電能量計量系統接入方案及功能實(shí)施

1 引言

目前國內的電能量計量系統經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，已進(jìn)入穩定成長(cháng)階段，網(wǎng)省級電網(wǎng)及主要城市的供電網(wǎng)均已配備電能量計量系統。并有向區、縣供電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，普及率正在逐年提高。

電能量計量功能已成為繼SCADA、AGC功能之后電網(wǎng)調度自動(dòng)化的又一個(gè)基本功能，并在電能作為商品走向市場(chǎng)的進(jìn)程中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。

隨著(zhù)電力行業(yè)體制改革不斷深化，電網(wǎng)的運營(yíng)和管理正逐步向市場(chǎng)開(kāi)放，為了實(shí)現公平、公正、公開(kāi)的電力交易原則，電能量計量系統的重要性比以往任何時(shí)候都更加突出[1]，為此，科研設計，制造廠(chǎng)商和各級電力公司均投入了大量的人力財力開(kāi)展這方面的開(kāi)發(fā)研究和工程實(shí)施工作。

電能量計量系統主要實(shí)現電廠(chǎng)上網(wǎng)、下網(wǎng)和聯(lián)絡(luò )線(xiàn)關(guān)口點(diǎn)電能量的計量，分時(shí)段存儲、采集和處理，為結算和分析提供基本數據。若為計量計費系統，則還包括對各種費率模型的支持和結算軟件[1]。

上個(gè)世紀電能量計量系統的發(fā)展進(jìn)程經(jīng)歷了兩個(gè)階段。第一階段(20世紀七、八十年代)：電能量的采集和統計處理僅作為SCADA/RTU中的一項功能。由于受當時(shí)設備的能力限制，其采集精度、數據的可靠性、連續性均存在不少問(wèn)題。因此，只能作為SCADA系統監視電網(wǎng)運行工況之用，遠未達到電能量計量和計費的要求。

當時(shí)電能量數據與常規的遠動(dòng)采用同一種通信規約，信息由同一臺RTU通過(guò)同一通道進(jìn)行傳輸，由主站系統按“凍結¾讀數¾解凍”的方式統計與處理。由于RTU的數據存貯方式、容量和遠動(dòng)通信規約都不支持按分鐘/小時(shí)定義的采集周期，大容量存貯和大批次的數據傳送，尤其是通道、主站系統或RTU本身發(fā)生故障或進(jìn)行例行檢修還會(huì )影響電能量數據的準確性、可靠性和連續性。

第二階段(20世紀90年代至今)國外知名廠(chǎng)商如LG、ABB、UTS等先后推出獨立于原SCADA/RTU系統的電能量計量專(zhuān)用系統。國內也在20世紀90年代后期推出了自行研制的電能量計量系統例如PBS-2000、DF-6000等。其特點(diǎn)是采用了獨立的主站系統，專(zhuān)門(mén)的電量采集終端或電能量表，采用了專(zhuān)用通道(專(zhuān)線(xiàn)公用電信網(wǎng)、數據通信網(wǎng)等)、專(zhuān)用的通信規約例如IEC60870-5-102，TCP/IP等來(lái)進(jìn)行電能量的采集，計算和統計考核，以適應電力市場(chǎng)“廠(chǎng)網(wǎng)分開(kāi)，競價(jià)上網(wǎng)”的商業(yè)化運作的需求[1,2]。

與此同時(shí)，為了保證系統的高可靠性、安全性、準確性的要求，相關(guān)的高新技術(shù)例如Trucluster(群集)技術(shù)，三層體系結構及DCOM部件，COM+，Internet/Intranet及Web瀏覽器，網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)等相繼得到應用[1-3]。

2 電能量計量系統設計原則

2.1 電能量計量系統應設計成一個(gè)獨立完整的系統

鑒于各級電力公司是以電能量作為其計費、考核、獎懲的主要依據，因此必須有一個(gè)獨立完整的系統來(lái)保證電能量的采集、傳送、處理過(guò)程的可靠性、唯一性、準確性和連續性。

