集中運(yùn)算模式下基于PoE的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

李受明 侯 勇

（南京西門子電力自動(dòng)化有限公司，南京 210000）

集中運(yùn)算模式下基于PoE的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

李受明 侯 勇

（南京西門子電力自動(dòng)化有限公司，南京 210000）

在PoE（Power over Ethernet）供電模式下，電能質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備作為PD（Powered Device）設(shè)備，基于100M BASE-T網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行供電與通信雙組網(wǎng)，形成分布式電能監(jiān)控系統(tǒng)。所有電能質(zhì)量終端裝置均具有數(shù)據(jù)采集和對外控制功能，采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)報(bào)文匯總到數(shù)據(jù)處理中心，用后臺軟件分析并進(jìn)行顯示，后臺通過網(wǎng)絡(luò)命令報(bào)文控制電能質(zhì)量終端裝置，實(shí)現(xiàn)控制輸出功能。

PoE；供電端設(shè)備；PD；特定用途集成電路

當(dāng)前市場上存在大量電能質(zhì)量 PQ（Power Quality）監(jiān)控設(shè)備，一般用RS 485或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，且采用輔助交流或直流進(jìn)行供電。設(shè)備采用數(shù)模變換器和處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，獲取電能質(zhì)量分析需要的各種參數(shù)；然后與數(shù)據(jù)采集器、交換機(jī)或后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。后臺軟件獲取數(shù)據(jù)后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。這種系統(tǒng)組成如圖 1所示。

這種系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）該系統(tǒng)屬于分布式處理系統(tǒng)，每個(gè)電能質(zhì)量終端都各自進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。

2）單個(gè)監(jiān)測設(shè)備一般功率較小，設(shè)備采用自然散熱方式。

3）電能質(zhì)量設(shè)備需要隨路供電，即需要單獨(dú)布供電電線。

圖1 傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

4）上傳給后臺的數(shù)據(jù)為各終端監(jiān)測結(jié)果，而不是原始數(shù)據(jù)，這意味著原始信息的丟失。

5）對每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)而言，電能質(zhì)量監(jiān)控裝置會發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)的某些電能質(zhì)量事件，并可能會由此給出針對該點(diǎn)的電能質(zhì)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(tǒng)產(chǎn)生影響。

6）每個(gè)單獨(dú)監(jiān)測設(shè)備都需要實(shí)現(xiàn)計(jì)算和存儲功能，且大部分需要實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)還是電磁兼容方面都需要投入大量開發(fā)和測試成本。也就是說，這種監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)成本很高。

1 集中運(yùn)算模式下PoE電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)方案

PoE（Power over Ethernet）指的是：在現(xiàn)有以太網(wǎng) Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動(dòng)的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）傳輸數(shù)據(jù)信號的同時(shí)，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。PoE技術(shù)能在確?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時(shí)保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作，最大限度地降低系統(tǒng)構(gòu)建成本。目前的PoE標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.3at/f。標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(dòng)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(gè)不同等級的功率值3.84～12.95W。

首先PSE（Power Sourcing Equipment）設(shè)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(gè)供電過程PSE實(shí)時(shí)監(jiān)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(biāo)準(zhǔn)PoE供電過程

本文提出基于PoE的集中運(yùn)算模式電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)包含：數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集終端、供電系統(tǒng)等部分。這個(gè)系統(tǒng)是傳感器融合的系統(tǒng)，且是集中式運(yùn)算的系統(tǒng)。其最大特點(diǎn)是：

1）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與終端設(shè)備供電雙組網(wǎng)。

2）各終端可以通過“熱插拔”的方式介入網(wǎng)絡(luò)。

3）每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只是傳感器節(jié)點(diǎn)，由此獲取的原始數(shù)據(jù)都通過通信系統(tǒng)匯聚到后臺。

4）設(shè)備基于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文對時(shí)（NTP），可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣基本同步。

5）后臺采用中大型服務(wù)器進(jìn)行集中處理。

數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備基本架構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 POE電能質(zhì)量終端設(shè)備架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集終端主要包括以下4個(gè)部分：

1）模擬電路部分，主要負(fù)責(zé)引入電流和電壓的原始輸入，并進(jìn)行調(diào)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(wǎng)絡(luò)控制模塊、定時(shí)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(shù)據(jù)組成網(wǎng)絡(luò)包并加密發(fā)送，接收計(jì)算結(jié)果并顯示。

3）PD受電電路，符合PoE標(biāo)準(zhǔn)。

4）外圍設(shè)備，包含LCD、按鍵和網(wǎng)絡(luò)接口等。

其中設(shè)備受電電路如圖5所示。

PoE交換機(jī)為 PSE，系統(tǒng)在多個(gè)重要節(jié)點(diǎn)配有UPS（Uninterrupted Power Supply），可保證分布式電能質(zhì)量采樣控制單元掉電數(shù)據(jù)不易失，所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給中央處理單元，中央處理單元可以是PC、小型服務(wù)器或刀片式可擴(kuò)展服務(wù)器，取決于實(shí)際的數(shù)據(jù)處理需求。該系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)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(jiān)控模式下POE

中央處理單元完成電能質(zhì)量參數(shù)計(jì)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(jì)算；并根據(jù)電壓偏差、頻率偏差、不平衡、諧波、電壓波動(dòng)和閃變等情況進(jìn)行錄波；可生成PQDIF（Power Quality Data Interchange Format）和COMTRADE等報(bào)表。電力客戶通過網(wǎng)絡(luò)連接到后臺，就可以根據(jù)需要下載各個(gè)終端的報(bào)表數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞過程、終端與客戶之間的互動(dòng)響應(yīng)過程描述如圖7所示。

2 與傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢

本文提出的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)整體遵循 IEC 61000-4-30 Edition 2的電能質(zhì)量設(shè)備試驗(yàn)和測試技術(shù)。相對傳統(tǒng)的電能質(zhì)量設(shè)備及系統(tǒng)來說，文中提出的電能質(zhì)量終端采用統(tǒng)一的 ASIC構(gòu)建系統(tǒng)，使得每個(gè)終端的技術(shù)指標(biāo)一致。在 50Hz系統(tǒng)中，電壓、電流模擬量數(shù)據(jù)采樣率為 2048點(diǎn)/10周波和4096點(diǎn)/10周波可配置；在60Hz系統(tǒng)中，采樣率用2048點(diǎn)/12周波和4096點(diǎn)/12周波可配置。精度滿足IEC 62586-1 Class A等級。具體參數(shù)見表1。

圖7 數(shù)據(jù)傳遞流程圖

表1 電能質(zhì)量測量參數(shù)及精度

系統(tǒng)采用NTP網(wǎng)絡(luò)對時(shí)協(xié)議，且光纖網(wǎng)絡(luò)為專用電力數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，因此具有較高的對時(shí)精度，可以達(dá)到毫秒級精度。裝置實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)輸出延時(shí)不大于10ms。相對傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)控，本文提出的系統(tǒng)中各個(gè)終端對同一個(gè)電能質(zhì)量問題進(jìn)行匯總分析，各個(gè)終端之間的時(shí)間差在±20ms內(nèi)，對于表2中評估時(shí)間較長的電能質(zhì)量事件，可進(jìn)行共性分析，從而發(fā)現(xiàn)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