基于工业以太网的电能计量管理系统的应用

1系统结构

针对目前电能管理系统的现状，本文提出的电能管理系统是以工业以太网为基础的三层架构的电能管理系统。 电能管理系统结构图如图1所示。 该系统的主要功能是实现对现场数据的实时采集分析，通过工业以太网的对电能进行远程控制和管理。

图1 电能管理系统结构图

系统的**级架构是基站现场采集网络，网络图如图2所示的局部基站现场采集网络图。基站现场采集网络实现对基站现场用电数据等信息的分类采集，在数据传输过程中实现对数据解析、协议转换、数据加密保护和保存等。利用链路结构的形式将数据传输到二级数掘汇集中心。

图2 局部基站现场采集网络图

中端数据汇总网络中心是系统的*2级架构，主要负责汇集从各基站现场采集网络发出的数据，并对用电数据进行缓存，汇总。*后根据上*级中心设置的标准，对数据进行分类上传，分时间段上传至上*级。

*后一层架构是终端数据中心，即省级数据处监控平台。终端数据中心会搭建一个监控系统的软件平台，对收集来自接受全省的用电信息数据信息进行数据分析和管理，并将之分类后进行存储，定时对数据进行备份。根据备份时间和数据分析管理的内容对数据库进行统计，生成各种类型的统计报表。根据报表的内容来制定管理流程制度，可以实现节能数据的*准化，使得电能管理更加人性化。

文中主要对电能管理系统的以太网式的监控模块和PLC主控模块进行了分析与研究。其中电能管理系统中涉及到了单片机技术、电力电子技术和通信技术等多项领域。

2控制系统的设计

在电能管理系统中，基于以太网的监控模块的大致可分为5个模块，分别为PLC主控制模块，数据采集模块，回路通断控制模块，系统电能监控模块，和人机界面模块。

2.1PLC主控制模块

系统的硬件结构图如图3所示。系统硬件有三部分组成：控制端，被控端，被控对象。文中的电能管理系统是以可编程逻辑控制器作为系统的控制核心，PLC主控制模块种有多个数据采集端口，每一个端口上有一百多个采集点，因而可以将主控制模板分布在各个监控区域；通过工业以太网可以实现各个主控制模板互通进而组成一个控制网络。实现过程如下：各个监控区域通过采集点收集数据信息，PLC主控制模块将采集到的信息进行整合运算，将处理好的数据反馈给用户并且将之进行分类存储，以便用户进行查看调用，归档的数据可以通过以太网进行数据信息交流，分类好的数据会被发送到控制中心。电能管理系统的工作人员可以使用PC机来实时监控用户的用电情况，并能利用PC机发送远程的控制指令。如进行断电抢修，对违章用户实施断电惩罚等。

此外，可以将主控制模块和系统电能监控模块两者配合使用，来达到采集电信号的目的，并以此来实现线路的通断电控制。

图3 系统硬件结构图

2.2数据采集模块

在基于以太网的电能管理系统中，不可缺少的环节是数据采集模块。数据采集模块的采集端口接收的信号是电压电流信号，在本系统中使用电流和电压互感器来采集电信号。如图4所示为采集终端的结构图。通过电压电流互感耦合器将信号传递给数据处理中心，由于大的电流电压信号不易传递，因此需要将之按比例缩小为易于测量 的小信号，该信号将先经过系统的电能监控模块，*后传输到控制中心。

图4 采集终端结构框图

2.3回路通断控制模块

回路通断控制模块由固态继电器和PLC主控制模块两者之间相互配合来实现回路通断控制的功能。固态继电器是一种无触点的具有隔离功能的电子开关，它被接在用户供电设备的输入端，当控制中心反馈的是用户超额用电信息时，控制中心将会向PLC主控制模块发出断电通知命令，主控制模块通过固态继电器来切断电源。因此，回路通断控制是通过固态继电器来控制供电各线路的通断电状态。

2.4系统电能监控模块

系统电能监控模块的工作原理图如图5所示，系统电能监控模块的功能是对数据采集模块采集的信号进行进一步的处理，将将模拟量传感器和开关量传感器的输入的信号进行测量，比较分析，输出主控制模块能够识别的安全信号。

电能监控模块实现的过程是先将数据采集模块采集的电流电压信号分别进行滤波处理，为了防止高频信号对对测量的电信号进行干扰，首先必须对高频干扰信号进行处理，处理方法是在电路中加入低通滤波器，被滤除高频干扰的信号*后用运算放大器对之进行放大处理。

图5 系统电能监控模块

系统电能监控模块是以太网电能管理系统的核心，它可以实现对多种信号的采集与对多种信号的实时监控，如电流，电压，功率因数等信号。现如今已经被广泛应用于学校、发电站等各个领域。

2.5人机界面模块

电能管理系统中设计了智能监控的人机界面。当监控中心需要观测用户的实时用电情况时，系统便会通过工业以太网将数据采集模块采集的信息传递到监控中心，电站管理人员可以通过人机界面观看出主控模块传递的用户用电信息，进而实现基于人机界面对现场进行的实时监控，监控中心的数据系统的操作平台是基于工业以太网的PC机构建而成。用户用电数据信息通过PLC主控制模块进行分析、交流和互通，构成了一个完整的电能管理系统，从而可以实现整个电能管理系统的远程分析、控制与监测功能。

因此，文中通过对基于工业以太网的电能管理系统电能监控模块的运行过程的分析，对整个管理系统运行情况以及实际应用中的数据进行对比，和管理系统在现场实际应用中的各部分运行情况的分析，表明基于工业以太网的电能管理系统已经取得了有效的成果。

3 安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案

3.1概述

用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，全面推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

3.2应用场所

（1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；

（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

【参考文献】

[1]孙中岳.俞孟蕻，朱学青.基于工业以太网的电能管理系统设计.

[2]赵丹，李茜，孟彦京.基于Profinet工业以太网的复卷机电控系统设计[J].

[3]陈长辉.基于工业以太网的自动化控制系统设计[J].

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

审核编辑 黄宇