安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對目前工業(yè)電能模式的研究現狀，本文闡述了在現代以太網基礎上的電能管理系統的設計。 該系統實現了電能的遠程實時監(jiān)控與管理，并且該系統支持多種終端設備的遠程訪問，建立了一個實時的人機界面管理平臺，實現對電能現代化管理模式。 提高了供電企業(yè)的管理效率和供電效益，并為地域跨越大的電網的遠程監(jiān)測提供了一種新思路。
關鍵詞：電能管理；工業(yè)以太網；電能監(jiān)控；人機界面
0引言
隨著電網的發(fā)展和相關政策的出臺，用電管理也逐步實現了一家一表，抄表到戶的制度。但是隨之而來的問題是大量用電數據的回抄和管理。同時，用電的客戶群體的多類型決定了高質量的供電要求。 由于自身結構的缺陷，傳統的電能管理系統在有效性、實時可控性、*準性和應用特性等方面已經不能滿足當下社會的用電需求，且會造成電力資源和人力資源的浪費。因此，電管理門需加快普及新型的電能管理系統。
隨著互聯網科技的飛速發(fā)展，現代化的科學技術將逐漸取代傳統的電量測量工具。伴隨著各類現代化的智能產品不斷出現，在電能管理方面，通過工業(yè)以太網來管理電能系統的研究逐漸成為電能系統的主要研究主流。 而對電能的遠程操控通過人機界面對電能采取遠程管理控制，并對采集來的數據的進行高速高效的分析、計算、控制，從而節(jié)省了大量的人力資源，提高了管理效率。 基于工業(yè)以太網的電能網絡監(jiān)控系統，這是未來國家集中監(jiān)控電力功耗和合理利用電能的發(fā)展趨勢。
針對目前的電能質量的市場需求，文中論述了以太網的電能管理結構，闡述了系統中所用到的關鍵性技術。系統實現了對電能的遠程監(jiān)控與數據的分類采集，數據傳輸過程中的數據解析、協議轉換、數據加密保護和保存等功能。從而實現了基于無線以太網的電能的管理系統的設計。
1系統結構
針對目前電能管理系統的現狀，本文提出的電能管理系統是以工業(yè)以太網為基礎的三層架構的電能管理系統。 電能管理系統結構圖如圖1所示。 該系統的主要功能是實現對現場數據的實時采集分析，通過工業(yè)以太網的對電能進行遠程控制和管理。
圖1 電能管理系統結構圖
系統的**級架構是基站現場采集網絡，網絡圖如圖2所示的局部基站現場采集網絡圖。基站現場采集網絡實現對基站現場用電數據等信息的分類采集，在數據傳輸過程中實現對數據解析、協議轉換、數據加密保護和保存等。利用鏈路結構的形式將數據傳輸到二級數掘匯集中心。
圖2 局部基站現場采集網絡圖
中端數據匯總網絡中心是系統的*2級架構，主要負責匯集從各基站現場采集網絡發(fā)出的數據，并對用電數據進行緩存，匯總。*后根據上*級中心設置的標準，對數據進行分類上傳，分時間段上傳至上*級。
*后一層架構是終端數據中心，即省級數據處監(jiān)控平臺。終端數據中心會搭建一個監(jiān)控系統的軟件平臺，對收集來自接受全省的用電信息數據信息進行數據分析和管理，并將之分類后進行存儲，定時對數據進行備份。根據備份時間和數據分析管理的內容對數據庫進行統計，生成各種類型的統計報表。根據報表的內容來制定管理流程制度，可以實現節(jié)能數據的*準化，使得電能管理更加人性化。
文中主要對電能管理系統的以太網式的監(jiān)控模塊和PLC主控模塊進行了分析與研究。其中電能管理系統中涉及到了單片機技術、電力電子技術和通信技術等多項領域。
2控制系統的設計
在電能管理系統中，基于以太網的監(jiān)控模塊的大致可分為5個模塊，分別為PLC主控制模塊，數據采集模塊，回路通斷控制模塊，系統電能監(jiān)控模塊，和人機界面模塊。
2.1PLC主控制模塊
系統的硬件結構圖如圖3所示。系統硬件有三部分組成：控制端，被控端，被控對象。文中的電能管理系統是以可編程邏輯控制器作為系統的控制核心，PLC主控制模塊種有多個數據采集端口，每一個端口上有一百多個采集點，因而可以將主控制模板分布在各個監(jiān)控區(qū)域；通過工業(yè)以太網可以實現各個主控制模板互通進而組成一個控制網絡。實現過程如下：各個監(jiān)控區(qū)域通過采集點收集數據信息，PLC主控制模塊將采集到的信息進行整合運算，將處理好的數據反饋給用戶并且將之進行分類存儲，以便用戶進行查看調用，歸檔的數據可以通過以太網進行數據信息交流，分類好的數據會被發(fā)送到控制中心。電能管理系統的工作人員可以使用PC機來實時監(jiān)控用戶的用電情況，并能利用PC機發(fā)送遠程的控制指令。如進行斷電搶修，對違章用戶實施斷電懲罰等。
此外，可以將主控制模塊和系統電能監(jiān)控模塊兩者配合使用，來達到采集電信號的目的，并以此來實現線路的通斷電控制。
圖3 系統硬件結構圖
2.2數據采集模塊
在基于以太網的電能管理系統中，不可缺少的環(huán)節(jié)是數據采集模塊。數據采集模塊的采集端口接收的信號是電壓電流信號，在本系統中使用電流和電壓互感器來采集電信號。如圖4所示為采集終端的結構圖。通過電壓電流互感耦合器將信號傳遞給數據處理中心，由于大的電流電壓信號不易傳遞，因此需要將之按比例縮小為易于測量 的小信號，該信號將先經過系統的電能監(jiān)控模塊，*后傳輸到控制中心。
圖4 采集終端結構框圖
2.3回路通斷控制模塊
回路通斷控制模塊由固態(tài)繼電器和PLC主控制模塊兩者之間相互配合來實現回路通斷控制的功能。固態(tài)繼電器是一種無觸點的具有隔離功能的電子開關，它被接在用戶供電設備的輸入端，當控制中心反饋的是用戶超額用電信息時，控制中心將會向PLC主控制模塊發(fā)出斷電通知命令，主控制模塊通過固態(tài)繼電器來切斷電源。因此，回路通斷控制是通過固態(tài)繼電器來控制供電各線路的通斷電狀態(tài)。
2.4系統電能監(jiān)控模塊
系統電能監(jiān)控模塊的工作原理圖如圖5所示，系統電能監(jiān)控模塊的功能是對數據采集模塊采集的信號進行進一步的處理，將將模擬量傳感器和開關量傳感器的輸入的信號進行測量，比較分析，輸出主控制模塊能夠識別的安全信號。
電能監(jiān)控模塊實現的過程是先將數據采集模塊采集的電流電壓信號分別進行濾波處理，為了防止高頻信號對對測量的電信號進行干擾，首先必須對高頻干擾信號進行處理，處理方法是在電路中加入低通濾波器，被濾除高頻干擾的信號*后用運算放大器對之進行放大處理。
圖5 系統電能監(jiān)控模塊
系統電能監(jiān)控模塊是以太網電能管理系統的核心，它可以實現對多種信號的采集與對多種信號的實時監(jiān)控，如電流，電壓，功率因數等信號。現如今已經被廣泛應用于學校、發(fā)電站等各個領域。
2.5人機界面模塊
電能管理系統中設計了智能監(jiān)控的人機界面。當監(jiān)控中心需要觀測用戶的實時用電情況時，系統便會通過工業(yè)以太網將數據采集模塊采集的信息傳遞到監(jiān)控中心，電站管理人員可以通過人機界面觀看出主控模塊傳遞的用戶用電信息，進而實現基于人機界面對現場進行的實時監(jiān)控，監(jiān)控中心的數據系統的操作平臺是基于工業(yè)以太網的PC機構建而成。用戶用電數據信息通過PLC主控制模塊進行分析、交流和互通，構成了一個完整的電能管理系統，從而可以實現整個電能管理系統的遠程分析、控制與監(jiān)測功能。
因此，文中通過對基于工業(yè)以太網的電能管理系統電能監(jiān)控模塊的運行過程的分析，對整個管理系統運行情況以及實際應用中的數據進行對比，和管理系統在現場實際應用中的各部分運行情況的分析，表明基于工業(yè)以太網的電能管理系統已經取得了有效的成果。
3 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案
3.1概述
用戶端消耗著整個電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、需求側管理等課題。
安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數據支撐。
3.2應用場所
（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；
（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；
（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；
（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；
（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；
