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电能管理系统在1788中心的应用 安科瑞鲍静君
摘要：介绍电能管理系统在1788中心的应用。
关键词： 商业中心大楼；分项计量；集中监控；电能管理系统
一、项目概述
1788中心由安世7802和安世7829两路35kV市电供电，进户后主楼地下一层的两台35kV/10kV变压器降压。安世7802号线通过35kV/10kV/0.4kV变压后，供给大楼T1、T3、T5、T7、T9变压器下的配电回路，安世7829号进线则供给T2、T4、T6、T8、T10变压器下的配电回路，地下一层安置2台应急柴油发电机。
二、系统设计方案
1788中心设计有1个35kV配电室，1个10kV配电室，4个0.4kV配电室和1个应急柴油发电机房，均位于地下一层，共计配电回路约360个，每个回路安装有智能电力仪表，对配电室部分所有配电回路的工作状态进行监控，每台变压器均配有温度控制仪采集其温度。此外，在各楼层的强电间、空调机房、排风机房、潜水泵房、电梯机房及热交换机房等处配电箱上安置电力仪表，对大楼的照明、空调、风机、电梯等设备和办公室租户用电，共计约700个回路进行监控。根据设计院的设计方案，楼层配电箱部分，除租户、空调和风机使用电度表进行本地分项计量外，照明、动力、电梯等用电设备的用电量均在低压配电室中进行集中计量，其配电箱配电回路仅使用电流表进行运行状态监测[1]。
设计要求配电自动化电能管理系统将配电室和楼层*回路的运行状态集中显示在值班人员面前，要求完成对配电室35kV、10kV回路和0.4kV回路进线全常规电参量和温度的遥测；对配电室0.4kV馈线回路三相电流、有功电度和分合闸状态的远程检测；对楼层租户配电箱、空调配电箱和风机配电箱回路三相电流和有功电度的遥测，以及对楼层照明、动力、电梯等配电箱回路三相电流的遥测。配电室部分遥测实时性要求高，楼层部分实时性要求相对较低。此外，所有用电量数据需与IBMS系统共享。
本项目中，考虑现场仪表数量较多，在35kV值班室内安放两台系统主机，分别对配电室配电系统和楼层配电系统进行监测。系统拓扑结构为3层，即现场设备层、通讯管理层和站控管理层[2]，借鉴ISO-OSI网络模型中物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层的定义。
图1 系统拓扑结构示意图
现场设备层设备包括阿海法综保、丹东华通的多功能仪表和江西华达电子的干式变压器温控仪等。这些设备分别根据设计院要求安装在相应的配电回路上。
参考OSI网络结构模型，现场设备层所有设备在物理层约定为RS-485接口。
因所有配电室和发电机房均在主楼B1F，距离35kV值班室距离不超过100米，故配电室部分所有仪表采用RS-485总线与35kV值班室内的一台通讯管理机连接，总线长度均在200米以内，挂接仪表不超过25台，**了通讯的实时性和可靠性。
因楼层部分仪表数量多而且配电箱分布松散，考虑项目成本，采用4台RS485集线器，分别安装在主楼16F、4F、B1F的强电间和裙房B1F的强电间内，将一定范围内的仪表通讯总线集中后，再各自以一根RS-485总线连接到35kV值班室内的通讯管理机串口上。此方案通过牺牲部分通讯的实时性（RS-485集线器的驱动能力有限，导致通讯延迟变大），使得项目施工中所需要的线缆数量大幅度减少（实际施工使用的线缆数量约为不使用RS-485集线器的1/5）。
通讯管理层的主要设备是两台通讯管理机、32台协议转换隔离器和1台工业以太网交换机。两台通讯管理机下端串口通过RS-485-232协议转换隔离器与各条仪表通讯RS-485总线相连，上端通过交换机，以太网TCP/IP协议与两台监控主机相连。
站控管理层由两台DELL主机、显示器、打印机、UPS电源等设备组成，通过Acrel-3000电能管理系统软件实现对数据采集、处理和交互的控制，完成网络模型中应用层的功能。
监控主机与现场仪表之间的数据交互以报文形式实现，数据链路层主要协议为Modbus-RTU。因本系统需要向IBMS系统同步所有回路的有功电度值，约定以Modbus-TCP协议向智能楼宇管理系统转发数据。
三、系统功能