2.2 電能量采集對實(shí)時(shí)性要求不高，但對同時(shí)性要求較高

相對SCADA系統而言，電能量計量系統只是一個(gè)準實(shí)時(shí)系統，凍結周期應滿(mǎn)足分時(shí)段計量精度要求，一般設置為5~30min，最短為1min。其傳送周期應滿(mǎn)足結算和統計報表的要求，一般以小時(shí)計。

2.3 電能量采集精度要求高

由于電能量是一個(gè)累計值，因此即使是微小的誤差日積月累后也會(huì )達到難以置信的程度，而對售電和用電雙方來(lái)說(shuō)，此累積值就是經(jīng)濟上的虧損，因此，計量精度的選擇原則應是容量越大精度越高，大容量的電廠(chǎng)和輸電線(xiàn)宜使用0.2級及以上的精度的電能表計[4]。

2.4 數據源唯一性原則

(1)關(guān)口點(diǎn)的設置要遵循唯一性原則，不能出現多數據來(lái)源的情況。

(2)為確保存儲數據的唯一性，任何單位和個(gè)人不得隨意修改原始數據，對本數據庫的修改須經(jīng)各方面同意并打上永久性標志。

(3)計費模型唯一性。對計費系統來(lái)說(shuō)，其計費模型必須嚴格按合同執行，任何一方不得單方面修改。

2.5 軟件高可靠性原則

除了配置上要求系統各個(gè)環(huán)節具有高可用率，能獨立運行外，針對系統的特點(diǎn)，軟件設計應考慮以下要求：

(1)安全性。采用成熟的應用軟件，實(shí)現快速平穩的故障恢復過(guò)程，還應采用適當加密防護措施，保證數據和系統的安全，防止黑客的攻擊。

(2)連續性。能適應全年365天，每天24h的全續運轉，系統可用率達到99.5%以上。

(3)開(kāi)放性。應用程序開(kāi)發(fā)平臺應符合IEC-61970標準，平臺包括操作系統，歷史數據庫，進(jìn)程管理，網(wǎng)絡(luò )通信，圖形報表管理等，其應用編程接口均應充分開(kāi)放，支持第三方應用軟件在系統上的集成。

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2.6 計費關(guān)口點(diǎn)設置原則

(1)電廠(chǎng)上網(wǎng)電能量應設置計費關(guān)口點(diǎn);

(2)下網(wǎng)電能量應設置計費關(guān)口點(diǎn)(用于負荷預測計算和某些考核功能);

(3) 跨省、區電能量應交易設置計費關(guān)口點(diǎn)(一般設置在聯(lián)絡(luò )線(xiàn)的兩側);

(4)過(guò)網(wǎng)電能量應設置計費關(guān)口點(diǎn)，單獨計算過(guò)網(wǎng)費的子網(wǎng)、線(xiàn)路及變電站應設置相應的計費關(guān)口點(diǎn);

(5)直供(或允許直接從市場(chǎng)上購買(mǎi))用戶(hù)(或零售商、配電公司)應設置計費關(guān)口點(diǎn);

(6)按實(shí)際需要可設置無(wú)功電能量計費關(guān)口點(diǎn)。

3 接入方案比較

3.1 與EMS/SCADA的接入方案

(1)統一平臺模式

電能量計量系統與EMS/SCADA系統運行在統一的軟件平臺，網(wǎng)絡(luò )、圖形、報表、數據庫等均應兼容統一的接口標準和通信協(xié)議、相同的軟件設備和維護管理工具，特別是部分硬件和通道資源可以共享(例如前置系統和通道設備)，從而降低投資或運行維護費用。統一接口標準可保證兩個(gè)系統之間的數據一致性，能直接互訪(fǎng)數據而無(wú)須中間轉換，既提高了訪(fǎng)問(wèn)效率，又保證了系統之間的安全性。統一平臺模式的電能量計量計費系統的結構

(2)互聯(lián)模式

電能量計量系統與已有的EMS/SCADA系統互為獨立系統，可以是不同的軟硬件平臺，相互之間通過(guò)網(wǎng)橋或路由器聯(lián)結，稱(chēng)為互聯(lián)模型。這種模式下各系統相對獨立運行，屬于松散聯(lián)結，各自可有自己的軟硬件平臺和通信協(xié)議，只是通過(guò)網(wǎng)橋或路由器交換信息。

