網(wǎng)絡計量系統(tǒng)設計與應用

唐宇 TANG Yu；劉志宏 LIU Zhi-hong；胡冰 HU Bing；王曉換 WANG Xiao-huan；杜樹帥 DU Shu-shuai；項立衛(wèi) XIANG Li-wei

（河南許繼儀表有限公司，許昌461000）

0 引言

近些年來，隨著工程建設行業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構步伐的加快，施工企業(yè)對信息化建設的需求不斷加強，信息技術及信息資源的應用已成為與材料和能源同等重要的戰(zhàn)略資源。同時，世界各國都在為節(jié)能減排做貢獻。節(jié)能減排也是我國的基本國策。

網(wǎng)絡計量學是隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展而涌現(xiàn)的一個新的研究領域，在網(wǎng)絡環(huán)境下網(wǎng)絡計量學的產(chǎn)生是必然的，從網(wǎng)上獲取信息成為一種必然。

通過網(wǎng)絡計量，將用電信息采集網(wǎng)絡延伸到戶內(nèi)設備上，大大擴展了用電信息采集范圍。國家電網(wǎng)公司提出用電信息采集系統(tǒng)“全覆蓋、全采集、全費控”的建設目標，基于網(wǎng)絡計量的高級量測系統(tǒng)賦予“全覆蓋、全采集”以嶄新的內(nèi)涵，不僅采集用戶總用電量，而且采集每個電器設備的用電量；不僅覆蓋全部電力用戶，而且覆蓋用戶所有用電設備。通過網(wǎng)絡計量裝置和高級量測系統(tǒng)，為實現(xiàn)需求響應與互動用電提供了技術支撐。

網(wǎng)絡計量的規(guī)劃方案，具有技術前沿、技術研究和市場前瞻性，具備一定科研性質(zhì)。

參照的主要標準有《DL/T 698 2010電能信息采集與管理系統(tǒng)標準》、《Q/GDW 1373-2013電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范》、《Q/GDW 1379.4-2013電力用戶用電信息采集系統(tǒng)檢驗技術規(guī)范》。

1 應用意義

網(wǎng)絡計量可應用于采集到原始采集計算值，可以主動地上傳網(wǎng)絡設備。

它是一種基于網(wǎng)絡計算的新型計量方法，在這種新型計量中，量測與計算分離，計算功能從分布于各用電節(jié)點的計量裝置集中到網(wǎng)絡，即采用“本地采樣、遠程計算”的方式進行電能計量。

網(wǎng)絡計量的輸入數(shù)據(jù)是計量對象的電流和電壓序列。量測終端（去掉了計算功能的計量裝置）將本地采樣的電壓電流序列發(fā)送到遠程計算中心（計量主站），由計算中心進行集中計算和處理，生成各計量對象的計量數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡計量的計量對象可以是用戶節(jié)點（如居民用戶、工商用戶等），也可以是單個設備節(jié)點（如空調(diào)、冰箱等），不受物理空間的局限；電能計算的時間尺度正如電能表本地計算那樣，可以是日、時、分、秒，也可以是任意時間段。

采用網(wǎng)絡計量，簡化了計量裝置，降低了軟硬件復雜度，提高了可靠性，降低成本，方便維護；同時，網(wǎng)絡計量可以提供更加豐富的用電信息，實現(xiàn)更加智能的用電監(jiān)管。

2 總體架構

圖1為網(wǎng)絡計量系統(tǒng)總體架構，主要由網(wǎng)絡計量設備、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算程序以及外部程序組成。網(wǎng)絡計量設備主要是對用電設備進行采樣計量，主動上傳給計算主站的。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算程序主要功能是對原始采樣數(shù)據(jù)進行計算，得出有效電壓，電流，功率，電量數(shù)據(jù)，并響應數(shù)據(jù)請求。外部程序主要指請求數(shù)據(jù)及對網(wǎng)絡計量設備進行操作的客戶端。網(wǎng)絡計量設備是基礎，提供原始數(shù)據(jù)源；網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算程序是核心，對原始數(shù)據(jù)進行計算。外部程序是展示層，獲取計算后的數(shù)據(jù)。

2.1 主要構成說明

①網(wǎng)絡計量。處理主動上傳網(wǎng)絡計量原始采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存文件中。

數(shù)據(jù)請求

支持客戶端對網(wǎng)絡計算數(shù)據(jù)的請求，計量后臺可以把計算結果轉(zhuǎn)發(fā)給請求客戶端。

②數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)對計量設備的操作。

2.2 關鍵數(shù)據(jù)流說明①網(wǎng)絡計量設備與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算程序數(shù)據(jù)流。網(wǎng)絡計量設備是客戶端，計算程序是服務端，網(wǎng)絡計量設備主動上傳采集數(shù)據(jù)，供后臺計算。②網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算程序與外部程序。外部程序可以連接網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算程序，通過TCP/IP方式獲取計算數(shù)據(jù)，或者發(fā)送操作網(wǎng)絡計量設備的數(shù)據(jù)包。

