基于GPRS的電力需求側(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張海林 夏傳良

摘 要：分析近期供電企業(yè)用電管理需求，考慮系統(tǒng)通信特點(diǎn)與通信安全性，提出GPRS與APN相結(jié)合的通信方案，并根據(jù)該方案成功開發(fā)了一個電力需求側(cè)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)包括計量監(jiān)測、負(fù)荷控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、信息發(fā)布與參數(shù)配置等功能模塊。其中計量監(jiān)測模塊可以遠(yuǎn)程監(jiān)測電能計量裝置運(yùn)行信息，分析計量故障;負(fù)荷控制模塊可以動態(tài)監(jiān)測客戶負(fù)荷，為電力需求側(cè)管理提供準(zhǔn)確、及時的負(fù)荷數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊可以進(jìn)行線損分析及供電質(zhì)量分析。應(yīng)用結(jié)果表明，電力需求側(cè)管理系統(tǒng)可以幫助管理人員及時、準(zhǔn)確地獲得電表數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)表計故障與竊電行為，提高用戶用電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電力需求側(cè)管理;GPRS;防竊電;表計故障

0 引言

當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中面臨著電力短缺問題。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，2018年中國全社會用電量為6.8萬億千瓦時，各省都有數(shù)百萬千瓦時的電力缺口。要解決這一問題，需要努力增加電力供給并加強(qiáng)用電需求側(cè)管理，其中增加電力供給受基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等因素影響，所以加強(qiáng)用電需求側(cè)管理成為解決電力供給緊張的有效手段。

文獻(xiàn)[1]分析電力需求側(cè)管理的有效措施，提出在電力需求側(cè)管理中引入錯峰用電的實(shí)施步驟，包括制訂合理的錯峰用電方案、布置相關(guān)錯峰用電預(yù)警機(jī)制、采取多種方式進(jìn)行錯峰用電等;文獻(xiàn)[2]提出一個Roth-Erev算法以表征客戶參與的不確定性，并測量出需求響應(yīng)容量，基于需求響應(yīng)的不確定性表征與調(diào)度模型，擴(kuò)展了傳統(tǒng)的蒙特卡洛模擬評估程序，仿真結(jié)果表明，引入需求響應(yīng)可以提高整個電力系統(tǒng)發(fā)電電量的充足性;文獻(xiàn)[3]分析工業(yè)生產(chǎn)中高電力負(fù)荷降低的問題，提出一種新的本地電力利用方式，但需要大容量電力系統(tǒng)的電力支持;文獻(xiàn)[4]對多個自動化電力通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)查，總結(jié)組網(wǎng)現(xiàn)狀，并介紹電力系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，分析不同無線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)，得到了合適的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案;文獻(xiàn)[5]闡述電力需求側(cè)中客戶響應(yīng)度的概念，分析合肥供電公司通過技術(shù)手段提高需求側(cè)管理水平和客戶響應(yīng)度，可以為電力需求側(cè)的精細(xì)化管理提供參考依據(jù);文獻(xiàn)[6]提出一種新的基于機(jī)會約束的隨機(jī)模型，用來管理目前的電力市場，并提出負(fù)荷損失概率指標(biāo)，在模型優(yōu)化過程中，將隨機(jī)模型轉(zhuǎn)化為利用隨機(jī)變量的概率分布等效確定性模型，用來計算電力管理中的傳輸過程損失;文獻(xiàn)[7]依托山東省電能管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)支撐平臺建設(shè)了山東省電力需求側(cè)管理系統(tǒng)，可以分析全省用電概況，使得有序用電管理更加精確;文獻(xiàn)[8]分析在隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)約束市場框架下一套全面的電力恢復(fù)計劃，研究需求響應(yīng)在計劃中的應(yīng)用潛力;文獻(xiàn)[9]分析諧波含量高的電力客戶用電現(xiàn)狀及出現(xiàn)的問題，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了電力負(fù)荷快速采集系統(tǒng)，可以對企業(yè)設(shè)備的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析，實(shí)施需求側(cè)管理;文獻(xiàn)[10]認(rèn)為新形勢下電力需求側(cè)管理工作的內(nèi)涵更加豐富，對有序用電管理工作提出了新要求，各企業(yè)部門需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，共同推動電力需求側(cè)管理工作的開展;文獻(xiàn)[11]提出一種可靠且可擴(kuò)展的智能電網(wǎng)需求側(cè)管理方法;文獻(xiàn)[12]將互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中的目標(biāo)導(dǎo)向原則引入電力需求側(cè)管理領(lǐng)域，提出并實(shí)現(xiàn)了面向社會用戶和政府用戶的用電分析與有序用電平臺;文獻(xiàn)[13]認(rèn)為需求響應(yīng)計劃可以為高需求、高排放、用電可靠性、輸電擁堵等許多電力系統(tǒng)問題提供解決方案，是電力需求側(cè)管理的重要組成部分;文獻(xiàn)[14]認(rèn)為電力需求側(cè)管理中的需求響應(yīng)是一種市場前景廣闊的技術(shù)，可以應(yīng)對智能電網(wǎng)中日益復(fù)雜的有序用電管理狀況;文獻(xiàn)[15]提出電力需求側(cè)管理是電力體制改革的重要組成部分，通過新形勢下電力需求側(cè)管理的組織框架、合作伙伴網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)金流等角度入手，研究未來電力需求側(cè)管理發(fā)展模式;文獻(xiàn)[16]提出一種實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電力需求側(cè)管理的精確多目標(biāo)方法;文獻(xiàn)[17]介紹一種使用家庭局域網(wǎng)系統(tǒng)降低峰值負(fù)荷的方法;文獻(xiàn)[18]分析電力經(jīng)濟(jì)管理中管理人員素質(zhì)不高、管理模式陳舊、售電定價不合理、區(qū)域電力供需矛盾等問題，并提出針對性對策;文獻(xiàn)[19]分析我國電力需求響應(yīng)評估現(xiàn)狀，建立適合黃浦區(qū)的需求響應(yīng)評估模型;文獻(xiàn)[20]探討電力需求側(cè)管理的作用及電力需求響應(yīng)方案實(shí)施;文獻(xiàn)[21]認(rèn)為在新形勢下，電力需求側(cè)管理的創(chuàng)新思路應(yīng)該是在完善電價和用戶獎勵政策的同時推出約束性政策，以推動企業(yè)積極參與電力需求側(cè)管理。