(3)兩種模式的比較

統一平臺模式(例如廣東省網(wǎng))和互聯(lián)模式(例如浙江省網(wǎng))各有特點(diǎn)，用戶(hù)需根據自己的實(shí)際情況予以選擇。

如果電能量計量系統的制造廠(chǎng)商與原有的EMS/SCADA或發(fā)電側電力市場(chǎng)的供應商是同一廠(chǎng)商或可以相互兼容，且將來(lái)維護管理工作是由同一部門(mén)(例調度所自動(dòng)化科)的人員來(lái)承擔，則采用統一平臺模式是合理的選擇。這樣可以實(shí)現最大限度的資源共享，降低投資成本和支持維護費用，對維護管理人員較少的用戶(hù)尤為適用。

如果電能量計時(shí)系統的制造廠(chǎng)商與原EMS/SCADA或發(fā)電側電力市場(chǎng)的供應商不是同一廠(chǎng)商，且不能互相兼容，或將來(lái)維護管理工作是由兩個(gè)不同的部門(mén)(例供用電科與自動(dòng)化科)分別承擔，則采用互聯(lián)模式較為合適。這樣有利于劃分專(zhuān)業(yè)范圍，有一個(gè)較明確的界面分工，有利于維護和管理。這種模式對維護管理人員較充裕的用戶(hù)較為適用。

3.2 終端(表計)接入方式

(1)電能表直接接入方式

電能表內置MODEM，經(jīng)公用電話(huà)交換網(wǎng)直接接入主站系統(例如華東電網(wǎng)電能量計量系統)，或由RS485/RS232C串口與數據網(wǎng)絡(luò )連接，將信息接入主站系統(例如西北電網(wǎng)電能量計量系統

(2)計量終端接入方式

電能表以脈沖或經(jīng)RS-485/RS-232接入計量終端，計量終端經(jīng)MODEM或網(wǎng)絡(luò )接入設備通過(guò)公用電話(huà)網(wǎng)或數據網(wǎng)接入主站系統(例如江蘇省網(wǎng)電能量計量系統。

(3)終端服務(wù)器接入方式

電能表經(jīng)終端服務(wù)器，通過(guò)數據網(wǎng)及路由器接入主站系統(例如上海市網(wǎng)電能量計量系統。

(4)混合接入方式

以上三種接入方式的混合方式為混合接入方式(例如福建與華東聯(lián)網(wǎng)工程)。

(5)終端接入方式的比較

用戶(hù)究竟采用何種方式要視具體情況而定。一般來(lái)說(shuō)，第二種方式目前應用較為廣泛。它的關(guān)鍵設備是計量終端，計量終端不同于一般的RTU，而是為滿(mǎn)足計量系統的特殊要求而專(zhuān)門(mén)設計的電能量采集、處理、遠傳裝置，可按多個(gè)時(shí)段對數據進(jìn)行分時(shí)累計和存儲，數據傳輸應有可靠的保護措施，并具有可移動(dòng)的數據存儲卡。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，某些計量終端已具有電話(huà)撥號和數據網(wǎng)絡(luò )通信的功能。第二種方式適合于關(guān)口點(diǎn)數量較多，且要求多主站、多規約通信的廠(chǎng)站。

第一種方式比較適合于關(guān)口點(diǎn)數量較少的廠(chǎng)站。它的特點(diǎn)是節省投資，且主站可對電能表進(jìn)行遠程維護，缺點(diǎn)是累計存儲時(shí)間比第二種方式要短，如有直接通過(guò)數據網(wǎng)通信的要求，則可供選擇的電能表的品種較少。關(guān)口點(diǎn)數量較多的廠(chǎng)站，可通過(guò)線(xiàn)路共享器與主站通信，以節省有限的通信資源。

第三種方式主要適用于通信方式較為單一的廠(chǎng)站(如網(wǎng)絡(luò )通信)，終端服務(wù)器本身不具備存儲功能，優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品通用性強。

