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(yuǎn)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(yuǎn)程訪問，建立了一個實時的人機(jī)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(yuǎn)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(jī)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(yuǎn)程操控通過人機(jī)界面對電能采取遠(yuǎn)程管理控制，并對采集來的數(shù)據(jù)的進(jìn)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(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(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(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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(fù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析和管理，并將之分類后進(jìn)行存儲，定時對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(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(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(jìn)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(jìn)行整合運算，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，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)來實時監(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(dá)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
 

　　在基于以太網(wǎng)的電能管理系統(tǒng)中，環(huán)節(jié)是數(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?br /> 

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(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(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(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(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(jī)界面模塊
 

　　電能管理系統(tǒng)中設(shè)計了智能監(jiān)控的人機(jī)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(jī)界面觀看出主控模塊傳遞的用戶用電信息，進(jìn)而實現(xiàn)基于人機(jī)界面對現(xiàn)場進(jìn)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(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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行細(xì)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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。
 

3.4.3詳細(xì)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)槭中危髽?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。
 

3.4.6實時報警
 

　　系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位，保護(hù)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(jìn)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。
 

3.4.8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(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進(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。
 

3.4.10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(hù)、管理提供可靠的安全保障。
 

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。
 

3.4.14 APP支持
 

　　電力運維手機(jī)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。