電能量采集與管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

李 強，朱時雨

(1.丹東供電公司，遼寧 丹東 118000;2.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110178)

隨著電力體制市場化改革進程的不斷推進，國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)“一強三優(yōu)”現(xiàn)代公司的戰(zhàn)略目標。丹東供電公司電能量計量工作緊緊圍繞這一發(fā)展目標，按照“三集五大”方針為指導(dǎo)，積極推進發(fā)展方式和管理方式的轉(zhuǎn)變，提升電量整體管理水平。丹東供電公司現(xiàn)有的電能量采集系統(tǒng)是作為非實時自動化系統(tǒng)進行規(guī)劃建設(shè)的，以實現(xiàn)月度電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計作為設(shè)計目標。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了其采集、計算的實時性和可靠性難以滿足現(xiàn)有精細化管理的要求。在當前電網(wǎng)發(fā)展的形勢下，迫切需要對現(xiàn)有電能量采集系統(tǒng)進行全新設(shè)計與開發(fā)，全面滿足丹東電網(wǎng)電能量采集與應(yīng)用需求，保證電量數(shù)據(jù)的實時性、準確性和全面性。

1 系統(tǒng)設(shè)計目標

建設(shè)一套電能量采集與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)覆蓋全市范圍內(nèi)發(fā) (購)、供、售等主要環(huán)節(jié)的關(guān)口電能信息的統(tǒng)一 (統(tǒng)一口徑、統(tǒng)一時間)管理與應(yīng)用平臺，達到關(guān)口計量管理工作規(guī)范化、信息化，并最終取代人工抄表，進而實現(xiàn)電力市場電量貿(mào)易結(jié)算等業(yè)務(wù)的全過程信息化、線損管理的精益化與實時分析等。實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源在公司范圍內(nèi)完全共享，并為經(jīng)濟分析決策提供技術(shù)支撐。電能采集與管理平臺在滿足智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺功能規(guī)范的基礎(chǔ)上，進一步拓展采集范圍，實現(xiàn)省地電能量采集、管理與應(yīng)用的一體化。系統(tǒng)與智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺在體系架構(gòu)(SOA)［1］和消息機制等系統(tǒng)設(shè)計上保持一致，實現(xiàn)與智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺的無縫集成。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

綜合系統(tǒng)的設(shè)計目標，從創(chuàng)新性、實用性、技術(shù)先進性、可擴展性和可靠性等角度考慮，將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)有機結(jié)合，采用分層軟件體系結(jié)構(gòu)，面向?qū)ο蟮姆植际皆O(shè)計和中間件技術(shù)，對眾多計量點的數(shù)據(jù)進行自動采集、傳輸、統(tǒng)計和分析，建立跨硬件平臺、跨操作系統(tǒng)、高性能、標準化開放系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)由電能量管理系統(tǒng)主站、電能量采集終端和電子式電能表3個部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)采用雙網(wǎng)冗余分布結(jié)構(gòu)，重要節(jié)點進行了雙機或多機備份設(shè)計，保證了系統(tǒng)實時不間斷運行的要求，提高了可靠性。

為適應(yīng)電力調(diào)度系統(tǒng)的高可靠性要求，系統(tǒng)的主服務(wù)器和其它有特殊硬件要求的關(guān)鍵設(shè)備，如前置通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、終端服務(wù)器等，可設(shè)計為雙倍冗余結(jié)構(gòu)，在故障情況下可以自動切換。

為進一步確保數(shù)據(jù)通信的可靠性，系統(tǒng)可采用雙重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為100 MB、1 000 MB自適應(yīng)。雙網(wǎng)同時工作，可實現(xiàn)自動切換并可均衡網(wǎng)絡(luò)負荷，單一網(wǎng)絡(luò)故障不影響整個系統(tǒng)的正常工作。系統(tǒng)配置2組100/1 000 MB交換機，每個節(jié)點配置2塊100/1 000 MB自適應(yīng)網(wǎng)卡。系統(tǒng)配置中可以將2個前置通信服務(wù)器的第3塊網(wǎng)卡連接建立心跳線，以支持負載均衡。

2.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用分層軟件體系結(jié)構(gòu)［2］，面向?qū)ο蟮姆植际皆O(shè)計和中間件技術(shù)，將C/S與B/S的開發(fā)模式相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，使得系統(tǒng)運行高效、易用。

a． C/S結(jié)構(gòu)

