模块的工作原理图。系统电能监控模块的功能是进一步处理数据采集模块采集的信号，测量模拟量传感器和开关量传感器的输入信号，进行比较分析，输出主控制模块可以识别的安全信号。

实现电能监控模块的过程是分别过滤数据采集模块采集的电流电压信号。为了防止高频信号干扰测量的电信号，必须先处理高频干扰信号。处理方法是在电路中加入低通滤波器，过滤掉高频干扰信号*，然后用操作放大器放大。

图5 系统电能监控模块

系统电能监控模块是以太网电能管理系统的核心，可以实现电流、电压、功率因数等各种信号的采集和实时监控。现在已经广泛应用于学校、电站等域。

2.5人机界面模块

智能监控的人机界面设计在电能管理系统中。当监控中心需要观察用户的实时用电情况时，系统会通过工业以太网向监控中心传递数据采集模块采集的信息。电站管理人员可以通过人机界面观察主控模块传递的用户用电信息，从而实现基于人机界面的实时监控。监控中心数据系统的操作平台是基于工业以太网的PC机构。通过PLC主控制模块分析、交流和交流用户用电数据信息，构成了一个完整的电能管理系统。

因此，本文通过分析基于工业以太网的电能管理系统电能监控模块的运行过程，比较了整个管理系统的运行情况和实际应用中的数据，分析了管理系统在现场实际应用中的各个部分的运行情况，表明基于工业以太网的电能管理系统取得了有效的成果。

3 Acrel-3000WEB电能管理解决方案

3.1概述

用户端消耗整个电网80%的电能，用户端智能用电管理对用户的可靠性、安全性和节能性具有重要意义。构建智能用电服务体系，**推广用户端智能仪器、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括:**的计算、智能建筑、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

通过对用户端用电情况的细分和统计，安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过直观的数据和图表向管理者或决策层展示了各分项用电情况，便于找出高能耗点或不合理的能耗习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升提供准确的数据支持。

3.2应用场所

(1)办公建筑(商务办公、大型公共建筑等)；

(2)商业建筑(商场、金融机构等)；

旅游建筑(酒店、娱乐场所等)；

科教文卫建筑(文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等)；

(5)通信建筑(邮电、通信、广播、电视、数据中心等)；

运输建筑(机场、车站、码头建筑等)。).

3.3系统结构

3.4系统功能

3.4.1实时监测

系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

3.4.2电能统计报表

系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

3.4.3详细电参量查询

在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

3.4.4运行报表

系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、相应时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

3.4.5变压器运行监视

系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

3.4.6实时报警

系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

3.4.7历史事件查询

系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

3.4.8电能质量监测

系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

3.4.9遥控操作

系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

3.4.10用户权限管理

系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

3.4.11通讯状态图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，**系统的稳定运行。

3.4.12视频监控

视频监控展示了当实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

3.4.13用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

3.4.14 APP支持

电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

3.5系统硬件配置清单

4结束语

基于工业以太网电力管理系统，采用新技术，智能设备进入电力用户，充分收集用户电力数据信息，利用工业以太网数据自动收集和数据分析管理，实现用户电力信息的统一存储和分析，实现电力人性化管理具有重要意义。但由于管理系统产品之间没有统一的通信标准，现代电力管理系统的实施不能**放弃传统。因此，构建基于工业以太网的电力管理系统的过程必须是一个曲折而漫长的过程。

【参考文献】

[1]孙中岳.俞孟蕻，朱学青.基于工业以太网的电能管理系统设计.

[2]赵丹，李茜，孟彦京.基于Profinet工业以太网的复卷机电控系统设计[J].

[3]陈长辉.基于工业以太网的自动化控制系统设计[J].

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

作者简介：叶根胜，男，现任于安科瑞电气股份有限公司，主要从事电能管理系统的研发与应用

原创作者：上海安科瑞新能源有限公司