（1）35kV、10kV变压器参数显示：如图2所示，电能管理系统采集1788中心配电系统35kV侧和10kV侧的三相相电压、三相线电压、三相电流、总有功功率、总无功功率、总功率因数和有功电度累积值，将其35kV侧和10kV侧的数据列在一起，方便值班人员进行比对和检查。通过干式变压器温度控制采集的变压器三相温度也同时以数值和曲线的形式反映在本界面上。
图2 35kV/10kV配电系统参数显示界面
（2）35kV/10kV配电系统一次示意图：除了显示配电系统的常规参数外，配电室主机的电能管理系统还以配电系统一次图的形式绘制了软件界面，通过标注回路用途，使配电系统的走向更为清晰化，35KV配电系统一次示意图如图3所示。此外，电压、电流等常规电参量也可以在一次示意图界面上查看。
图３ 35kV配电系统一次示意图
（3）0.4kV配电系统一次示意图（如图4所示）：0.4kV配电室配电回路运行状态使用一次图形式显示，将采集的电参量、变压器温度和断路器分、合闸状态等参数显示在界面上，根据配电室和变压器划分整个0.4kV配电系统并分别进行界面显示，为每一个回路标注其柜体号、回路编号、回路用途和低压系统总编号，进一步明确配电系统的走向。
图4 0.4kV配电系统一次示意图
（4）楼层配电箱数据采集及显示（如图5所示）：楼层电能管理主机采集1788中心B3F~30F各处配电箱上仪表的数据，以楼层划分，按照配电箱所处位置和编号对数据进行排序，分类显示租户、空调和风机回路的三相电流和有功电度，显示照明、应急照明、动力、电梯、水泵和一些其他回路的三相电流。
图5 楼层配电箱数据显示界面
（5）报表功能：配电室电能管理系统为用户定制了两种功能的报表，一种如图6所示，针对某一个主要回路，可以由用户自行选择时间生成该回路在该时刻常规电参量的历史值。另一种报表由用户经过简单的操作后，系统便会自动生成配电室所有回路以及楼层部分空调回路、租户电表用电量的日报、月报及年报。
图6 自定义全电参量报表
（6）事故报警和追忆：对于电气值班人员来说，跳闸报警的实时性和准确性是非常重要的指标，电能管理系统为用户定制的报警功能主要针对配电室低压回路断路器的分合闸变位，通过图7所示的报警窗口和外置音箱发出报警音提示值班人员低压馈出回路断路器发生了变位，根据报警窗口显示的内容，可以立即定位报警回路并进行响应，**大楼配电系统稳定运行。
图7 报警功能界面
（7）通讯状态显示（如图8所示）：显示所有仪表的通信状态，根据仪表所处总线、配电室或楼层位置划分，标注其通信地址和通信状态。
图8 楼层电能管理系统设备通信状态图
（8）数据转发：本系统主要负责数据的前端采集处理，并向更上一级的楼宇自动化系统转发数据，其他楼宇自动化系统不再采集计量仪表数据。转发数据主要包括35kV/10kV/0.4kV配电室所有回路电能数据；楼层租户、空调和风机回路的电能数据。
四、问题及解决措施
1、本工程总承包方发包资料中提到电能管理系统采集点位约900点，而实际采集点位逾1000点，数量多且分布广。强电施工单位施工时使用的临时配电箱和错误的配电箱编号，对本系统的通讯施工造成了不小麻烦。项目施工时核对配电箱资料的完整性和准确性，并及时指出强电施工单位工作中的错误要求其整改。
2、4台RS485集线器安装在楼层强电间内，其220VAC电源取自就近的配电箱中，初步方案并未对220VAC电源做规范，即直接从*近的配电箱中取。项目后期调试时发现因1788中心尚未完工，楼层部分经常因为施工而断电，有时会断开集线器的电源，导致系统数据链路断开，故对现场通讯设备辅助电源进行整改，从现场拥有EPS电源供电的应急照明箱中备用的空开下端取220VAC电源，并贴上标签告知维护人员不可随意关断，**数据链路稳定。
3、系统向IBMS系统进行数据转发所用的以太网线先后因35kV值班室闹鼠患而被损坏3次，后联络1788中心的业主，由灭鼠公司出面解决此问题。
4、1788中心配电室、配电箱上的仪表多由丹东华通提供，在本系统投入运行后，发现了不少仪表配置的问题，如主楼9楼应急照明箱9PME1、2楼应急照明箱2PME1等处，仪表电流互感器变比为100/5和300/5，而电能管理后台显示其三相电流约为0.006A、0.016A、0.008A。与业主管理人员到现场查看后发现其小数点位设置为3位，即*高显示值仅为9.999A，设置明显有误。项目进行现场验收时也发现多处仪表具有类似问题。由甲方通知丹东华通进行整改。