第四種方式適用于需要與多主站、多規約、多方式通信的廠(chǎng)站，一般較少采用，在一些大區電網(wǎng)互聯(lián)的工程中或同一廠(chǎng)站內有多種電壓的關(guān)口點(diǎn)時(shí)可考慮采用。

4 主要特點(diǎn)和功能實(shí)施

電能量計量系統與傳統的SCADA系統有其相似之處，例如均由主站系統、廠(chǎng)站終端、通信系統等部分組成。更有其自身的特點(diǎn)諸如分時(shí)電能計量、線(xiàn)損、網(wǎng)損計算、計費與考核、旁路代功能、精度和可靠性要求高等[2,4]。

(1)電能量計量系統的主要特點(diǎn)

1)分時(shí)電能計量

由于電能在不同時(shí)段的電價(jià)不同，因此電能表或計量終端應支持電能量分時(shí)段累計、存儲的功能，其他分周期通常為5~30min可調，最小1min，與調度計劃下發(fā)周期或交易時(shí)段相對應。

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2)數據采集

為保證電量讀取的同時(shí)性，系統須與電能表或計量終端定時(shí)同步，即具備與GPS時(shí)鐘對時(shí)的功能。時(shí)鐘設置誤差小于1s/日。

系統應支持自動(dòng)重發(fā)功能，在通道中斷時(shí)能保存數據，當通信恢復后，系統能以自動(dòng)或召喚方式獲取丟失的數據，以保證數據的完整性和連續性。

3)數據處理

萬(wàn)一發(fā)生數據丟失或數據無(wú)效時(shí)，允許用戶(hù)以人工輸入方式進(jìn)行數據替代，可以單值也可批量輸入。輸入替代值后，原始值在歷史數據庫中的位置不會(huì )改變，替代值僅作為原始值的派生數據，在數據庫中替代值會(huì )打上一個(gè)不可擦除的標志，但可參與統計與分析。

鑒于電能量計量系統的數據處理結果涉及到費用結算，故要求系統應支持主校表數據互校和處理功能。

4)數據管理和信息服務(wù)

電能量計量系統與廣大用戶(hù)關(guān)系密切，直接面向各類(lèi)用戶(hù)，應支持基于WEB瀏覽技術(shù)的客戶(hù)在網(wǎng)上查詢(xún)業(yè)務(wù)。

其WEB服務(wù)器系統應支持安全隔離，建立數據從系統傳送到WEB服務(wù)器的機制;提供數據庫安全性管理。 用戶(hù)在訪(fǎng)問(wèn)系統的數據庫之前，必須先訪(fǎng)問(wèn)提供數據庫接口的頁(yè)面，以確定用戶(hù)對該數據庫訪(fǎng)問(wèn)的權限。對不同權限的用戶(hù)，提供相對應的數據頁(yè)面、圖形等查詢(xún)范圍。

5)計費和考核

電能量計量系統的數據處理結果是計算電費的基礎，因此系統還應支持有關(guān)計費的處理功能，例如系統應提供對各種計費規則、費率模型的建立和管理維護手段。提供靈活、方便的費率及其結構的定義和處理手段并具有較強的報表處理和綜合運算處理能力。并能自動(dòng)生成相應的報表和圖形以提供方便直觀(guān)的查詢(xún)和顯示。

(2)旁路代功能實(shí)施

旁路代問(wèn)題不僅在電能量計量系統中存在，而且在SCADA/EMS系統中也是存在的，只不過(guò)對前者的影響更為突出。電網(wǎng)運行設備定期檢修，故障處理或運行方式改變時(shí)，經(jīng)常會(huì )遇到用旁路開(kāi)關(guān)或備用開(kāi)關(guān)替代某路開(kāi)關(guān)送電的情況。從而造成電量統計上的困難。

目前解決旁路代問(wèn)題有以下四種方案。

1) 最常用的還是依靠人工設置方式來(lái)解決由于旁路代而引起的電量改變問(wèn)題。

2) 通過(guò)與SCADA系統的互聯(lián)將SCADA系統采集到的相關(guān)遙信開(kāi)關(guān)位置信息輸入電能量計量系統，由后者進(jìn)行邏輯判斷或由SCADA系統將已判斷好的旁路代結果傳給后者，由后者綜合上述信息進(jìn)行電量旁路代的計算和統計。