圖1 系統(tǒng)總體架構

3 詳細設計

傳統(tǒng)的計量是通過智能電表計量芯片直接做計算，數(shù)據(jù)存儲在采集終端里。優(yōu)點是數(shù)據(jù)在本地存儲，只要正常供電，就可以保證采集完整性，缺點是業(yè)務擴展不方便，成本相對較高。采用網(wǎng)絡計量的方式，只要保證數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定傳輸，就可以持續(xù)計算，優(yōu)點是計算方便，降低計算成本，數(shù)據(jù)可以比較容易地擴充。

本系統(tǒng)采用標準C++架構開發(fā)而成，具備如下特征：①可擴展性和易維護性。采用多層架構和相關的設計模式，改變某一層的實現(xiàn)技術，其他層不需改變，并且有利于系統(tǒng)的調(diào)試和測試。②通用性和開發(fā)的高效性。由于本框架的分層結構和統(tǒng)一的各層之間存在接口，開發(fā)團隊可以并行開發(fā)，提高開發(fā)的效率。

網(wǎng)絡計量系統(tǒng)功能劃分如下：

3.1 數(shù)據(jù)計算

由網(wǎng)絡計算中心計算的數(shù)據(jù)項有：

電壓：A相電壓，B相電壓，C相電壓。

電流：A相電流，B相電流，C相電流。

功率數(shù)據(jù)：有功功率（P，A，B，C）、無功功率（Q，A，B，C）、視在功率（總，A，B，C）。

電能數(shù)據(jù)：正向有功總電能（PAP），正向無功總電能（PRP）、反向有功總電能（RAP）、反向無功總電能（RRP）。

各數(shù)據(jù)項計算公式如下：

電壓電流相關計算公式

U（A）=sqrt（∑m2/n），m為采樣的電壓或者電流值，n為采樣值個數(shù)。

舉例說明：假如采樣數(shù)據(jù)為 A 相:U1，I1，U2，I2，U3，I3，U4，I4

U(A)=sqrt((U1*U1+U2*U2+U3*U3+U4*U4)/4)

U(A)=sqrt((I1*I1+I2*I2+I3*I3+I4*I4)/4)

B，C項電壓或者電流同以上算法。

功率相關計算公式：

P（有功功率）=（∑U*I）/n（電壓 * 電流之累加和除以計算的個數(shù)）

Q（無功功率）=電壓*電流偏移四分之1的累加和除以計算的個數(shù)

如果計算出來的P和Q大于等于零，則表示是正向功率，否則就是反向功率。

假如采樣數(shù)據(jù)為 A 相:U1，I1，U2，I2，U3，I3，U4，I4

那么 P（A 相）=（U1*I1+U2*I2+U3*I3+U4*I4）/4

那么 Q（A 相）=（U1*I4+U2*I1+U3*I2+U4*I3）/4

V（視在A）=UA有效*IA有效

P（總）=P（A）+P（B）+P（C）

Q（總）=Q（A）+Q（B）+Q（C）

V（總）=V（A）+V（B）+V（C）

電能相關計算公式

正向有功總電能PAP=P*Δt。其中P為Δt時間內(nèi)的平均正向有功功率（反向公式類似）。

正向無功總電能RAP=Q*Δt。其中Q為Δt時間內(nèi)的平均正向無功功率（反向公式類似）。

采用平均功率乘以時間主要是為防止上傳的數(shù)據(jù)發(fā)生丟包情況，提高計量的精度；或者防止多包發(fā)生的情況。

上述的PAP和RAP是一段時間內(nèi)的電能量，在實際應用中，需要計算總累積電能量，也就是常用的電能表碼（底度），也就是系統(tǒng)運行到當前時間的電能累積量。

在計算累積電量時，實際上需記錄上次的累積量PAP（上）和累積時刻T（上），在每次接收到終端的瞬時電壓、瞬時電流和相角后，先算出P（有功功率），然后再計算出有功總電能。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

轉(zhuǎn)發(fā)客戶端對網(wǎng)絡計量設備的控制命令。

3.3 數(shù)據(jù)請求

響應客戶端對計算數(shù)據(jù)的召測。

4 性能指標

4.1 可用性指標

①保證7×24小時不間斷穩(wěn)定運行；②服務器日常CPU平均負荷小于65%，忙時小于85%；③服務器日常內(nèi)存平均使用率小于60%，最大并發(fā)時小于80%。

4.2 可靠性指標

①系統(tǒng)可用率不小于99.9%；②系統(tǒng)平均故障時間不超過10分鐘。

4.3 響應實時性指標

系統(tǒng)在最大并發(fā)用戶數(shù)條件下,滿足以下響應實時性指標要求：①實時數(shù)據(jù)響應時間≤3秒；②90%頁面切換響應時間≤3秒。

5 應用價值

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場投入使用。總共接入有200塊左右的測量儀，后臺對每塊進行計算電壓、電流、電量等數(shù)據(jù)，并發(fā)送給測量儀進行顯示。同時保存電量，為其它電力應用提供數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)從總體上節(jié)省了大量的人力、物力。普通電表如果每塊按300左右的價格計算的話，那么200塊就需要6000塊的成本；采用網(wǎng)絡計量，硬件成本只有原來的三之一左右，只需要2000左右或者更少的成本，大大節(jié)省了預算開支。此外，網(wǎng)絡計量無需人工抄表，數(shù)據(jù)全部自動上傳到服務器上、保存，其它應用可以直接從服務器上獲取相應數(shù)據(jù)，減少了人力成本。

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