电能量采集系统的应用研究

引言
电量采控应用系统是一个综合多个自动化系统互连所组成的数据应用平台, 以先进的网络技术和数据库应用技术为基础,对遥信、遥测等信息进行自动采集、处理、统计、计算、分析、存储、报表和信息发布, 形成从市局到各县局、发电厂、变电站等多层次电量应用管理系统, 进而建立对电网商业化运作的真实、准确、全面、及时的反应机制, 为企业的经营、生产管理和决策提供科学、可靠的依据, 以满足电网发展和电力市场管理的需要[1]。
本文源自实际工程——内蒙古乌海电业局配电网电能量采控平台及系统建设。为满足乌海地区发展对电力负荷的需求，加强线损管理，将线损率降到合理的水平，以提高电网经营企业的经济效益，建立和完善管理线损统计体系，以便及时掌握线损的变化动态，急需建设改造电能计量采控系统，从而更好地实现高优质服务和节能降损的目标。电能信息采控系统的建设，能从从技术及管理手段上，有效增效降损，提高营销技术管理。
目前内蒙古乌海市采集系统覆盖用户分散、覆盖率低，技术标准差异大，功能相对简单，满足不了电力公司规范电能采控平台应用的需求，难以支撑营销服务的开展。特别是近年来公司上下强化集约化经营、精细化管理的工作力度，迫切需要建设一套高效、集约的电能量信息采集系统和规范的运行管理体系。由于缺乏统一、完善的技术标准与规范，用电信息采集系统存在设备制造厂家各自为阵，产品功能重复、各类通讯规约五花八门等现象。一方面增加了公司电能量信息采集系统建设投入，另一方面阻碍了用电信息采集统一平台的建设，影响了用电信息采集与运行管理工作的长期发展。同时，随着电能量信息采集系统功能的拓展和各项应用的深入，现有的运行管理规范已难以适应当前的需要，需要继续进行补充、完善。
一、电能量采集系统的研究现状
随着电力系统的不断发展和自动化水平的提高，对电网的经济运行提出了更高的要求。传统的电能损耗计算管理模式，一般是由抄表人员逐变电站、逐条线路，逐个电能表按月(或按规定的时间)进行抄表，然后统计供电量、售电量，计算出电力网电能损耗。这种方式往往因抄表不同时等人为因素造成电能损耗计算误差，不能反映实际的电能损耗。现代电力电子测量、计算机和网络等技术的发展，为实现电力网电能损耗的在线检测提供了条件。同时，随着电力企业提高自身经营效益要求的不断深化，以及电力客户对电力企业服务水平要求的不断提高，加强用电信息的采集与应用，搭建电网企业与电力客户之间快速有效沟通的桥梁成为电力公司提升优质服务水平的一项重要工作[2]。
目前，在我国大部分地区，电能数据的统计主要还是依靠变电站值班人员的人工抄报，月末再手工录入计算机进行电力电量的统计、上报和平衡分析。有的供电区电力电量主要靠月末现场实抄和变电站抄见记录相结合，这种手工抄报分析的主要问题有:
1.分析周期长，不便于及时发现问题，时常会造成较大电能损失；
2.抄报时间不一致和手工抄报录入的误差，造成分析计算误差较大；
3.人为因素较多，工作效率低，不能及时准确的反映电量信息；
4.由于手工数据要录入计算机再进行分析，人员工作量较大，效率低；
5.对分时电价实行和资金结算带来很大困难。
我国电能量采集系统起步于上世纪末，已经过了10多年的快速发展。电能量采集系统基本包括:现场电表、数据采集或集中器、主站系统、工作站及通信网络等。电能量采集方式均采用从电能表的RS接口直接读取电能数据。电能量系统从家庭用户电能表开始采集，分层或分区汇总，此作法将减轻中心站通信量过大的矛盾，同时中心站可减少数据传输费用，提高通信服务器的工作效率。各层各区数据与中心站交换采用标准通信规约，最后在中心站进行计算、统计、自动分析和生成各种报表等功能。中心站根据各部门需要，通过网络提供电能量数据和信息。
同时，我国电能量采集系统还存在一些问题。主要包括：整体的维护量巨大，需要大量的基本设置；数据可用性低，数据完整性、准确性不能确保；应用功能弱，缺乏常规的维护分析工具，缺乏常规的管理、分析和模板报表功能；实用性不够，数据集成度和共享性低，影响到了系统的应用和实用。
二、乌海市电能量采集系统的设计方案
乌海市所设计的电能量采集系统采用分布对象技术和多层分布式事务处理结构，主要以Web为表现形式，利于多部门人员参与系统数据管理，以提高总体性能，降低数据库与网络的负担，实现全分布结构，适于网上随意的部署应用，从而提供较强的伸缩性、适用性和安全性。
