基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能管理系統(tǒng)設(shè)計

孫中岳，俞孟蕻，朱學(xué)青

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能管理系統(tǒng)設(shè)計

孫中岳，俞孟蕻，朱學(xué)青

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

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。

電能管理；工業(yè)以太網(wǎng)；電能監(jiān)控；人機界面

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、精準性和應(yīng)用特性等方面已經(jīng)不能滿足當下社會的用電需求，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)[1-3]。

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[4]。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[5-7]。

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[8]。

圖1　電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的第一級架構(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)的第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。最后根據(jù)上一級中心設(shè)置的標準，對數(shù)據(jù)進行分類上傳，分時間段上傳至上一級。

最后一層架構(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)的精準化，使得電能管理更加人性化[9-11]。

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)[12]。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

在基于以太網(wǎng)的電能管理系統(tǒng)中，不可缺少的環(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，最后傳輸?shù)娇刂浦行腫13]。

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[14]。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最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[15]，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　結(jié)束語

基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能管理系統(tǒng)，采用新型的科技，將智能化設(shè)備融入用電用戶中，在能夠充分采集用戶的用電數(shù)據(jù)信息的情況下，利用工業(yè)以太網(wǎng)對數(shù)據(jù)進行自動化收集和數(shù)據(jù)分析管理，實現(xiàn)了對用用戶電信息的統(tǒng)一存儲和分析，對實現(xiàn)電能的人性化管理具有重要意義。但是由于各個管理系統(tǒng)產(chǎn)品之間沒有統(tǒng)一的通信的標準，并且實施現(xiàn)代化的電能管理系統(tǒng)不能完全拋棄傳統(tǒng)。因此構(gòu)建一個基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能管理系統(tǒng)的過程必然是曲折漫長的過程。

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Wireless ethernet industrial site energy monitoring system motor

SUN Zhong-yue，YU Meng-hong，ZHU Xue-qing
（School of Electrical and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

For the current research status of industrial electric mode，the paper describes the design of modern Ethernet based on the power management system.The system realizes the remote real-time monitoring and management of electrical energy，and the system supports remote access to a variety of terminal equipment，the establishment of a real-time human-machine interface management platform to realize the power of modern management model.Improve management efficiency and effectiveness of power supply company，and for the regional power grid across large remote monitoring provides a new idea.

energy management；industrial ethernet；power monitoring；HMI

TN86

A

1674－6236（2016）21-0150-03

2015-11-11稿件編號：201511102

孫中岳（1989—），男，遼寧本溪人，碩士研究生。研究方向：電站設(shè)計。