基于工業以太網的電能管理系統設計

孫中岳，俞孟蕻，朱學青

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇 鎮江 212003）

基于工業以太網的電能管理系統設計

孫中岳，俞孟蕻，朱學青

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇 鎮江 212003）

針對目前工業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系統的設計。該系統實現了電能的遠程實時監控與管理，并且該系統支持多種終端設備的遠程訪問，建立了一個實時的人機界面管理平臺，實現對電能現代化管理模式。提高了供電企業的管理效率和供電效益，并為地域跨越大的電網的遠程監測提供了一種新思路。

電能管理；工業以太網；電能監控；人機界面

隨著電網的發展和相關政策的出臺，用電管理也逐步實現了一家一表，抄表到戶的制度。但是隨之而來的問題是大量用電數據的回抄和管理。同時，用電的客戶群體的多類型決定了高質量的供電要求。由于自身結構的缺陷，傳統的電能管理系統在有效性、實時可控性、精準性和應用特性等方面已經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[1-3]。

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統的電量測量工具。伴隨著各類現代化的智能產品不斷出現，在電能管理方面，通過工業以太網來管理電能系統的研究逐漸成為電能系統的主要研究主流[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，并對采集來的數據的進行高速高效的分析、計算、控制，從而節省了大量的人力資源，提高了管理效率?；诠I以太網的電能網絡監控系統，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[5-7]。

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，闡述了系統中所用到的關鍵性技術。系統實現了對電能的遠程監控與數據的分類采集，數據傳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。從而實現了基于無線以太網的電能的管理系統的設計。

1　系統結構

針對目前電能管理系統的現狀，本文提出的電能管理系統是以工業以太網為基礎的三層架構的電能管理系統。電能管理系統結構圖如圖1所示。該系統的主要功能是實現對現場數據的實時采集分析，通過工業以太網的對電能進行遠程控制和管理[8]。

圖1　電能管理系統結構圖

系統的第一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?；粳F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系統的第2級架構，主要負責匯集從各基站現場采集網絡發出的數據，并對用電數據進行緩存，匯總。最后根據上一級中心設置的標準，對數據進行分類上傳，分時間段上傳至上一級。

最后一層架構是終端數據中心，即省級數據處監控平臺。終端數據中心會搭建一個監控系統的軟件平臺，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，并將之分類后進行存儲，定時對數據進行備份。根據備份時間和數據分析管理的內容對數據庫進行統計，生成各種類型的統計報表。根據報表的內容來制定管理流程制度，可以實現節能數據的精準化，使得電能管理更加人性化[9-11]。

文中主要對電能管理系統的以太網式的監控模塊和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　控制系統的設計

在電能管理系統中，基于以太網的監控模塊的大致可分為5個模塊，分別為PLC主控制模塊，數據采集模塊，回路通斷控制模塊，系統電能監控模塊，和人機界面模塊。

2.1PLC主控制模塊

系統的硬件結構圖如圖3所示。系統硬件有三部分組成：控制端，被控端，被控對象。文中的電能管理系統是以可編程邏輯控制器作為系統的控制核心，PLC主控制模塊種有多個數據采集端口，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控區域；通過工業以太網可以實現各個主控制模板互通進而組成一個控制網絡[12]。實現過程如下：各個監控區域通過采集點收集數據信息，PLC主控制模塊將采集到的信息進行整合運算，將處理好的數據反饋給用戶并且將之進行分類存儲，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，分類好的數據會被發送到控制中心。電能管理系統的工作人員可以使用PC機來實時監控用戶的用電情況，并能利用PC機發送遠程的控制指令。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電能監控模塊兩者配合使用，來達到采集電信號的目的，并以此來實現線路的通斷電控制。

圖3　系統硬件結構圖

2.2數據采集模塊

在基于以太網的電能管理系統中，不可缺少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，在本系統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構圖。通過電壓電流互感耦合器將信號傳遞給數據處理中心，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，該信號將先經過系統的電能監控模塊，最后傳輸到控制中心[13]。

圖4　采集終端結構框圖

2.3回路通斷控制模塊

回路通斷控制模塊由固態繼電器和PLC主控制模塊兩者之間相互配合來實現回路通斷控制的功能。固態繼電器是一種無觸點的具有隔離功能的電子開關，它被接在用戶供電設備的輸入端，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主控制模塊發出斷電通知命令，主控制模塊通過固態繼電器來切斷電源[14]。因此，回路通斷控制是通過固態繼電器來控制供電各線路的通斷電狀態。

2.4系統電能監控模塊

系統電能監控模塊的工作原理圖如圖5所示，系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，將將模擬量傳感器和開關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　系統電能監控模塊

系統電能監控模塊是以太網電能管理系統的核心，它可以實現對多種信號的采集與對多種信號的實時監控，如電流，電壓，功率因數等信號?，F如今已經被廣泛應用于學校、發電站等各個領域。

2.5人機界面模塊

電能管理系統中設計了智能監控的人機界面。當監控中心需要觀測用戶的實時用電情況時，系統便會通過工業以太網將數據采集模塊采集的信息傳遞到監控中心，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，進而實現基于人機界面對現場進行的實時監控[15]，監控中心的數據系統的操作平臺是基于工業以太網的PC機構建而成。用戶用電數據信息通過PLC主控制模塊進行分析、交流和互通，構成了一個完整的電能管理系統，從而可以實現整個電能管理系統的遠程分析、控制與監測功能。

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

3　結束語

基于工業以太網的電能管理系統，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和分析，對實現電能的人性化管理具有重要意義。但是由于各個管理系統產品之間沒有統一的通信的標準，并且實施現代化的電能管理系統不能完全拋棄傳統。因此構建一個基于工業以太網的電能管理系統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：電站設計。