五、结束语
1788中心电能管理系统于2012年4月正式投入运行，通过配电室主机与楼层主机的协同工作，使值班人员在一般情况下不用再前往配电现场查看，实现了配电室无人值守、配电系统自动化。
文章来源于：《自动化应用》2012年7期。
参考文献
[1].任致程 周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南[M]. 北京. 中国电力出版社. 2007. 4
[2].周中等编着. 智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案[M]. 北京. 机械工业出版社. 2011.10
基于PROFIBUS-DP的电能管理及电力监控系统 安科瑞鲍静君
摘 要：设计了基于PROFIBUS—DP的电能管理及电力监控系统，描述了该系统的结构组成和实现原理，给出了主站和串口电力仪表从站通信的实现方法，解决了主从站通信程序设计中的关键问题，验证了系统的通信性能和可行性。
关键词：PROFIBUS;PLC，总线桥，网关，电力监控仪表，工业通信。
0 引言
随着能源的日渐紧张，国家出台了很多有关节能减排的法律法规，各行各业都在采取了相应的节能措施，各制造行业的工厂企业也采用了电能管理及电力监控系统对节能效果进行考核。
相对于MODBUS通信而言，PRFOBUS通信存在着诸多优点，比如高通信速率(*高可达12Mbit/s)、实时性、可靠性、易扩展、易维护性等，很多工厂、企业现存的生产控制自动化网络大都采用现场总线控制系统，PROFIBUS网络是其中应用*多的一种现场总线，因此，很多工厂企业希望能将电能管理及电力监控系统也集成到PROFIBUS-DP自动化网络中，而不是单独进行MODBUS组网。但由于目前存在的大多数智能电力监控仪表都是基于MODBUS通信的，那么如何把现存的不带DP接口的串口仪表设备连接到总线上组成DP网络就成为一个亟待解决的问题。
本文设计了基于串口通信的电力监控及多功能网络电力仪表，给出了基于PROFIBUS-DP通信的智能电力监控及电能管理系统的解决方案。系统中采用了三种方法将基于MODBUS-RTU通信的智能电力监控仪表集成到PROFIBUS-DP网络中。
本文介绍的组网方法，不但硬件成本比较低、安装方便，而且编程简单，主站可以直接对各个电力仪表进行数据采集、远程控制等，传输速率较快，有很好的实用性和可行性。
1 系统构成
本系统采用安装了CP5611通信板卡的工控机作为通信主站，S7-200 PLC CPU222、ANYBUS网关、PB-B-MODBUS总线桥分别作为PROFIBUS-DP网络的三个从站，每个从站又与电力监控仪表组成一个子网，如图1所示。系统中同时也可以连接其他的PROFIBUS-DP从站设备。
图1 系统结构示意图
CPU 222 PLC通过EM277 DP模块接入到PROFIBUS-DP网络，作为PROFIBUS-DP网络的从站，同时CPU222 PLC又作为一个主站与电力监控仪表组成一个子网，电力监控仪表作为子网的从站，主从站之间采用自由口通信方式。
同样，对于PB-B-MODBUS总线桥来说，作为PROFIBUS-DP网络从站的同时，又作为MODBUS子网的主站与电力监控仪表组成MODBUS网络。ANYBUS网关工作原理与PB-B-MODBUS总线桥的工作原理相似，它在该系统中同样既做PROFIBUS-DP网络从站，又作为MODBUS子网的主站与我公司电力监控仪表组成MODBUS网络。
1.1 PLC自由口通信子网
PLC作为PROFIBUS网络的一个从站，其自身功能非常强大，不但可以通过主站对连接到从站PLC I/O点上的各种I/O量进行采集和控制，而且PLC本身就可以构成一个子网，比如MPI网络，自由口通信网络等。而且可以扩展以太网接口模块将整个网络接入以太网，扩展AS-I接口模块，将系统接入ASI-I网络等。对于工业控制场合，该网络应用范围是非常广泛的。
PLC作为自由口通信网络的主站，通过对PLC进行自由口通信编程，实现PLC与电力监控仪表间的MODBUS通信。利用西门子公司提供的库函数MBUS_CTRL和MBUS_MSG可以简单方便地实现MODBUS通信，如图2、图3所示。
图2 自由口通信程序图网络1
图3 自由口通信程序图网络2