本项目的电能信息采集系统主要由主站系统、信道和采集终端三部分组成。具体结构如图2-1所示。主站系统是整个系统的管理中枢，由其实现命令下发、终端管理、数据分析、系统维护、外部接口等功能。信道用来实现主站和电能信息采集终端之间通信连接，信道如果有问题，那么实现主站对终端的管理就无从谈起。电能信息采集终端实现数据的采集、冻结数据的上报和主台下发命令的执行。

图1：电能采控系统结构图

（一）采集系统主站
主站系统是电能信息采集系统的指挥中心，同时又是数据采集和数据处理中心。主站系统功能是由硬件和软件共同完成的，所以主站的硬件设备及软件系统的质量将直接决定系统的稳定性和可靠性。
采集系统主站是具有选择终端并与终端进行信息交换功能的计算机系统设备。在电能量采控平台系统中，主站包括前置机、应用服务器、数据库服务器和采控管理软件四个部分。
前置机：直接和终端进行通信的部分，主站可通过前置机采集到终端运行工况、控制状态、开关状态、电能表运行工况等信息；
应用服务器:接收来自web服务器的请求，生成相应格式的web页面，并将结果信息传送到网关服务器；
数据库服务器:保存所有电量、遥测、遥信、统计、计算数据，对相应的数据进行统一管理，并进行数据的冗余备份，保证数据的完整性、安全性和一致性；
采控管理软件:具有强大的功能和性能，负责整个系统所有数据(包括前置服务器获取的变电站电量数据、网关服务器从SCADA、负荷管理系统、用电营销系统获取的负荷和电量数据)处理、计算、统计、报表等应用功能的生成、重组和扩展，同时包含整个系统的统一管理(网络管理、用户管理、安全性管理和系统护)。
（二）采集系统信道
电能信息采集系统通信信道是连接主站系统和现场采集终端之间的信息通道，要求其稳定地构建起系统主站、采集传输终端、电能表之间的通信连接，确保采集终端实时、准确地响应主站系统命令。随着电能信息采集系统网络技术的完善，通信技术的日趋成熟，可用的通信信道也得到了迅速发展。
通信信道的主要方式有光纤通信、230MHz无线通信、无线网络通信、中压电力线载波、Mobitex等无线专网、PSTN和ADSL等公用有线信道。在本项目中使用的信道是GPRS/CDMA通信。
GPRS是一种新型的移动数据通信业务，是中国移动在完善优化GPRS网络建设过程中推出的第2代通信技术，它在目前GPRS网络的基础上进一步升级了无线接口，使其支持高速补充业务信道，从而可实现高速互联网接入服务。GPRS无线数据传输上的技术优势主要表现在：①资源利用率高；②传输速率高；③接入时间短；④支持IP协议和X.25协议[3]。
CDMA无线数据传输网络通信平台，通过无线数据传输终端设备（CDMA DTU），提供透明数据传输通道，满足电力行业用户数据传输的应用需求。CDMA无线通信网络的特点主要有：①透明数据传输，CDMA DTU直接提供RS-232/485接口，为用户的数据设备提供透明传输通道；②永远在线，一开机就能自动登录到CDMA网络上，并与数据中心建立通信链路；③按流量计费；④高速传输。CDMA 1X网络传输速率最大达到153.6kbit/s。但目前CDMA无线网络通信在工程应用上还存在一定的不足，表现在：①网络覆盖范围较弱；②CDMA数据业务容量有限。
（三）采集系统终端
电能信息采控终端(ERTU)是装在用户端受主站监视和控制的，负责各信息采集点的电能信息的采集、数据管理、数据传输以及执行或转发主站下发的控制命令的设备，是电能信息采控系统的重要组成部分。采控终端主要有四种：公变终端、专变终端、大客户终端、变电站终端。采集系统终端采集所有电能表的数据，并进行存储，接受主站数据上报的请求，转发主站给采集终端或电能表的命令。
具体功能如下所示：
1）电量采集终端必须是专用的电能量采集、处理设备。应采用模块化结构，每个模块应设置保护机制，用户不能随意变动；终端应采用多任务操作系统，具有采集、通讯、处理功能并行处理能力。
2）具有数据采集处理功能。采集的数据包括：正（反）向有（无）功电量(尖、峰、平、谷)值，电压、电流、有功无功功率、功率因数等，采集到的数据应保持与电表显示数据的量纲一致，并带时标存储；可处理非电能量事件、遥信等数据。
3）具有存储功能。应采用无需电池支持的非易失存储介质存储数据、参数，保证数据掉电不丢失时间为10年。
4）具有通讯功能。支持拨号、专线、网络以及无线（GPRS/CMDMA）等多种通讯方式，网络通讯支持TCP/IP标准协议。对主站通讯支持《电能量信息采集与监控平台系统数据传输规约V 3.0》，一发多收，可同时和至少三个主站通讯；对表计通讯支持DL/T645-1997、《内蒙古电力公司多功能电能表通讯规约（2009版）》、DLMS、DL/T645-2007等多种电度表规约，并支持多种规约共线。
