電能量計(jì)量系統(tǒng)接入方案及功能實(shí)施

1 引言

目前國內(nèi)的電能量計(jì)量系統(tǒng)經(jīng)過近20年的發(fā)展，已進(jìn)入穩(wěn)定成長階段，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(jì)量系統(tǒng)。并有向區(qū)、縣供電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，普及率正在逐年提高。

電能量計(jì)量功能已成為繼SCADA、AGC功能之后電網(wǎng)調(diào)度自動化的又一個基本功能，并在電能作為商品走向市場的進(jìn)程中發(fā)揮著重要的作用。

隨著電力行業(yè)體制改革不斷深化，電網(wǎng)的運(yùn)營和管理正逐步向市場開放，為了實(shí)現(xiàn)公平、公正、公開的電力交易原則，電能量計(jì)量系統(tǒng)的重要性比以往任何時候都更加突出[1]，為此，科研設(shè)計(jì)，制造廠商和各級電力公司均投入了大量的人力財(cái)力開展這方面的開發(fā)研究和工程實(shí)施工作。

電能量計(jì)量系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電廠上網(wǎng)、下網(wǎng)和聯(lián)絡(luò)線關(guān)口點(diǎn)電能量的計(jì)量，分時段存儲、采集和處理，為結(jié)算和分析提供基本數(shù)據(jù)。若為計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，則還包括對各種費(fèi)率模型的支持和結(jié)算軟件[1]。

上個世紀(jì)電能量計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程經(jīng)歷了兩個階段。第一階段(20世紀(jì)七、八十年代)：電能量的采集和統(tǒng)計(jì)處理僅作為SCADA/RTU中的一項(xiàng)功能。由于受當(dāng)時設(shè)備的能力限制，其采集精度、數(shù)據(jù)的可靠性、連續(xù)性均存在不少問題。因此，只能作為SCADA系統(tǒng)監(jiān)視電網(wǎng)運(yùn)行工況之用，遠(yuǎn)未達(dá)到電能量計(jì)量和計(jì)費(fèi)的要求。

當(dāng)時電能量數(shù)據(jù)與常規(guī)的遠(yuǎn)動采用同一種通信規(guī)約，信息由同一臺RTU通過同一通道進(jìn)行傳輸，由主站系統(tǒng)按“凍結(jié)¾讀數(shù)¾解凍”的方式統(tǒng)計(jì)與處理。由于RTU的數(shù)據(jù)存貯方式、容量和遠(yuǎn)動通信規(guī)約都不支持按分鐘/小時定義的采集周期，大容量存貯和大批次的數(shù)據(jù)傳送，尤其是通道、主站系統(tǒng)或RTU本身發(fā)生故障或進(jìn)行例行檢修還會影響電能量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和連續(xù)性。

第二階段(20世紀(jì)90年代至今)國外知名廠商如LG、ABB、UTS等先后推出獨(dú)立于原SCADA/RTU系統(tǒng)的電能量計(jì)量專用系統(tǒng)。國內(nèi)也在20世紀(jì)90年代后期推出了自行研制的電能量計(jì)量系統(tǒng)例如PBS-2000、DF-6000等。其特點(diǎn)是采用了獨(dú)立的主站系統(tǒng)，專門的電量采集終端或電能量表，采用了專用通道(專線公用電信網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)等)、專用的通信規(guī)約例如IEC60870-5-102，TCP/IP等來進(jìn)行電能量的采集，計(jì)算和統(tǒng)計(jì)考核，以適應(yīng)電力市場“廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)”的商業(yè)化運(yùn)作的需求[1,2]。

與此同時，為了保證系統(tǒng)的高可靠性、安全性、準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(yīng)用[1-3]。

2 電能量計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.1 電能量計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成一個獨(dú)立完整的系統(tǒng)

鑒于各級電力公司是以電能量作為其計(jì)費(fèi)、考核、獎懲的主要依據(jù)，因此必須有一個獨(dú)立完整的系統(tǒng)來保證電能量的采集、傳送、處理過程的可靠性、唯一性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性。

2.2 電能量采集對實(shí)時性要求不高，但對同時性要求較高

相對SCADA系統(tǒng)而言，電能量計(jì)量系統(tǒng)只是一個準(zhǔn)實(shí)時系統(tǒng)，凍結(jié)周期應(yīng)滿足分時段計(jì)量精度要求，一般設(shè)置為5~30min，最短為1min。其傳送周期應(yīng)滿足結(jié)算和統(tǒng)計(jì)報(bào)表的要求，一般以小時計(jì)。

2.3 電能量采集精度要求高

由于電能量是一個累計(jì)值，因此即使是微小的誤差日積月累后也會達(dá)到難以置信的程度，而對售電和用電雙方來說，此累積值就是經(jīng)濟(jì)上的虧損，因此，計(jì)量精度的選擇原則應(yīng)是容量越大精度越高，大容量的電廠和輸電線宜使用0.2級及以上的精度的電能表計(jì)[4]。