（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。
3.3系統結構
3.4系統功能
3.4.1實時監(jiān)測
系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、告警等信號。
3.4.2電能統計報表
系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。
3.4.3詳細電參量查詢
在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中�，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。
3.4.4運行報表
系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、相應時間或選擇查詢更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。
3.4.5變壓器運行監(jiān)視
系統對配電系統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。
3.4.6實時報警
系統具有實時報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。
3.4.7歷史事件查詢
系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
3.4.8電能質量監(jiān)測
系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。
3.4.9遙控操作
系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。
3.4.10用戶權限管理
系統為保障系統安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）�？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
3.4.11通訊狀態(tài)圖
系統支持實時監(jiān)視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩(wěn)定運行。
3.4.12視頻監(jiān)控
視頻監(jiān)控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。
3.4.13用戶報告
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。
3.4.14 APP支持
電力運維手機支持“監(jiān)控系統”、“設備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”和“缺陷記錄”五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
3.5系統硬件配置清單
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應用場合 |
型號 |
圖 片 |
功能 |
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電能管理軟件 |
Acrel-3000WEB |
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Acrel-3000WEB電能管理軟件全方監(jiān)視用戶配電系統的運行狀態(tài)和電量數據，為用戶提供更好的運維服務。平臺提供用戶概況、電力數據監(jiān)測、電能質量分析、用電分析、日/月/年用能數據報表、異常事件報警和記錄、運行環(huán)境監(jiān)測等功能，并支持多平臺、多終端數據訪問。 |
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智能網關 |
Anet-2E8S1 |
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8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP.DL/T645-1997、DL/1645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協議的數據接入，ModbusT-c(主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協議上傳，支持不同協議向多平臺轉發(fā)數據;輸入電源:AC/DC 22ov，導軌式安裝。 |
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ANet-2E4SM |
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4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從）、104(主、從）、建筑能耗、SNMP、MOTT;（主模塊）輸入電源:DC 12 V ~36 V .支持4G擴展模塊，485擴展模塊。 |
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ANet-485 |
M485模塊:4路光耦隔離RS485 |
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ANet-M4G |
M4G模塊:支持4G全網通 |
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35kV/10kV/6kV微機保護裝置 |
AM6系列 |
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35kV及以下配電系統線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監(jiān)測/PT并列、母聯/備自投等保護。 |
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35kV/10kV/6kV弧光保護 |
ARB5-M |
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主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，弧光保護〈8組）、失靈保護(4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、非電量保護、裝置故障告警 |
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ARB5-E |
擴展單元，可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號 |
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ARB5-S |
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弧光探頭，建議安裝地點包括（但不限于）斷路器室、電纜室、母線室，可面板開孔安裝，亦可支架式安裝。弧光探頭的檢測范圍是一個角度為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域。 |
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35kV/10kV/6kV進線柜電能質量在線監(jiān)測 |
APView500 |
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裝置1024點波形采樣，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測、電壓不平衡度監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿足110kV及以下供電系統電能質量監(jiān)測的要求。 |
