浅谈基于工业以太网的电能计量管理系统的应用

浅谈基于工业以太网的电能计量管理系统的应用

安科瑞电气股份有限公司 张颖姣 上海嘉定 201801

摘要：针对目前工业电能模式的研究现状，本文阐述了在现代以太网基础上的电能管理系统的设计。 该系统实现了电能的远程实时监控与管理，并且该系统支持多种终端设备的远程访问，建立了一个实时的人机界面管理平台，实现对电能现代化管理模式。 提高了供电企业的管理效率和供电效益，并为地域跨越大的电网的远程监测提供了一种新思路。

关键词：电能管理；工业以太网；电能监控；人机界面

0引言

随着电网的发展和相关政策的出台，用电管理也逐步实现了一家一表，抄表到户的制度。但是随之而来的问题是大量用电数据的回抄和管理。同时，用电的客户群体的多类型决定了高质量的供电要求。 由于自身结构的缺陷，传统的电能管理系统在有效性、实时可控性、*准性和应用特性等方面已经不能满足当下社会的用电需求，且会造成电力资源和人力资源的浪费。因此，电管理门需加快普及新型的电能管理系统。

随着互联网科技的飞速发展，现代化的科学技术将逐渐取代传统的电量测量工具。伴随着各类现代化的智能产品不断出现，在电能管理方面，通过工业以太网来管理电能系统的研究逐渐成为电能系统的主要研究主流。 而对电能的远程操控通过人机界面对电能采取远程管理控制，并对采集来的数据的进行高速高效的分析、计算、控制，从而节省了大量的人力资源，提高了管理效率。 基于工业以太网的电能网络监控系统，这是未来国家集中监控电力功耗和合理利用电能的发展趋势。

针对目前的电能质量的市场需求，文中论述了以太网的电能管理结构，阐述了系统中所用到的关键性技术。系统实现了对电能的远程监控与数据的分类采集，数据传输过程中的数据解析、协议转换、数据加密保护和保存等功能。从而实现了基于无线以太网的电能的管理系统的设计。

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）。

3.3系统结构

3.4系统功能

3.4.1实时监测

系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

3.4.2电能统计报表

系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

3.4.3详细电参量查询

在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

3.4.4运行报表

系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、相应时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

3.4.5变压器运行监视

系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

3.4.6实时报警

系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

3.4.7历史事件查询

系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

3.4.8电能质量监测

系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

3.4.9遥控操作

系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

3.4.10用户权限管理

系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

3.4.11通讯状态图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

3.4.12视频监控

视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

3.4.13用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

3.4.14 APP支持

电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

3.5系统硬件配置清单

应用场合	型号	图 片	功能
电能管理软件	Acrel-3000WEB

	Acrel-3000WEB电能管理软件全方监视用户配电系统的运行状态和电量数据，为用户提供更好的运维服务。平台提供用户概况、电力数据监测、电能质量分析、用电分析、日/月/年用能数据报表、异常事件报警和记录、运行环境监测等功能，并支持多平台、多终端数据访问。
智能网关	Anet-2E8S1		8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等协议的数据接入，ModbusT-c(主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT等协议上传，支持不同协议向多平台转发数据;输入电源:AC/DC 22ov，导轨式安装。
ANet-2E4SM

	4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、从）、104(主、从）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模块）输入电源:DC 12 V ~36 V .支持4G扩展模块，485扩展模块。
ANet-485	M485模块:4路光耦隔离RS485
ANet-M4G	M4G模块:支持4G全网通
35kV/10kV/6kV微机保护装置	AM6系列		35kV及以下配电系统线路、主变、配电变压器、电动机、电容器、PT监测/PT并列、母联/备自投等保护。
35kV/10kV/6kV弧光保护	ARB5-M		主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，弧光保护〈8组）、失灵保护(4组）、TA断线监测（4组）、非电量保护、装置故障告警
ARB5-E	扩展单元，可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号
ARB5-S		弧光探头，建议安装地点包括（但不限于）断路器室、电缆室、母线室，可面板开孔安装，亦可支架式安装。弧光探头的检测范围是一个角度为180°，半径0.5m的扇形区域。
35kV/10kV/6kV进线柜电能质量在线监测	APView500		装置1024点波形采样，集谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体，能够满足110kV及以下供电系统电能质量监测的要求。
35kV/10kV/6kV间隔智能操控、节点测温	ASD500

	液晶屏显示一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温湿度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮、预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4~20mA输出
35kV/10kV/6kV传感器	ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃;传输距离空旷150米
35kV/10kV/6kV间隔电参量测量	APM830		三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos） ，零序电流In，四象限电能，实时及需量，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示
高压重要回路 或低压进线柜	APM810

	三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序电流In，四象限电能，实时及需量，电流、电压不平衡度，负载电流柱状图显示，66种报警类型及外部事件（SOE)各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD显示
AEM96		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率)﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级,无功电能精度2级
ADW300/4G

	三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量当月及上三月的电压、电流、功率;需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持4路开关量输入、2路开关量输出;支持4路测温;支持1路剩余电流测量;支持本地显示及按键设置;有功电能精度1级。通讯方式:支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯;WIFI通讯
0.4kV出线	AEM72		三相电参量U、I、P、0、s、PF、F测量，总正反向有功电能统计，正反向无功电能统计;2-31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）﹔电流规格3×1.5(6)A，有功电能精度0.5S级.无功电能精度2级
DTSD1352

	三相电参量u、I、P、Q、s、PF、F测量，分相正向有功电能统计，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计﹔红外通讯;电流规格:经互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级。
ACR120EL

	LCD显示、全电参量测量(U、1、P、Q、PF、F);四象限电能计量;RS485/Modbus;可选复费率电能统计、需量统计;4DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus 协议
照明箱	DDSD1352

	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;红外及RS485通讯;电流规格:10(60）A，有功电能精度1级，无功精度2级;可选配复费率
DDS1352

	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量;RS485通讯;电流规格:10(60)A，有功电能精度1级，无功精度2级;尺寸:1P
电流互感器	AKH-0.66/K型

开口式电流互感器

4结束语

基于工业以太网的电能管理系统，采用新型的科技，将智能化设备融入用电用户中，在能够充分采集用户的用电数据信息的情况下，利用工业以太网对数据进行自动化收集和数据分析管理，实现了对用用户电信息的统一存储和分析，对实现电能的人性化管理具有重要意义。但是由于各个管理系统产品之间没有统一的通信的标准，并且实施现代化的电能管理系统不能完全抛弃传统。因此构建一个基于工业以太网的电能管理系统的过程必然是曲折漫长的过程。

【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