3)由電能表(或計量終端)采集相關(guān)開(kāi)關(guān)信息輸入電能量計量系統，由該系統綜合相關(guān)信息作出相應邏輯判斷，進(jìn)行電量旁路代的計算和統計。

4)根據線(xiàn)路切換過(guò)程必然引起相關(guān)線(xiàn)路的電量變化的原理，通過(guò)對相關(guān)線(xiàn)路切換過(guò)程中電量變化的定性判斷和定量比較來(lái)實(shí)現旁路代時(shí)的電量計算和統計。為此需預先生成一張參加旁路代的出線(xiàn)開(kāi)關(guān)的軟件列表，然后在旁路代切換過(guò)程中逐次掃描各相關(guān)出線(xiàn)的電量變化，經(jīng)必要的邏輯運算和計算，從而作出相應的判別 [5]。

方案1)是最基本最原始的方法，不屬于自動(dòng)化的范疇，主要靠人工干預。

方案2)需要開(kāi)發(fā)與SDADA系統的接口通信軟件，從而增加了軟件工作量。

方案3)需要增加電纜和開(kāi)關(guān)的位置接點(diǎn)，從而增加了軟件及現場(chǎng)施工工作量。若出現遙信誤判斷將造成旁路代的誤判斷。

方案4)是較先進(jìn)的方法，原理上可行，是發(fā)展方向，但是具體實(shí)施還存在準確度的問(wèn)題，一旦準確度不夠也會(huì )造成誤判斷。

5 結論和建議

(1)從目前國內用戶(hù)的使用情況來(lái)看，大部分都是先有EMS/SCADA系統，再上電能量計量計費系統，因此建議采用互聯(lián)模式，有利于專(zhuān)業(yè)劃分，界面較明確， 也便于維護和管理。對新設計的系統或電能量計量系統與原有的EMS/SCADA是由同一制造廠(chǎng)商提供或用戶(hù)可互相兼容，則建議采用統一平臺模式，以便最大限度地達到資源共享，降低成本和運行維護費用。特別適用于由同一部門(mén)的人員來(lái)維護管理這兩套系統的場(chǎng)合。

(2)由于脈沖電度表和電量計費累計終端本身的局限性，在實(shí)際應用中會(huì )由于輸出脈沖畸變和現場(chǎng)電磁干擾造成計量誤差，難以滿(mǎn)足電力市場(chǎng)對計量系統的要求，今后發(fā)展方向應是智能化多功能電能表的分布式直接數字傳送模式。對重要關(guān)口點(diǎn)應按主、校表方式配置。

(3)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )化，根據電能量計量系統的數據傳輸具有即時(shí)而非實(shí)時(shí)、高速大容量的特點(diǎn)，采用正在快速發(fā)展的公用/企業(yè)數據通信網(wǎng)絡(luò )，較之使用專(zhuān)線(xiàn)信道和電話(huà)網(wǎng)，可以提高傳輸效率和降低運行費用。同時(shí)可方便地實(shí)現多主站的數據共享。

(4)通信規約標準化。國際電工委員會(huì )已制定了IEC870-5-102電力系統傳輸電能量計量配套標準，為各種智能化電能表和遠方電能量處理終端采用國際標準的通信規約接入主站系統創(chuàng )造了條件。

(5)電能量計費的結算自動(dòng)化是電力市場(chǎng)技術(shù)支撐系統之一，它能提供快速、高效的服務(wù)，通過(guò)企業(yè)財務(wù)與銀行網(wǎng)絡(luò )聯(lián)網(wǎng)，可加快電費的回收和資金周轉。

綜上所述，電能量計量系統正步入穩定增長(cháng)、成熟發(fā)展階段，今后的發(fā)展方向應是在現有的成熟產(chǎn)品的基礎上向高端和低端延伸，形成系列產(chǎn)品。建議研制開(kāi)發(fā)時(shí)將應用與平臺分開(kāi)，形成適應各種軟、硬件平臺的真正跨平臺系統，以滿(mǎn)足不同層次用戶(hù)的不同價(jià)位需求。