集中運算模式下基于PoE的電能質量監控系統

李受明 侯 勇

（南京西門子電力自動化有限公司，南京 210000）

集中運算模式下基于PoE的電能質量監控系統

李受明 侯 勇

（南京西門子電力自動化有限公司，南京 210000）

在PoE（Power over Ethernet）供電模式下，電能質量監控設備作為PD（Powered Device）設備，基于100M BASE-T網絡，進行供電與通信雙組網，形成分布式電能監控系統。所有電能質量終端裝置均具有數據采集和對外控制功能，采集的數據通過網絡報文匯總到數據處理中心，用后臺軟件分析并進行顯示，后臺通過網絡命令報文控制電能質量終端裝置，實現控制輸出功能。

PoE；供電端設備；PD；特定用途集成電路

當前市場上存在大量電能質量 PQ（Power Quality）監控設備，一般用RS 485或網絡進行通信，且采用輔助交流或直流進行供電。設備采用數模變換器和處理器進行數據采集與處理，獲取電能質量分析需要的各種參數；然后與數據采集器、交換機或后臺進行數據傳輸。后臺軟件獲取數據后進行統計、顯示，并進行數據存儲。這種系統組成如圖 1所示。

這種系統有以下幾個特點：

1）該系統屬于分布式處理系統，每個電能質量終端都各自進行數據計算。

2）單個監測設備一般功率較小，設備采用自然散熱方式。

3）電能質量設備需要隨路供電，即需要單獨布供電電線。

圖1 傳統電能質量監控系統

4）上傳給后臺的數據為各終端監測結果，而不是原始數據，這意味著原始信息的丟失。

5）對每個監測點而言，電能質量監控裝置會發現該點的某些電能質量事件，并可能會由此給出針對該點的電能質量治理決策。但這種治理決策為局部的，相對片面的，可能對系統產生影響。

6）每個單獨監測設備都需要實現計算和存儲功能，且大部分需要實現交流供電，這就意味著裝置需要有處理器，存儲器和AC-DC變換電路。無論從電路設計還是電磁兼容方面都需要投入大量開發和測試成本。也就是說，這種監測網絡成本很高。

1 集中運算模式下PoE電能質量監控系統方案

PoE（Power over Ethernet）指的是：在現有以太網 Cat.5布線基礎架構不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機、無線局域網接入點AP、網絡攝像機等）傳輸數據信號的同時，還能為此類設備提供直流供電的技術。PoE技術能在確?，F有結構化布線安全的同時保證現有網絡的正常運作，最大限度地降低系統構建成本。目前的PoE標準是IEEE 802.3at/f。標準中，PoE有兩種連接方式：中間跨接法（Mid-Span）和末端跨接法（End-Span）。本文基于100M BASE-T場景，給出采用RJ45空閑引腳對供電的連接方式如圖2所示。

圖2 采用空閑對供電的接線方式

IEEE 802.3af定義的PoE供電基本參數為：電壓在44～57V之間，典型值為48V；允許最大電流為550mA，最大啟動電流為500mA；典型工作電流為10～350mA，超載檢測電流為300～500mA；在空載情況下最大所需電流為5mA；為PD（Powered Device）提供5個不同等級的功率值3.84～12.95W。

首先PSE（Power Sourcing Equipment）設備檢測PD是否存在，若存在則再確定PD的功耗，然后PSE給PD上電，整個供電過程PSE實時監控供電情況，判斷PD是否斷開。

PoE基本供電過程如圖3所示。

圖3 標準PoE供電過程

本文提出基于PoE的集中運算模式電能質量監控系統包含：數據通信、數據采集終端、供電系統等部分。這個系統是傳感器融合的系統，且是集中式運算的系統。其最大特點是：

1）實現數據通信與終端設備供電雙組網。

2）各終端可以通過“熱插拔”的方式介入網絡。

3）每個終端節點只是傳感器節點，由此獲取的原始數據都通過通信系統匯聚到后臺。

4）設備基于網絡報文對時（NTP），可實現數據采樣基本同步。

5）后臺采用中大型服務器進行集中處理。

數據采集終端設備基本架構圖，如圖4所示。

圖4 POE電能質量終端設備架構

數據采集終端主要包括以下4個部分：

1）模擬電路部分，主要負責引入電流和電壓的原始輸入，并進行調理。

2）使用一顆ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片，包含 24位精度的 ADC（Analog to Digital Converter）采樣模塊、百兆網絡控制模塊、定時器、LCD（liquid crystal display）控制模塊、GPIO（General Purpose Input and Output）以及按鍵控制等模塊。ASIC主要功能是將采集來的電流電壓原始數據組成網絡包并加密發送，接收計算結果并顯示。

3）PD受電電路，符合PoE標準。

4）外圍設備，包含LCD、按鍵和網絡接口等。

其中設備受電電路如圖5所示。

PoE交換機為 PSE，系統在多個重要節點配有UPS（Uninterrupted Power Supply），可保證分布式電能質量采樣控制單元掉電數據不易失，所有采樣點數據實時傳遞給中央處理單元，中央處理單元可以是PC、小型服務器或刀片式可擴展服務器，取決于實際的數據處理需求。該系統應用于工業園區或者大型工廠的部署方案如圖6所示。

圖5 PD受電電路

圖6 集中監控模式下POE

中央處理單元完成電能質量參數計算，包括：電壓、電流、頻率、有功、無功、諧波、間諧波、三相不平衡、總諧波失真、閃變等計算；并根據電壓偏差、頻率偏差、不平衡、諧波、電壓波動和閃變等情況進行錄波；可生成PQDIF（Power Quality Data Interchange Format）和COMTRADE等報表。電力客戶通過網絡連接到后臺，就可以根據需要下載各個終端的報表數據。

系統數據傳遞過程、終端與客戶之間的互動響應過程描述如圖7所示。

2 與傳統電能質量監控系統優勢

本文提出的電能質量監控系統整體遵循 IEC 61000-4-30 Edition 2的電能質量設備試驗和測試技術。相對傳統的電能質量設備及系統來說，文中提出的電能質量終端采用統一的 ASIC構建系統，使得每個終端的技術指標一致。在 50Hz系統中，電壓、電流模擬量數據采樣率為 2048點/10周波和4096點/10周波可配置；在60Hz系統中，采樣率用2048點/12周波和4096點/12周波可配置。精度滿足IEC 62586-1 Class A等級。具體參數見表1。

圖7 數據傳遞流程圖

表1 電能質量測量參數及精度

系統采用NTP網絡對時協議，且光纖網絡為專用電力數據傳輸網絡，因此具有較高的對時精度，可以達到毫秒級精度。裝置實時采樣數據輸出延時不大于10ms。相對傳統的電能質量監控，本文提出的系統中各個終端對同一個電能質量問題進行匯總分析，各個終端之間的時間差在±20ms內，對于表2中評估時間較長的電能質量事件，可進行共性分析，從而發現事件的根因。

Power Quality Monitoring System based on PoE in Centralized Computing Mode

Li Shouming Hou Yong
(Siemens Power Automation Ltd,Nanjing 210000)

In PoE mode,power quality monitoring equipments are PD equipments,which are based on 100M Base-T network.The power supply and communication of them are multiplexed in one network,which form distributed power monitoring system.All electrical energy quality devices have data acquisition function and remote device control function.They collect data and send to data center via network.In the data center,all the data are analysed and displayed by server.At the same time,background software sends command and data packets to terminal monitoring devices through the network,to realize the control of PQ devices.

PoE;PSE;PD;ASIC