采用3層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)下，應(yīng)用程序主要放在客戶機上，服務(wù)器端僅放置后臺數(shù)據(jù)庫，中間業(yè)務(wù)邏輯層包含了大量的供客戶端程序調(diào)用的業(yè)務(wù)邏輯規(guī)則，以幫助其完成業(yè)務(wù)操作，由它負責與數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器層主要提供對數(shù)據(jù)庫進行各種操作的方法。

b． B/S結(jié)構(gòu)

在B/S結(jié)構(gòu)中，客戶端不需要開發(fā)任何用戶界面而統(tǒng)一采用如Netscape和IE一類的瀏覽器。瀏覽器以超文本形式向Web服務(wù)器提出訪問數(shù)據(jù)庫的要求，Web服務(wù)器接受客戶端請求后，將請求轉(zhuǎn)換為SQL語言，并交給數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器得到請求后進行數(shù)據(jù)處理，然后將處理結(jié)果返回給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器再一次將得到的所有結(jié)果進行轉(zhuǎn)化，變成HTML文檔形式，轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端瀏覽器并以Web頁面形式顯示出來。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 軟總線技術(shù)

提供構(gòu)筑在TCP/IP通信協(xié)議基礎(chǔ)上的整套系統(tǒng)內(nèi)跨平臺通信解決方案，實現(xiàn)按名字定位的網(wǎng)絡(luò)透明通信及屏蔽底層的具體通信細節(jié)。同時提供用戶管理機制，為上層模塊的開發(fā)提供更多的方便。

平臺針對傳輸數(shù)據(jù)的不同特點，提供了兩種數(shù)據(jù)總線標準，即消息總線和服務(wù)總線。

a． 消息總線是基于事件的消息總線，支持UDP和TCP兩種實現(xiàn)方式［3］，它的最大特點是快速，特別適合實時性數(shù)據(jù)的傳輸。

b． 服務(wù)總線是SOA架構(gòu)的基礎(chǔ)，遵循ESB相關(guān)標準和原理，支撐起全系統(tǒng)各應(yīng)用間的數(shù)據(jù)傳輸。

除了基本的傳輸功能外，消息總線和服務(wù)總線還提供了多種可定制的數(shù)據(jù)緩存機制、數(shù)據(jù)重傳機制，以滿足不同類型數(shù)據(jù)和應(yīng)用的不同性能要求。

3.2 接口適配器技術(shù)

在數(shù)據(jù)訪問、協(xié)議通信、層次服務(wù)接口等關(guān)鍵點，廣泛采用中間件技術(shù)和適配器設(shè)計模式相結(jié)合的方法，實現(xiàn)系統(tǒng)對不同數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、不同的廠家通信規(guī)約的適應(yīng)能力和擴展能力，從而使產(chǎn)品的擴展能力和工程實施能力處于領(lǐng)先地位，更好地滿足用戶的要求。

3.3 元功能模型技術(shù)

對系統(tǒng)技術(shù)功能和業(yè)務(wù)功能進行了抽象和分層，一個新應(yīng)用的實現(xiàn)和實施，不必重新開始開發(fā)，而是通過元功能進行組合實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)功能和流程，極大地提高軟件的開發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3.4 跨越安全分區(qū)的分布式工作流

工作流引擎良好地支持分布式的工作流應(yīng)用。同一引擎及不同引擎情況下的上下級調(diào)度流程互聯(lián)均有成熟應(yīng)用，保證流程在跨安全區(qū)的廣域范圍內(nèi)可靠流轉(zhuǎn)。

對于流程所涉及到的表單數(shù)據(jù) (業(yè)務(wù)數(shù)據(jù))，對每一種流程生成統(tǒng)一格式的E語言文件，并通過ftp機制進行傳輸。

在傳輸?shù)膬蓚?cè) (如省調(diào)OMS和地調(diào)OMS端)架設(shè)web服務(wù)以解析E語言內(nèi)容，文件傳輸?shù)恼_性和及時性由傳輸端保證 (在流程開發(fā)中，傳輸端在TIMEOUT之內(nèi)檢測文件是否正確傳輸)，驗證文件傳輸正確后，調(diào)用對端的E語言解析web服務(wù)。

文件傳輸需要在各個端點之間進行互相調(diào)用，規(guī)范建議采用標準的ftp規(guī)約，不建議采用任何自定義的文件傳輸機制。

流程數(shù)據(jù)交換在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的每一次變動都要進行觸發(fā)，以保證兩端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的一致性。

