基于工業(yè)以太網(wǎng)的電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jì)

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(duì)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(jì)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(gè)實(shí)時(shí)的人機(jī)界面管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)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(jī)界面

隨著電網(wǎng)的發(fā)展和相關(guān)政策的出臺(tái)，用電管理也逐步實(shí)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(shí)，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(shí)時(shí)可控性、精準(zhǔn)性和應(yīng)用特性等方面已經(jīng)不能滿足當(dāng)下社會(huì)的用電需求，且會(huì)造成電力資源和人力資源的浪費(fèi)。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(cè)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(duì)電能的遠(yuǎn)程操控通過人機(jī)界面對(duì)電能采取遠(yuǎn)程管理控制，并對(duì)采集來的數(shù)據(jù)的進(jìn)行高速高效的分析、計(jì)算、控制，從而節(jié)省了大量的人力資源，提高了管理效率?；诠I(yè)以太網(wǎng)的電能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，這是未來國(guó)家集中監(jiān)控電力功耗和合理利用電能的發(fā)展趨勢(shì)[5-7]。

針對(duì)目前的電能質(zhì)量的市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)現(xiàn)了基于無線以太網(wǎng)的電能的管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集分析，通過工業(yè)以太網(wǎng)的對(duì)電能進(jìn)行遠(yuǎn)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(jí)架構(gòu)是基站現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示的局部基站現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)圖?；粳F(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)基站現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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?jí)數(shù)掘匯集中心。

圖2　局部基站現(xiàn)場(chǎng)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(jí)架構(gòu)，主要負(fù)責(zé)匯集從各基站現(xiàn)場(chǎng)采集網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，匯總。最后根據(jù)上一級(jí)中心設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類上傳，分時(shí)間段上傳至上一級(jí)。

最后一層架構(gòu)是終端數(shù)據(jù)中心，即省級(jí)數(shù)據(jù)處監(jiān)控平臺(tái)。終端數(shù)據(jù)中心會(huì)搭建一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，對(duì)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(chǔ)，定時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。根據(jù)備份時(shí)間和數(shù)據(jù)分析管理的內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成各種類型的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。根據(jù)報(bào)表的內(nèi)容來制定管理流程制度，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)化，使得電能管理更加人性化[9-11]。

文中主要對(duì)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(xiàng)領(lǐng)域。

2　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(gè)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(duì)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(gè)數(shù)據(jù)采集端口，每一個(gè)端口上有一百多個(gè)采集點(diǎn)，因而可以將主控制模板分布在各個(gè)監(jiān)控區(qū)域；通過工業(yè)以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)主控制模板互通進(jìn)而組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)[12]。實(shí)現(xiàn)過程如下：各個(gè)監(jiān)控區(qū)域通過采集點(diǎn)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(yùn)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(chǔ)，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(huì)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(shí)時(shí)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(duì)違章用戶實(shí)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(hào)的目的，并以此來實(shí)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(hào)是電壓電流信號(hào)，在本系統(tǒng)中使用電流和電壓互感器來采集電信號(hào)。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(hào)傳遞給數(shù)據(jù)處理中心，由于大的電流電壓信號(hào)不易傳遞，因此需要將之按比例縮小為易于測(cè)量的小信號(hào)，該信號(hào)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(shí)現(xiàn)回路通斷控制的功能。固態(tài)繼電器是一種無觸點(diǎn)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(shí)，控制中心將會(huì)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(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號(hào)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(hào)進(jìn)行測(cè)量，比較分析，輸出主控制模塊能夠識(shí)別的安全信號(hào)。

電能監(jiān)控模塊實(shí)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(hào)分別進(jìn)行濾波處理，為了防止高頻信號(hào)對(duì)對(duì)測(cè)量的電信號(hào)進(jìn)行干擾，首先必須對(duì)高頻干擾信號(hào)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(hào)最后用運(yùn)算放大器對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)多種信號(hào)的采集與對(duì)多種信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如電流，電壓，功率因數(shù)等信號(hào)?，F(xiàn)如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于學(xué)校、發(fā)電站等各個(gè)領(lǐng)域。

2.5人機(jī)界面模塊

電能管理系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了智能監(jiān)控的人機(jī)界面。當(dāng)監(jiān)控中心需要觀測(cè)用戶的實(shí)時(shí)用電情況時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)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(shí)現(xiàn)基于人機(jī)界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控[15]，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)系統(tǒng)的操作平臺(tái)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(gè)完整的電能管理系統(tǒng)，從而可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電能管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程分析、控制與監(jiān)測(cè)功能。

因此，文中通過對(duì)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(yùn)行過程的分析，對(duì)整個(gè)管理系統(tǒng)運(yùn)行情況以及實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，和管理系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中的各部分運(yùn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化收集和數(shù)據(jù)分析管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用用戶電信息的統(tǒng)一存儲(chǔ)和分析，對(duì)實(shí)現(xiàn)電能的人性化管理具有重要意義。但是由于各個(gè)管理系統(tǒng)產(chǎn)品之間沒有統(tǒng)一的通信的標(biāo)準(zhǔn)，并且實(shí)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(gè)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(zhǎng)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(hào)：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(jì)。