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35kV/10kV/6kV間隔智能操控、節(jié)點測溫 |
ASD500 |
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液晶屏顯示一次回路動態(tài)模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫濕度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕、預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4~20mA輸出 |
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35kV/10kV/6kV傳感器 |
ATE400 |
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合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125℃，測量精度±1℃;傳輸距離空曠150米 |
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35kV/10kV/6kV間隔電參量測量 |
APM830 |
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三相(I、u、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cos） ，零序電流In，四象限電能，實時及需量，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示 |
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高壓重要回路 或低壓進線柜 |
APM810 |
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三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、coso)，零序電流In，四象限電能，實時及需量，電流、電壓不平衡度，負載電流柱狀圖顯示，66種報警類型及外部事件（SOE)各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2DI+2DO,RS485/Modbus，LCD顯示 |
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AEM96 |
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三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率)﹔電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級 |
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ADW300/4G |
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三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量;電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量;電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量當月及上三月的電壓、電流、功率;需量及上十二月歷史需量記錄;事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄;支持4路開關量輸入、2路開關量輸出;支持4路測溫;支持1路剩余電流測量;支持本地顯示及按鍵設置;有功電能精度1級。通訊方式:支持RS485通訊、Lora無線通訊、4G通訊;WIFI通訊 |
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0.4kV出線 |
AEM72 |
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三相電參量U、I、P、0、s、PF、F測量，總正反向有功電能統計，正反向無功電能統計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）﹔電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級.無功電能精度2級 |
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DTSD1352 |
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三相電參量u、I、P、Q、s、PF、F測量，分相正向有功電能統計，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計﹔紅外通訊;電流規(guī)格:經互感器接入3×1(6)A.直接接入3×10(8o)A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級。 |
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ACR120EL |
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LCD顯示、全電參量測量(U、1、P、Q、PF、F);四象限電能計量;RS485/Modbus;可選復費率電能統計、需量統計;4DI+2DO;RS485通訊接口、Modbus 協議 |
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照明箱 |
DDSD1352 |
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單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;紅外及RS485通訊;電流規(guī)格:10(60）A，有功電能精度1級，無功精度2級;可選配復費率 |
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DDS1352 |
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單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量;RS485通訊;電流規(guī)格:10(60)A，有功電能精度1級，無功精度2級;尺寸:1P |
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電流互感器 |
AKH-0.66/K型 |
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開口式電流互感器 |
4結束語
基于工業(yè)以太網的電能管理系統，采用新型的科技，將智能化設備融入用電用戶中，在能夠充分采集用戶的用電數據信息的情況下，利用工業(yè)以太網對數據進行自動化收集和數據分析管理，實現了對用用戶電信息的統一存儲和分析，對實現電能的人性化管理具有重要意義。但是由于各個管理系統產品之間沒有統一的通信的標準，并且實施現代化的電能管理系統不能完全拋棄傳統。因此構建一個基于工業(yè)以太網的電能管理系統的過程必然是曲折漫長的過程。
【參考文獻】
[1]孫中岳.俞孟蕻，朱學青.基于工業(yè)以太網的電能管理系統設計.
[2]趙丹，李茜，孟彥京.基于Profinet工業(yè)以太網的復卷機電控系統設計[J].
[3]陳長輝.基于工業(yè)以太網的自動化控制系統設計[J].
[4]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2022.05版.
作者簡介：
龔永波，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電，Email: 28801392115@qq.com手機：18702101301 QQ:2881392115