2.4 數(shù)據(jù)源唯一性原則

(1)關(guān)口點(diǎn)的設(shè)置要遵循唯一性原則，不能出現(xiàn)多數(shù)據(jù)來源的情況。

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

(3)計(jì)費(fèi)模型唯一性。對計(jì)費(fèi)系統(tǒng)來說，其計(jì)費(fèi)模型必須嚴(yán)格按合同執(zhí)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(tǒng)各個環(huán)節(jié)具有高可用率，能獨(dú)立運(yùn)行外，針對系統(tǒng)的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下要求：

(1)安全性。采用成熟的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)的故障恢復(fù)過程，還應(yīng)采用適當(dāng)加密防護(hù)措施，保證數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的安全，防止黑客的攻擊。

(2)連續(xù)性。能適應(yīng)全年365天，每天24h的全續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)可用率達(dá)到99.5%以上。

(3)開放性。應(yīng)用程序開發(fā)平臺應(yīng)符合IEC-61970標(biāo)準(zhǔn)，平臺包括操作系統(tǒng)，歷史數(shù)據(jù)庫，進(jìn)程管理，網(wǎng)絡(luò)通信，圖形報(bào)表管理等，其應(yīng)用編程接口均應(yīng)充分開放，支持第三方應(yīng)用軟件在系統(tǒng)上的集成。

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2.6 計(jì)費(fèi)關(guān)口點(diǎn)設(shè)置原則

(1)電廠上網(wǎng)電能量應(yīng)設(shè)置計(jì)費(fèi)關(guān)口點(diǎn);

(2)下網(wǎng)電能量應(yīng)設(shè)置計(jì)費(fèi)關(guān)口點(diǎn)(用于負(fù)荷預(yù)測計(jì)算和某些考核功能);

(3) 跨省、區(qū)電能量應(yīng)交易設(shè)置計(jì)費(fèi)關(guān)口點(diǎn)(一般設(shè)置在聯(lián)絡(luò)線的兩側(cè));

(4)過網(wǎng)電能量應(yīng)設(shè)置計(jì)費(fèi)關(guān)口點(diǎn)，單獨(dú)計(jì)算過網(wǎng)費(fèi)的子網(wǎng)、線路及變電站應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的計(jì)費(fèi)關(guān)口點(diǎn);

(5)直供(或允許直接從市場上購買)用戶(或零售商、配電公司)應(yīng)設(shè)置計(jì)費(fèi)關(guān)口點(diǎn);

(6)按實(shí)際需要可設(shè)置無功電能量計(jì)費(fèi)關(guān)口點(diǎn)。

3 接入方案比較

3.1 與EMS/SCADA的接入方案

(1)統(tǒng)一平臺模式

電能量計(jì)量系統(tǒng)與EMS/SCADA系統(tǒng)運(yùn)行在統(tǒng)一的軟件平臺，網(wǎng)絡(luò)、圖形、報(bào)表、數(shù)據(jù)庫等均應(yīng)兼容統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議、相同的軟件設(shè)備和維護(hù)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(tǒng)和通道設(shè)備)，從而降低投資或運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)可保證兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)一致性，能直接互訪數(shù)據(jù)而無須中間轉(zhuǎn)換，既提高了訪問效率，又保證了系統(tǒng)之間的安全性。統(tǒng)一平臺模式的電能量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

(2)互聯(lián)模式

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

(3)兩種模式的比較

統(tǒng)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)，用戶需根據(jù)自己的實(shí)際情況予以選擇。

如果電能量計(jì)量系統(tǒng)的制造廠商與原有的EMS/SCADA或發(fā)電側(cè)電力市場的供應(yīng)商是同一廠商或可以相互兼容，且將來維護(hù)管理工作是由同一部門(例調(diào)度所自動化科)的人員來承擔(dān)，則采用統(tǒng)一平臺模式是合理的選擇。這樣可以實(shí)現(xiàn)最大限度的資源共享，降低投資成本和支持維護(hù)費(fèi)用，對維護(hù)管理人員較少的用戶尤為適用。

如果電能量計(jì)時系統(tǒng)的制造廠商與原EMS/SCADA或發(fā)電側(cè)電力市場的供應(yīng)商不是同一廠商，且不能互相兼容，或?qū)砭S護(hù)管理工作是由兩個不同的部門(例供用電科與自動化科)分別承擔(dān)，則采用互聯(lián)模式較為合適。這樣有利于劃分專業(yè)范圍，有一個較明確的界面分工，有利于維護(hù)和管理。這種模式對維護(hù)管理人員較充裕的用戶較為適用。

