基于工业以太网的电能管理系统设计

孙中岳，俞孟蕻，朱学青

（江苏科技大学电子信息学院，江苏 镇江 212003）

基于工业以太网的电能管理系统设计

孙中岳，俞孟蕻，朱学青

（江苏科技大学电子信息学院，江苏 镇江 212003）

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。

电能管理；工业以太网；电能监控；人机界面

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、精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[1-3]。

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[4]。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[5-7]。

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[8]。

图1　电能管理系统结构图

系统的第一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第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。最后根据上一级中心设置的标准，对数据进行分类上传，分时间段上传至上一级。

最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精准化，使得电能管理更加人性化[9-11]。

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[12]。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，最后传输到控制中心[13]。

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[14]。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最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[15]，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　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。

[1]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].仪表与自控，2015，34（4）:3-6.

[2]陈长辉.基于工业以太网的自动化控制系统设计[J].软件导刊，2015，14（2）:132-133.

[3]白明，邹福顺，林阳峰，等.基于工业以太网的船舶电站系统设计[J].广州航海学院学报，2014，22（2）:5-7.

[4]汤尧平，金振训.基于工业以太网的制丝线集控系统的设计与应用[J].科技通报，2014，30（7）:123-126.

[5]陈志峰，贾海天，应俊.基于物联网数据库的校园电能管理系统设计与实现[J].中国教育信息化，2012，（1）:34-36.

[6]王晓宁，王振臣，张少兵，等.Linux操作系统在ARM9处理器上的移植[J].化工自动化及仪表，2010，37（2）:67-69，77.

[7]苑旭阳，王启立，何敏，等.基于工业以太网的空压机远程监控系统设计[J].控制技术，2014（1）:23-25，42.

[8]孙楷淇.基于DSP的电能质量监测分析装置的研究[J].中国水能及电气化，2010，67（7）:28-32.

[9]林建辉，陈松涛.基于工业以太网的船舶综合平台管理系统[J].江苏船舶，2012，29（2）:31-35.

[10]吴卫民，何远彬，耿攀等.直流微网研究中的关键技术[J].电工技术学报，2012，27（1）:98-106，113.

[11]陈锐民，程瑛，贺瑶，等.基于智能计量终端的电能质量监测系统研究[J].华东电力，2012，40（6）:1050-1053.

[12]王云飞.基于ZigBee的高压带电体温度监测系统研究[J].无线互联科技，2015（10）:61，70.

[13]任春丽，唐求.电能质量远程监测管理系统[J].仪表技术与传感器，2011，（3）:44-45.

[14]程建钧，刘子林，任卫东，等.基于以太网的远程电能质量监测系统设计[J].电源技术，2010，35（5）:600-601.

[15]赵一洁，段晨东，程婷.基于S7-PLC的工业以太网设备监控系统设计[J].计算机测量与控制，2010，18（12）:2764-2767，2770.

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稿件编号：201511102

孙中岳（1989—），男，辽宁本溪人，硕士研究生。研究方向：电站设计。