自动化质量控制系统(计量自动化系统的应用)

　　南京西门子电力自动化有限公司的研究人员李受明、侯勇，在2016年第11期《电气技术》杂志上撰文，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。

　　当前市场上存在大量电能质量PQ(Power Quality)监控设备，一般用RS485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。

　　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；（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。

　　图1 传统电能质量监控系统

　　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IEEE802.3at/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100MBASE-T场景，给出采用RJ45空闲引脚对供电的连接方式见图2。

　　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（PoweredDevice）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基本供电过程见图3。

　　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：实现数据通信与终端设备供电双组网；各终端可以通过“热插拔”的方式介入网络；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；设备基于网络报文对时（NTP），可实现数据采样基本同步；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。

　　图4 POE电能质量终端设备架构

　　数据采集终端主要包括四个部分：

　　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 toDigital Converter）采样模块、百兆网络控制模块、定时器、LCD（liquidcrystal display）控制模块、GPIO（GeneralPurpose 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。

　　图5 PD受电电路

　　PoE交换机为PSE，系统在多个重要节点配有UPS（UninterruptedPower 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机、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见图6。

　　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 DataInterchange 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下：

　　图7 数据传递流程

　　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IEC61000-4-30 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。

　　具体参数如下表1：

　　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。

　　表2 电能质量事件的评估时间

　　且该系统配有UPS，可以不间断工作，对于供电系统失电瞬间的电能质量事件，也可以进行分析，为问题定位提供依据。

　　3 结论

　　文中提出的电能质量监控系统既适用于民用供电系统，也适用于楼宇、机场、企业等工业用电系统。基于网络的监控系统具备布线简单，灵活性高，成本低。由于采用低压直流供电，相对普通高压交流电供电而言，更安全。且系统采用供电与通信双组网功能，在网络覆盖越来越广泛，PoE供电技术越来越成熟的情况下，将电能质量设备设计为PD设备，基于网络进行电能质量监控点布局，形成覆盖面更全的监测网。

　　终端设备为热插拔设备，可灵活介入系统各个分支，系统应用网络对时协议进行对时，可实现各个监测点的数据采样基本同步。采样数据均传递给服务器进行计算和存储，对于评估时间较长的电能质量事件，可进行共性分析，从而发现问题根源。且这种监测系统能较好的发现微观电能质量现象，为局部电能质量治理提供更好的决策依据。