3.2 終端(表計(jì))接入方式

(1)電能表直接接入方式

電能表內(nèi)置MODEM，經(jīng)公用電話交換網(wǎng)直接接入主站系統(tǒng)(例如華東電網(wǎng)電能量計(jì)量系統(tǒng))，或由RS485/RS232C串口與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，將信息接入主站系統(tǒng)(例如西北電網(wǎng)電能量計(jì)量系統(tǒng)

(2)計(jì)量終端接入方式

電能表以脈沖或經(jīng)RS-485/RS-232接入計(jì)量終端，計(jì)量終端經(jīng)MODEM或網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備通過公用電話網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)接入主站系統(tǒng)(例如江蘇省網(wǎng)電能量計(jì)量系統(tǒng)。

(3)終端服務(wù)器接入方式

電能表經(jīng)終端服務(wù)器，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)及路由器接入主站系統(tǒng)(例如上海市網(wǎng)電能量計(jì)量系統(tǒng)。

(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

用戶究竟采用何種方式要視具體情況而定。一般來說，第二種方式目前應(yīng)用較為廣泛。它的關(guān)鍵設(shè)備是計(jì)量終端，計(jì)量終端不同于一般的RTU，而是為滿足計(jì)量系統(tǒng)的特殊要求而專門設(shè)計(jì)的電能量采集、處理、遠(yuǎn)傳裝置，可按多個時段對數(shù)據(jù)進(jìn)行分時累計(jì)和存儲，數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)有可靠的保護(hù)措施，并具有可移動的數(shù)據(jù)存儲卡。隨著技術(shù)的發(fā)展，某些計(jì)量終端已具有電話撥號和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信的功能。第二種方式適合于關(guān)口點(diǎn)數(shù)量較多，且要求多主站、多規(guī)約通信的廠站。

第一種方式比較適合于關(guān)口點(diǎn)數(shù)量較少的廠站。它的特點(diǎn)是節(jié)省投資，且主站可對電能表進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，缺點(diǎn)是累計(jì)存儲時間比第二種方式要短，如有直接通過數(shù)據(jù)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(shù)量較多的廠站，可通過線路共享器與主站通信，以節(jié)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(qiáng)。

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

4 主要特點(diǎn)和功能實(shí)施

電能量計(jì)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)有其相似之處，例如均由主站系統(tǒng)、廠站終端、通信系統(tǒng)等部分組成。更有其自身的特點(diǎn)諸如分時電能計(jì)量、線損、網(wǎng)損計(jì)算、計(jì)費(fèi)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(jì)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

1)分時電能計(jì)量

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

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2)數(shù)據(jù)采集

為保證電量讀取的同時性，系統(tǒng)須與電能表或計(jì)量終端定時同步，即具備與GPS時鐘對時的功能。時鐘設(shè)置誤差小于1s/日。

系統(tǒng)應(yīng)支持自動重發(fā)功能，在通道中斷時能保存數(shù)據(jù)，當(dāng)通信恢復(fù)后，系統(tǒng)能以自動或召喚方式獲取丟失的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。

3)數(shù)據(jù)處理

萬一發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)無效時，允許用戶以人工輸入方式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中的位置不會改變，替代值僅作為原始值的派生數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中替代值會打上一個不可擦除的標(biāo)志，但可參與統(tǒng)計(jì)與分析。

鑒于電能量計(jì)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果涉及到費(fèi)用結(jié)算，故要求系統(tǒng)應(yīng)支持主校表數(shù)據(jù)互校和處理功能。

4)數(shù)據(jù)管理和信息服務(wù)

電能量計(jì)量系統(tǒng)與廣大用戶關(guān)系密切，直接面向各類用戶，應(yīng)支持基于WEB瀏覽技術(shù)的客戶在網(wǎng)上查詢業(yè)務(wù)。

其WEB服務(wù)器系統(tǒng)應(yīng)支持安全隔離，建立數(shù)據(jù)從系統(tǒng)傳送到WEB服務(wù)器的機(jī)制;提供數(shù)據(jù)庫安全性管理。 用戶在訪問系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫之前，必須先訪問提供數(shù)據(jù)庫接口的頁面，以確定用戶對該數(shù)據(jù)庫訪問的權(quán)限。對不同權(quán)限的用戶，提供相對應(yīng)的數(shù)據(jù)頁面、圖形等查詢范圍。

5)計(jì)費(fèi)和考核

電能量計(jì)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果是計(jì)算電費(fèi)的基礎(chǔ)，因此系統(tǒng)還應(yīng)支持有關(guān)計(jì)費(fèi)的處理功能，例如系統(tǒng)應(yīng)提供對各種計(jì)費(fèi)規(guī)則、費(fèi)率模型的建立和管理維護(hù)手段。提供靈活、方便的費(fèi)率及其結(jié)構(gòu)的定義和處理手段并具有較強(qiáng)的報(bào)表處理和綜合運(yùn)算處理能力。并能自動生成相應(yīng)的報(bào)表和圖形以提供方便直觀的查詢和顯示。