该系统中PLC模式为1时进行自由口通信，模式为0时进行PPI协议，波特率为9600，奇偶校验为无校验，仪表读取地址为40038，读取6个数据单元。
1.2网关、总线桥工作原理及配置
对于总线桥来说，一方面，CPU通过对PROFIBUS通信协议芯片的控制实现PROFIBUS的通信，在RAM中建立PROFIBUS通信数据缓冲区。另一方面，通过MODBUS协议实现和电力监控仪表的通信，同样在RAM中建立MODBUS通信数据缓冲区。CPU通过两个通信缓冲区的数据交换，实现PROFIBUS到MODBUS的通信。
由于总线桥自身不具备控制功能，必须通过DP主站进行控制。DP主站通过对其控制字的设置，来控制总线桥作为RS485网络主站对其各从站的发送接收模式，通过监控其状态字来实现数据发送接收状态的监控。PROFIBUS数据区与RS485数据报文格式对照关系如表1所示。
表1 PROFIBUS数据区与RS485接收报文对照表
PROFIBUS映射地址 长度 RS485报文格式
IB0 1字节 该字节用来存储接收报文长度
IB1 1字节 该字节为通信状态字
IB2至以后 若干 接收数据缓冲区
QB0 1字节 该字节用来存储发送报文长度
QB1 1字节 该字节为通信控制字
QB2至以后 若干 发送数据缓冲区
该系统的DP主站是通信板卡，不能直接在S7-STEPV5.4中编写PLC程序对总线桥进行控制，只能通过在上位机ACREL-3000软件中编写脚本程序完成对PB-B-MODBUS总线桥状态字的读取和控制字的读写和通信。
ANYBUS网关和PB-B-MODBUS总线桥实现原理基本相同，均是在转换模块的RAM中建立了PROFIBUS 到MODBUS 映射数据区，由软件实现PROFIBUS 和MODBUS 协议转换及数据交换。但ANYBUS网关自身带有配置软件，数据映射配置实现起来相对简单。
不管是总线桥还是网关，由于受协议转换设备其自身映像数据存储区大小的限制，根据所要采集电参量的多少，可带仪表的个数不同。
2 系统功能
基于PROFIBUS-DP的电能管理与电力监控系统，上位机软件为ACREL-3000电力监控组态软件。通过该软件进行组态，可以在上位机界面上实现队所有电参量的实时显示，如I、U、P、Q、kWh等，图4所示为本系统的电能管理及电力监控系统主界面。
图4 ACREL-3000电力监控/电能计量管理系统实现实时采集监控界面
ACREL-3000还可以实现主要电力参数的实时运行曲线、历史趋势曲线等绘制，如图5所示。另外，ACREL-3000还具有强大的报警功能、报表功能、查询功能、打印功能等。强大的数据库可以将历史记录保留3年以上。
图5 ACREL-3000 实时曲线界面
通过ACREL3000界面还可以实现对PROFIBUS各从站的网络参数采集和显示，比如：总线参数、从站状态、主站模式、看门狗、组态信息以及从站诊断数据等。对于系统的检修和维护也起到非常方便的指导作用。
3 结束语
该系统采用安装了CP5611通信板卡的工控机作为PROFIBUS主站，使用多种方法将电力监控仪表集成到PROFIBUS-DP网络中。调试结果表明：上位机主站能够按时间每隔1s轮流对各个电力监控仪表进行采集数据，运行通信情况良好。
理论上来说，一个PROFIBUS网络的*高传输速率可达12Mb/s，一个网段可带32个从站，一个网络可带126个从站。这里每个DP从站(200系列PLC、ANYBUS网关、PB-B-MODBUS总线桥)根据自身情况带若干个仪表，一个系统网络所带仪表的数量是非常之大的，相对于由通信扩展卡或通信服务器组成的MODBUS系统来说，同样数量的仪表组网，可以节省大量硬件组网设备。
根据系统提供的组网方法，不仅能将工业自动化控制系统与电能管理电力监控系统集成为一体，而且整个网络具有现场总线系统的智能化管理，具有很高的性，还可以节约大量的硬件成本。
文章来源于：《低压电器》2009年14期。
参考文献
[1] 上海安科瑞电气有限公司.ACR系列网络多功能电力仪表[G].2008
[2] 任致程,周中. 电力电测数字仪表原理与应用指南[M]. 北京:中国电力出版社. 2007.
[3] 王永华，Andy Verwer. 现场总线技术及应有教程——从PROFIBUS到AS-i[M].北京：机械工业出版社，2006.