4 系統(tǒng)功能

4.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)可采用定時和隨機召喚2種方式批量采集計費終端的數(shù)據(jù)。定時召喚周期 (1 min～24 h)可調(diào)，采集數(shù)據(jù)存儲間隔 (1 min～24 h)可調(diào)。當主站與某個采集終端通信中斷，恢復(fù)后主站能自動地向該采集終端獲取中斷期間的分時電量數(shù)據(jù)，如有異常則給予提示，以確保電量數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

a． 系統(tǒng)支持多前置采集服務(wù)器并行工作，自動負載均衡。

b． 系統(tǒng)支持多種采集規(guī)約，如:沈陽計算所(D2000H)、北京煜邦 (EDAD2001C)、東方電子(CHL064)及浙江創(chuàng)維等。

c． 系統(tǒng)可根據(jù)需要采集多種電能數(shù)據(jù)，如:電量、需量、瞬時量及單點信息等。

d． 系統(tǒng)支持主備通道，提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。

e． 系統(tǒng)支持多種通信媒體:網(wǎng)絡(luò)、撥號、專線及GPRS等。

4.2 數(shù)據(jù)處理加工

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種時段、不同費率電能量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析及自動結(jié)算。具有按用戶規(guī)定的不同時段、不同區(qū)域、不同類別分別統(tǒng)計各種計算方式的電量功能。且所有的統(tǒng)計、計算分析在后臺定時自動完成 (周期可調(diào))。

具有按規(guī)定的不同時段、不同區(qū)域、不同類別分別累計電量功能，提供定義每日時段劃分個數(shù)，以及各時段的起止時刻。旁路替代電量自動計入所替代設(shè)備電量。系統(tǒng)在更換電表等設(shè)備后，可自動或人工進行統(tǒng)計計算，以保證數(shù)據(jù)統(tǒng)計的連續(xù)性。提供運算工具，用戶可自行定義運算公式，可方便地生成各種統(tǒng)計模型，具有較強的靈活性和方便性。

4.3 網(wǎng)損、線損管理

對用戶管轄范圍內(nèi)的電網(wǎng)500 kV、220 kV及66 kV輸電線路、主變、母線等各種線損對象損耗進行統(tǒng)計分析、管理。系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)包括每小時網(wǎng)損、每日網(wǎng)損、每月網(wǎng)損，以及各時期的累計值和對比值。系統(tǒng)包括自動計算和手動計算兩項功能，定時將從電量系統(tǒng)所取的數(shù)據(jù)進行自動計算，當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)個別數(shù)據(jù)有誤時，可對數(shù)據(jù)進行修改并作相關(guān)的手動計算。

4.4 監(jiān)視與告警

具有在線診斷和監(jiān)視功能，既可監(jiān)視主站系統(tǒng)自身的運行狀況，又可監(jiān)視廠站設(shè)備、通道的運行狀況。對于異常情況及時告警并記錄到數(shù)據(jù)庫中。對電能表運行狀況、采集終端也在線監(jiān)測并在其出現(xiàn)異常時告警。

4.5 數(shù)據(jù)交換

支持不同或不同級別電力企業(yè)電量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)共享，上、下級電量采集與管理系統(tǒng)交換以下數(shù)據(jù):電網(wǎng)購電計劃曲線、供電計劃曲線、原始電量數(shù)據(jù)、各種電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)、電價電費等。

提供兩種級別的數(shù)據(jù)共享:一個是對等級別的縱向傳輸方式，即兩個電量系統(tǒng)需要互通數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的流向是雙向的，需要分別在兩個系統(tǒng)安裝節(jié)點機;另一個是單向的仿真終端方式，只需要在提供數(shù)據(jù)的一側(cè)安裝節(jié)點機來仿真實際的采集終端即可，而對另一側(cè)的電量系統(tǒng)不需要做任何額外配置。通過電網(wǎng)電能量計量系統(tǒng)的擴展功能，可將不同的電量系統(tǒng)聯(lián)結(jié)起來，形成更大規(guī)模的電量系統(tǒng)。

