集中运算模式下基于PoE的电能质量监控系统

李受明 侯 勇

（南京西门子电力自动化有限公司，南京 210000）

集中运算模式下基于PoE的电能质量监控系统

李受明 侯 勇

（南京西门子电力自动化有限公司，南京 210000）

在PoE（Power over Ethernet）供电模式下，电能质量监控设备作为PD（Powered Device）设备，基于100M BASE-T网络，进行供电与通信双组网，形成分布式电能监控系统。所有电能质量终端装置均具有数据采集和对外控制功能，采集的数据通过网络报文汇总到数据处理中心，用后台软件分析并进行显示，后台通过网络命令报文控制电能质量终端装置，实现控制输出功能。

PoE；供电端设备；PD；特定用途集成电路

当前市场上存在大量电能质量 PQ（Power Quality）监控设备，一般用RS 485或网络进行通信，且采用辅助交流或直流进行供电。设备采用数模变换器和处理器进行数据采集与处理，获取电能质量分析需要的各种参数；然后与数据采集器、交换机或后台进行数据传输。后台软件获取数据后进行统计、显示，并进行数据存储。这种系统组成如图 1所示。

这种系统有以下几个特点：

1）该系统属于分布式处理系统，每个电能质量终端都各自进行数据计算。

2）单个监测设备一般功率较小，设备采用自然散热方式。

3）电能质量设备需要随路供电，即需要单独布供电电线。

图1 传统电能质量监控系统

4）上传给后台的数据为各终端监测结果，而不是原始数据，这意味着原始信息的丢失。

5）对每个监测点而言，电能质量监控装置会发现该点的某些电能质量事件，并可能会由此给出针对该点的电能质量治理决策。但这种治理决策为局部的，相对片面的，可能对系统产生影响。

6）每个单独监测设备都需要实现计算和存储功能，且大部分需要实现交流供电，这就意味着装置需要有处理器，存储器和AC-DC变换电路。无论从电路设计还是电磁兼容方面都需要投入大量开发和测试成本。也就是说，这种监测网络成本很高。

1 集中运算模式下PoE电能质量监控系统方案

PoE（Power over Ethernet）指的是：在现有以太网 Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。PoE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低系统构建成本。目前的PoE标准是IEEE 802.3at/f。标准中，PoE有两种连接方式：中间跨接法（Mid-Span）和末端跨接法（End-Span）。本文基于100M BASE-T场景，给出采用RJ45空闲引脚对供电的连接方式如图2所示。

图2 采用空闲对供电的接线方式

IEEE 802.3af定义的PoE供电基本参数为：电压在44～57V之间，典型值为48V；允许最大电流为550mA，最大启动电流为500mA；典型工作电流为10～350mA，超载检测电流为300～500mA；在空载情况下最大所需电流为5mA；为PD（Powered Device）提供5个不同等级的功率值3.84～12.95W。

首先PSE（Power Sourcing Equipment）设备检测PD是否存在，若存在则再确定PD的功耗，然后PSE给PD上电，整个供电过程PSE实时监控供电情况，判断PD是否断开。

PoE基本供电过程如图3所示。

图3 标准PoE供电过程

本文提出基于PoE的集中运算模式电能质量监控系统包含：数据通信、数据采集终端、供电系统等部分。这个系统是传感器融合的系统，且是集中式运算的系统。其最大特点是：

1）实现数据通信与终端设备供电双组网。

2）各终端可以通过“热插拔”的方式介入网络。

3）每个终端节点只是传感器节点，由此获取的原始数据都通过通信系统汇聚到后台。

4）设备基于网络报文对时（NTP），可实现数据采样基本同步。

5）后台采用中大型服务器进行集中处理。

数据采集终端设备基本架构图，如图4所示。

图4 POE电能质量终端设备架构

数据采集终端主要包括以下4个部分：

1）模拟电路部分，主要负责引入电流和电压的原始输入，并进行调理。

2）使用一颗ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片，包含 24位精度的 ADC（Analog to Digital Converter）采样模块、百兆网络控制模块、定时器、LCD（liquid crystal display）控制模块、GPIO（General Purpose Input and Output）以及按键控制等模块。ASIC主要功能是将采集来的电流电压原始数据组成网络包并加密发送，接收计算结果并显示。

3）PD受电电路，符合PoE标准。

4）外围设备，包含LCD、按键和网络接口等。

其中设备受电电路如图5所示。

PoE交换机为 PSE，系统在多个重要节点配有UPS（Uninterrupted Power Supply），可保证分布式电能质量采样控制单元掉电数据不易失，所有采样点数据实时传递给中央处理单元，中央处理单元可以是PC、小型服务器或刀片式可扩展服务器，取决于实际的数据处理需求。该系统应用于工业园区或者大型工厂的部署方案如图6所示。

图5 PD受电电路

图6 集中监控模式下POE

中央处理单元完成电能质量参数计算，包括：电压、电流、频率、有功、无功、谐波、间谐波、三相不平衡、总谐波失真、闪变等计算；并根据电压偏差、频率偏差、不平衡、谐波、电压波动和闪变等情况进行录波；可生成PQDIF（Power Quality Data Interchange Format）和COMTRADE等报表。电力客户通过网络连接到后台，就可以根据需要下载各个终端的报表数据。

系统数据传递过程、终端与客户之间的互动响应过程描述如图7所示。

2 与传统电能质量监控系统优势

本文提出的电能质量监控系统整体遵循 IEC 61000-4-30 Edition 2的电能质量设备试验和测试技术。相对传统的电能质量设备及系统来说，文中提出的电能质量终端采用统一的 ASIC构建系统，使得每个终端的技术指标一致。在 50Hz系统中，电压、电流模拟量数据采样率为 2048点/10周波和4096点/10周波可配置；在60Hz系统中，采样率用2048点/12周波和4096点/12周波可配置。精度满足IEC 62586-1 Class A等级。具体参数见表1。

图7 数据传递流程图

表1 电能质量测量参数及精度

系统采用NTP网络对时协议，且光纤网络为专用电力数据传输网络，因此具有较高的对时精度，可以达到毫秒级精度。装置实时采样数据输出延时不大于10ms。相对传统的电能质量监控，本文提出的系统中各个终端对同一个电能质量问题进行汇总分析，各个终端之间的时间差在±20ms内，对于表2中评估时间较长的电能质量事件，可进行共性分析，从而发现事件的根因。

Power Quality Monitoring System based on PoE in Centralized Computing Mode

Li Shouming Hou Yong
(Siemens Power Automation Ltd,Nanjing 210000)

In PoE mode,power quality monitoring equipments are PD equipments,which are based on 100M Base-T network.The power supply and communication of them are multiplexed in one network,which form distributed power monitoring system.All electrical energy quality devices have data acquisition function and remote device control function.They collect data and send to data center via network.In the data center,all the data are analysed and displayed by server.At the same time,background software sends command and data packets to terminal monitoring devices through the network,to realize the control of PQ devices.

PoE;PSE;PD;ASIC