5）具有对时功能。支持主站对时，并能屏蔽非授权主站的对时命令，只响应授权主站的对时命令，主站对时误差<1秒；支持GPS对时，对时误差<0.1秒（通过串口与站内其它监控设备连接，接收GPS对时命令）。
6）具有液晶和键盘。采集终端支持中文界面，通过液晶显示和键盘操作可进行当前以及历史数据查询、显示，显示的数据应有量纲，以保证与表数据一致；通过液晶显示和键盘操作可以进行参数设置、修改。
7）具有状态指示功能。应有状态灯显示电源状态、终端运行状态、通讯状态等状态。

8）支持各种通讯方式的远程维护。并可通过便携计算机在本地进行数据查询，参数设置、修改；所有操作具有密码保护。
9）支持远程升级。升级过程应不影响终端的正常采集、通讯工作；应有可靠措施保证在升级过程中如果通讯中断，终端不受影响，仍能正常工作。
10）具有事件记录功能。可记录：本机运行工况、电能表通信异常、电源供电情况、电能表提供的其他事件，如失压、断相等。
三、电能量采集系统的作用
电能量采集系统的工作流程可归纳为:采集系统主站中的前置机通过采集系统息道获取厂站终端电量采集装置的数据、SCADA系统的数据；采控管理软件对这些数据进行过滤、统计、计算、分析，并生成控制命令；所有数据均保存在数据库服务器中。系统用户在客户浏览器浏览网页，通过HTTP协议及Activex控件向Web服务器发出各种请求，Web服务器分析客户提交的HTTP请求，通过ADO接口从数据库服务器获取数据生成网页，然后将生成的网页以HTML代码形式传递给客户端浏览器，用户的所有操作可全部在浏览器中完成。
电能量采集系统的主要功能如下所示[4]：
1）用户管理功能:系统设有超级用户、报表定义用户、数据管理用户和一般用户，根据用户种类的不同，设置不同的权限进行管理。
2）曲线功能:系统提供强大的一次接线图编辑工具，能实现图形的在线编辑，具有方便、灵活、丰富的图元编辑功能，支持图元的块定义、拷贝、移动、删除和块读入、存盘功能，并可将绘制好的图形方便地嵌入到其他应用程序中。一次接线图画面支持选择、平移、缩放、导航等功能。
3）报表管理功能：系统报表集成Excel报表工具，编辑定义功能强，制表方便，有预览功能，报表结构、数据可在线修改;可生成各类日、月、季、年的统计和分析报表;报表打印可自动打印或召唤打印。
4）控制管理功能：根据有序用电方案管理或安全生产管理要求，编制限电控制方案，对电力用户的用电负荷进行有序控制，并可对重要用户采取保电措施。
5）数据管理功能：主要是对采集信息进行负荷分析、电量分析、电能质量分析、线损统计等数据分析。
四、结论与展望
电力市场的开放和商业化运营, 促进了电能量采集系统技术的发展, 同时也将技术应用推到了前台。电能量采控系统是一个综合的系统工程, 涉及到营销、调度、生产、运行、计划等多个部门。它的建设是电网发展和电力市场管理的迫切需要，是实现电力企业生产自动化管理到电网现代化经营、决策管理的转变，是实现电力营销现代化管理的需要。
电能量采集管理系统是电网实行商业化运营,建立电力市场必须具备的技术支持手段。对提高电网的经济效益,促进电网的现代化管理有着积极作用。电能远程采集信息技术的迅速发展，广大用户的逐步认可，以及应用市场的逐渐成熟，使社会的依存度逐渐提高。同时，借助先进通信、遥测、传感技术的不断发展，未来的远程电量信息采集系统服务必将会更加完善，功能必将会更加强大，将会给人们的日常生活和社会诸方面的协调配合带来切实的方便，并成为推社会经济发展、文明发展的强有力的现代化工具[5]。
[参考文献]
[1]黄志强，王新民.电能量采集系统在电网中的应用[J].自动化技术与应用，2006,25（4）.
[2]陈灵欣.电能量采集系统的设计与实现[D].郑州：郑州大学电气工程学院，2003.
[3]韩冰.基于GPRS的无线远程抄表系统设计与研究[D].大庆：大庆石油学院，2005.
[4]龙生平，唐沂成，王小梅. 电能量采集系统信息集成与功能扩展应用[J].宁夏电力，2010,1：50-55.
[5]史国柱，蒋益兴.电能量采集系统的现状与展望[J].煤矿自动化，2001,6:19-21.
（作者单位：(华北电力大学 电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室 河北保定）