4.6 數(shù)據(jù)發(fā)布

發(fā)布的信息包括原始數(shù)據(jù)、派生數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)、基于統(tǒng)計分析生成的各種電能量、線損分析報表、統(tǒng)計圖形 (曲線、棒圖、餅圖)、網(wǎng)頁以及各種事件記錄日志，用戶可通過瀏覽器查閱或打印網(wǎng)頁及報表，并提供電參數(shù)據(jù)下載等功能。

4.7 系統(tǒng)管理和應(yīng)用

系統(tǒng)采用統(tǒng)一的身份認證:通過使用SSO(單點登錄技術(shù))，能夠使用戶一次登錄，即可訪問系統(tǒng)的全部功能。在不同的應(yīng)用、不同的二級單位系統(tǒng)之間切換時，都無須再進行二次登錄。同時通過用戶辨識、安全策略 (用戶權(quán)限)和存取訪問控制以及一些輔助功能，提供了管理系統(tǒng)功能、定義及管理菜單的系統(tǒng)功能管理模塊，提供了對系統(tǒng)功能使用范圍進行定義、管理的系統(tǒng)權(quán)限管理。

a． 基于CIM［4］進行數(shù)據(jù)的錄入、參數(shù)的設(shè)置以及系統(tǒng)維護，系統(tǒng)自動保持全網(wǎng)數(shù)據(jù)的一致性。

b． 支持多種數(shù)據(jù)查詢方式:表格、曲線、棒圖等。

c． 提供多種數(shù)據(jù)插補算法。

d． 系統(tǒng)提供了基于角色的訪問控制，易于在終端用戶信息訪問和數(shù)據(jù)安全性之間做出平衡。

4.8 省地一體化流程管理

系統(tǒng)采用了先進的SOA體系架構(gòu)和標準規(guī)范，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)層面的構(gòu)件化模型，技術(shù)層面的標準化架構(gòu)和管理層面的規(guī)范化框架，建立了基于CIM模型的電能量管理平臺，實現(xiàn)了基于電網(wǎng)模型的網(wǎng)損統(tǒng)計和分析，基于工作流程的業(yè)務(wù)管理。實現(xiàn)了與省公司電量系統(tǒng)的業(yè)務(wù)互聯(lián);在內(nèi)部業(yè)務(wù)管理上，引入工作流程管理，實現(xiàn)管理業(yè)務(wù)的標準化、規(guī)范化、流程化。

4.9 終端數(shù)據(jù)處理

由于電量采集終端與電能表間采用RS－485/CS接口進行數(shù)據(jù)通信，同時，由于部分電能表通信模塊運行不夠穩(wěn)定，通常會造成采集終端與電能表通信失敗或數(shù)據(jù)異常，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正確采集，因此，當終端與電能表通信失敗后，終端會自動記錄失敗事件，并在系統(tǒng)空閑時對采集失敗的電能表重新進行數(shù)據(jù)采集;當數(shù)據(jù)從電能表中采集上來后，系統(tǒng)會自動同前3個采集時刻的數(shù)據(jù)進行比較，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常則重新進行數(shù)據(jù)采集，如果仍然異常則使用前一時刻進行數(shù)據(jù)替代，以保證電能表數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

5 系統(tǒng)特性

5.1 先進性

a． 采用分層軟件體系結(jié)構(gòu)，面向?qū)ο蟮姆植际皆O(shè)計和中間件技術(shù)，建立跨硬件平臺、跨操作系統(tǒng)、高性能、標準化開放系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)負載均衡，充分利用系統(tǒng)資源。

b． 采用C/S與B/S相結(jié)合的開發(fā)模式，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，使得系統(tǒng)運行高效、易用。

c． 系統(tǒng)軟、硬件配置方案可裁剪、可擴充、可跨平臺。

d． 支持IEC－61970標準。

5.2 高效性

a． 系統(tǒng)可在1 min內(nèi)完成電能數(shù)據(jù)采集及存儲 (電能表數(shù)≥5 000臺)

b． 系統(tǒng)一次采集成功率≥99%(電能表通信異常、網(wǎng)絡(luò)抖動等造成采集失敗)。

c． 電量準確率≥99%。

d． 畫面調(diào)用響應(yīng)時間＜3 s。

5.3 穩(wěn)定性

a． 系統(tǒng)支持負載均衡及心跳線機制，當某臺服務(wù)器發(fā)生故障或需要維護時，系統(tǒng)可自動/人工進行服務(wù)器切換。

b． 數(shù)據(jù)存儲支持文件及數(shù)據(jù)庫存儲，當數(shù)據(jù)庫發(fā)生異常時系統(tǒng)自動將數(shù)據(jù)存儲到文件系統(tǒng)，并在數(shù)據(jù)庫恢復(fù)時第一時間將存儲在文件系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。