(2)旁路代功能實(shí)施

旁路代問題不僅在電能量計(jì)量系統(tǒng)中存在，而且在SCADA/EMS系統(tǒng)中也是存在的，只不過對前者的影響更為突出。電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備定期檢修，故障處理或運(yùn)行方式改變時，經(jīng)常會遇到用旁路開關(guān)或備用開關(guān)替代某路開關(guān)送電的情況。從而造成電量統(tǒng)計(jì)上的困難。

目前解決旁路代問題有以下四種方案。

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

2) 通過與SCADA系統(tǒng)的互聯(lián)將SCADA系統(tǒng)采集到的相關(guān)遙信開關(guān)位置信息輸入電能量計(jì)量系統(tǒng)，由后者進(jìn)行邏輯判斷或由SCADA系統(tǒng)將已判斷好的旁路代結(jié)果傳給后者，由后者綜合上述信息進(jìn)行電量旁路代的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。

3)由電能表(或計(jì)量終端)采集相關(guān)開關(guān)信息輸入電能量計(jì)量系統(tǒng)，由該系統(tǒng)綜合相關(guān)信息作出相應(yīng)邏輯判斷，進(jìn)行電量旁路代的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。

4)根據(jù)線路切換過程必然引起相關(guān)線路的電量變化的原理，通過對相關(guān)線路切換過程中電量變化的定性判斷和定量比較來實(shí)現(xiàn)旁路代時的電量計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。為此需預(yù)先生成一張參加旁路代的出線開關(guān)的軟件列表，然后在旁路代切換過程中逐次掃描各相關(guān)出線的電量變化，經(jīng)必要的邏輯運(yùn)算和計(jì)算，從而作出相應(yīng)的判別 [5]。

方案1)是最基本最原始的方法，不屬于自動化的范疇，主要靠人工干預(yù)。

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

方案3)需要增加電纜和開關(guān)的位置接點(diǎn)，從而增加了軟件及現(xiàn)場施工工作量。若出現(xiàn)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(zhǔn)確度的問題，一旦準(zhǔn)確度不夠也會造成誤判斷。

5 結(jié)論和建議

(1)從目前國內(nèi)用戶的使用情況來看，大部分都是先有EMS/SCADA系統(tǒng)，再上電能量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，因此建議采用互聯(lián)模式，有利于專業(yè)劃分，界面較明確， 也便于維護(hù)和管理。對新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或電能量計(jì)量系統(tǒng)與原有的EMS/SCADA是由同一制造廠商提供或用戶可互相兼容，則建議采用統(tǒng)一平臺模式，以便最大限度地達(dá)到資源共享，降低成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。特別適用于由同一部門的人員來維護(hù)管理這兩套系統(tǒng)的場合。

(2)由于脈沖電度表和電量計(jì)費(fèi)累計(jì)終端本身的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中會由于輸出脈沖畸變和現(xiàn)場電磁干擾造成計(jì)量誤差，難以滿足電力市場對計(jì)量系統(tǒng)的要求，今后發(fā)展方向應(yīng)是智能化多功能電能表的分布式直接數(shù)字傳送模式。對重要關(guān)口點(diǎn)應(yīng)按主、校表方式配置。

(3)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化，根據(jù)電能量計(jì)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸具有即時而非實(shí)時、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(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，較之使用專線信道和電話網(wǎng)，可以提高傳輸效率和降低運(yùn)行費(fèi)用。同時可方便地實(shí)現(xiàn)多主站的數(shù)據(jù)共享。

(4)通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)化。國際電工委員會已制定了IEC870-5-102電力系統(tǒng)傳輸電能量計(jì)量配套標(biāo)準(zhǔn)，為各種智能化電能表和遠(yuǎn)方電能量處理終端采用國際標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)約接入主站系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

(5)電能量計(jì)費(fèi)的結(jié)算自動化是電力市場技術(shù)支撐系統(tǒng)之一，它能提供快速、高效的服務(wù)，通過企業(yè)財(cái)務(wù)與銀行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)，可加快電費(fèi)的回收和資金周轉(zhuǎn)。

綜上所述，電能量計(jì)量系統(tǒng)正步入穩(wěn)定增長、成熟發(fā)展階段，今后的發(fā)展方向應(yīng)是在現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上向高端和低端延伸，形成系列產(chǎn)品。建議研制開發(fā)時將應(yīng)用與平臺分開，形成適應(yīng)各種軟、硬件平臺的真正跨平臺系統(tǒng)，以滿足不同層次用戶的不同價位需求。