电能质量

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(最高可达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网络是其中应用最多的一种现场总线，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网络的最高传输速率可达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.

电能管理系统在上海世博村VIP生活馆的应用  安科瑞鲍静君

　　摘 要：介绍上海世博村VIP生活馆配电系统及电能管理系统，采用智能电力仪表和微机保护采集配电现场的各种电参量和开关信号。系统组网的方式，组网后通过现场总线通讯并远传至后台，通过Acrel-3000型电能管理系统实现建筑电力能耗的自动管理及Acrel-3000型电能系统所实现的功能，为楼宇电能统计数据，为节能提供决策依据。

　　关键词：世博村;智能电力仪表;Acrel-3000型;电能管理系统

　　0　 概述

　　上海世博村VIP生活馆项目定位于五星级酒店，是 2010 年上海世博会配套世博村项目中规格最高的酒店。酒店占地面积约为25500平方米 ,总建筑面积66000 平米,建筑高度约95米 ,地上部分26层 ,地下为2 层,共有客房443间。

　　上海世博村VIP生活馆配电系统分为高、低压两大部分，高压部分为两条10KV进线，有4台变压器。世博洲际酒店属于重要电力负荷用户，作为世博村项目中规格最高的酒店，电力稳定供应的重要性可想而知。低压部分分为低压配电室、冷冻机房、水泵房、应急柴油发电机组，且在每一个楼层中都有低压配电房，为每一层中的各设备回路供电。

　　结合该配电系统的电能管理系统Acrel-3000，充分利用了现代电子技术、计算机技术、网络技术和现场总线技术的最新发展，对变配电系统进行分散数据采集和集中监控管理。对配电系统的二次设备进行组网，通过计算机和通讯网络，将分散的配电所的现场设备连接为一个有机的整体，实现电网设备运行的远程监控和集中管理。

　　1　 电能管理需求分析及系统构成

　　由于该项目是五星级酒店，现场需要监测所有安装智能仪表的回路，并且需对空调、照明、动力用电进行分类统计，并且该统计报表需每天自动生成，现场设备运行状态包括回路合分闸状态也需实时显示。现场仪表众多，采用了3个串口服务器加交换机的组网方式。

　　本系统采用分层分布式计算机网络结构：

　　即间隔层、通讯层和站控层如下图所示：

　　现场测控层主要的设备为：多功能网络电力仪表、微机保护装置等。这些装置分别对应相应的一次设备安装在电气柜内，这些装置均采用RS485通讯接口，通过现场屏蔽双绞线进行组网通讯，实现数据现场采集。

　　通讯控制层主要为：通讯服务器，其主要功能为把分散在现场采集装置集中采集，同时远传至站控层，完成现场层和站控层之间的数据交互。

　　站控管理层：设有高性能工业计算机、显示器、UPS电源、打印机等设备。监控系统安装在计算机上，集中采集显示现场设备运行状况，以人机交互的形式显示给用户。

　　以上网络仪表均在现场均采用RS485接口和MODBUS-RTU通讯协议，RS485采用屏蔽线传输，一般都采用二根连线，接线简单方便;

　　2　 电能管理系统主要功能

　　2.1 数据采集与处理

　　数据采集是配电监控的基础，数据采集主要由底层多功能网络仪表采集完成，实现远程数据的本地实时显示。需要完成采集的信号包括：三相电压U、三相电流I、频率Hz、功率P、功率因数COSφ、电度Ep、远程设备运行状态等数据。

　　数据处理主要是把按要求采集到的电参量实时准确的显示给用户，达到配电监控的自动化化和智能化要求，同时把采集到的数据存入数据库供用户查询。

　　2.2 人机交互

　　系统提供简单、易用、良好的用户使用界面。采用全中文界面，CAD图形显示低压配电系统电气一次主接线图，显示配电系统设备状态及相应实时运行参数，画面定时轮巡切换;画面实时动态刷新;模拟量显示;开关量显示;连续记录显示等

　　2.3 故障报警及事故追忆

　　在配电系统发生运行故障时，会及时发出声光报警提示用户及时响应故障回路，同时自动记录事件发生的时间地点，以被用户查询，追忆故障原因。

　　2.4 数据库建立与查询

　　主要完成遥测量和遥信量定时采集，并且建立数据库，定期生成报表，以供用户查询打印。

　　2.5 用户权限管理

　　针对不同级别的用户，设置不同的权限组，防止因人为误操作给生产，生活带来的损失，实现配电系统的安全，可靠运行。

　　2.6 运行负荷曲线

　　定时采集进线及重要回路电流负荷参量，自动生成运行负荷趋势曲线的，方便用户及时了解设备的运行负荷状况。

　　2.7 电能成本管理

　　自动进行日、月、年的电能统计，可以进行尖、峰、平、谷时段设定，实现具有电能分时计费功能，同时生成日、月、年报表。

　　3　 案例分析

　　上海世博村VIP生活馆低压配电系统主要有4台10kV/0.4kV配电变压器，本系统主要负责对低压进线及相应配出回路的实时动态监控以及楼层所安装电力仪表的回路进行监测。

　　进线回路采用ACR230ELH多功能谐波仪表，其是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦的电力监控需求而设计的网络电力仪表，它能测量所有常规电力参数，如：三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、有功电度、无功电度、并可监测电压、电流的2-31次谐波分量等多种电参量。并且本仪表带有4路光电隔离开关量输入接点和2路继电器控制输出接点，这些接点可以配合智能断路器实现断路器的遥信、遥控操作。该系列网络电力仪表主要应用于变电站自动化、配电网自动化、小区电力监控、工业自动化、能源管理系统及智能建筑等领域。

　　重要配出回路采用ACR220EFLK系列网络电力仪表，该仪表主要完成三相电流、三相电压、有功电度的测量、复费率电能的计量以及开关信号的检测和继电器遥控输出。

　　高压侧实时画面见图1，为系统主监控画面，主要实时监测高压回路的运行状态，红色代表合闸，绿色代表分闸。

　　图1　高压系统一次图

　　世博村VIP生活馆低压配电系统见图2，功能有电量遥测主要监测运行设备的电参量，其中包括：进线三相电压，电流，功率，功率因数，电能，频率等电参量及配出回路的三相电流;遥信功能实现显示现场设备的运行状态，主要包括：开关的分、合闸运行状态和通讯故障报警;远程抄表功能，主要完成对各主要回路的远程集抄功能，可选择时间段进行查询见图3;

　　图2　世博村VIP生活馆低压配电系统图

　　图3　远程抄表

　　用电量报表功能，根据时间段可以查询各回路的用电量情况，见图4;

图4　电能报表

　　事件记录功能，事件记录报警可实时历史查看，见图5;

　　图5　事件记录

　　系统通讯结构图，可实时查看系统各设备通讯运行情况，见图6。

　　图6　系统通讯

　　负荷曲线，可直观的查看回路的负荷运行情况，见图7。

　　图7　负荷曲线

　　4　 结束语

　　随着社会的发展及电力的广泛应用，电能管理已成为大型公共建筑的必然选择，本文介绍的电力仪表及ACREL3000电能管理系统在世博村A块VIP生活馆的应用，可以实现对电能的分项及分时复费率计量，不仅能显示用电用能状况，还具有网络通讯功能，可以与计算机等组成电力监控与电能管理系统。系统实现对采集数据的分析、处理，并生成各种电能报表、分析曲线、图形等，便于电能的远程抄表以及分析、研究。该系列电力仪表及系统运行可靠，稳定，为楼宇电能统计数据，为节能提供决策依据取得了较好的社会效益。