c． 系統(tǒng)自帶軟件看門狗，當某個進程發(fā)生異常時，看門狗可以自動將該進程重新啟動并發(fā)出報警信息。

5.4 實用性

a． 系統(tǒng)具有豐富的監(jiān)控、報警功能，可以以電話語音、手機短信及E－Mail等方式進行報警，以方便運行維護人員及時掌握系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

b． 系統(tǒng)具有全圖形、全漢化的顯示和打印功能，人機界面良好，采用多窗口技術(shù)和交互式操作手段，畫面調(diào)用方便、快捷。

c． 具有多種人性化功能，如:自動的廠站設(shè)備添加、設(shè)備檔案的存檔、電能表更換及電能量數(shù)據(jù)采集終端遠程管理等。

d． 豐富的設(shè)備信息管理功能，用戶可以按區(qū)域、時間段及類別等統(tǒng)計設(shè)備的運行狀態(tài)。

5.5 可擴展性

a． 系統(tǒng)軟硬件具備良好的擴充能力，支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的進一步擴充。根據(jù)用戶應(yīng)用系統(tǒng)的實際需要和投資狀況，可靈活選擇系統(tǒng)的軟、硬件配置。系統(tǒng)的規(guī)?？扇我膺x擇，從單臺機器到多臺機器、單種機型到混合機型進行配置。

b． 系統(tǒng)支持多種采集規(guī)約。

c． 系統(tǒng)可根據(jù)需要采集多種電能數(shù)據(jù)，如:電量、需量、瞬時量及單點信息等。

d． 系統(tǒng)的應(yīng)用軟件采用模塊組裝式結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)的生命周期中，可方便地對應(yīng)用模塊進行擴充，便于系統(tǒng)的二次開發(fā)。

5.6 安全性

a． 系統(tǒng)硬件可采用雙機、雙網(wǎng)、雙電源、雙通道等冗余設(shè)計結(jié)構(gòu)，發(fā)生故障時可自動切換，保證系統(tǒng)不間斷可靠運行。

b． 操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫滿足C2級安全性要求［5］，并配合系統(tǒng)設(shè)計不同節(jié)點不同操作權(quán)限、不同用戶不同操作權(quán)限，可保證系統(tǒng)滿足嚴格的安全要求。

c． 系統(tǒng)的互聯(lián)，可以采用國家經(jīng)貿(mào)委推薦的物理隔離裝置，也可采用多串口通信，同時保證系統(tǒng)的實時性。必要的情況下可以增加防火墻等設(shè)備。

6 結(jié)束語

電能量采集與管理系統(tǒng)是一個相對復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)的各個環(huán)節(jié)，并且與企業(yè)的管理模式、電力市場的運行方式緊密聯(lián)系。建設(shè)一個穩(wěn)定、可靠、實用的電能量管理系統(tǒng)，需要企業(yè)、科研部門和生產(chǎn)廠家密切合作，逐步解決系統(tǒng)建設(shè)中出現(xiàn)的問題，完善電能量管理系統(tǒng)的各項性能和指標，滿足我國電力市場運行規(guī)范的要求。丹東電網(wǎng)電能量采集與管理系統(tǒng)的建立實現(xiàn)了一種面向主題的、穩(wěn)定的、反映歷史變化的數(shù)據(jù)集成，為電費結(jié)算和線損分析提供了自動、準確、完整的信息，也為決策分析奠定了基礎(chǔ)。從該系統(tǒng)在丹東供電公司的應(yīng)用效果來看，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)及時準確，管理界面友好、實用，適用于各級電網(wǎng)公司及發(fā)電企業(yè)。

［1］ 王海鵬．執(zhí)行SOA－SOA實踐指南 ［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2009．

［2］ Matthias Felleisen，Robert Bruce Findler． 程 序 設(shè) 計 方 法［M］．北京:人民郵電出版社，2003.

［3］ W．Richard Stevens，Bill Fenner．UNIX Network Programming［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［4］ DL/T 890.301—2004，能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口 (EMS－API)第301篇:公共信息模型 (CIM)基礎(chǔ)［S］．

［5］ 薩師煊．數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念 ［M］．北京:高等教育出版社，2000．