基于上述分析，本文提出面向供電企業(yè)的電力需求側(cè)管理方案，并綜合實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、計量監(jiān)測、負(fù)荷控制、電力數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、信息發(fā)布、供電質(zhì)量分析、線損分析、防竊電、限電管理與報警管理等功能。

1 需求分析

電力需求側(cè)管理系統(tǒng)包括計算機(jī)主站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、負(fù)荷管理終端等多個組成部分。本系統(tǒng)為供電企業(yè)提供用電分析、防竊電等用電需求側(cè)管理的全面解決方案。

根據(jù)供電企業(yè)實(shí)際需求，該系統(tǒng)規(guī)劃了以下功能：

（1）計量裝置監(jiān)測。遠(yuǎn)程監(jiān)測電能計量裝置運(yùn)行信息，分析計量故障、竊電等信息，及時發(fā)現(xiàn)客戶用電異常。

（2）負(fù)荷控制。動態(tài)監(jiān)測用戶負(fù)荷，為用電政策制定與執(zhí)行提供準(zhǔn)確、及時的負(fù)荷數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要通知客戶并進(jìn)行自動拉閘控制，同時根據(jù)負(fù)荷情況采取消峰、填谷和移峰填谷等負(fù)荷控制手段。

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。包括線損分析與供電質(zhì)量分析，對供電可靠性、電壓合格率、諧波等進(jìn)行監(jiān)測分析，實(shí)現(xiàn)對各大客戶計量點(diǎn)分時電量的統(tǒng)計、用電分析等。

（4）參數(shù)設(shè)置。設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行所需的各種參數(shù)。

（5）信息發(fā)布。發(fā)布系統(tǒng)相關(guān)管理信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 通信設(shè)計

2.1.1 通信特點(diǎn)分析

電力需求側(cè)管理系統(tǒng)主站計算機(jī)系統(tǒng)和遠(yuǎn)方采集終端之間的通信有下列特點(diǎn)：①通信間歇性。正常情況下，可能一天只通信一次或幾次，也可能幾天才通信一次，所以架設(shè)專門的光纖通信或其它有線通信通道都是不經(jīng)濟(jì)的;②突發(fā)通信。用電用戶有異常用電行為，或者發(fā)生危及用電安全的情況時，需要立即通知有關(guān)人員，所以用電管理系統(tǒng)的通信具有突發(fā)性;③點(diǎn)多面廣。一個供電企業(yè)對應(yīng)成千上萬個用電用戶，即便是企事業(yè)單位一級的大用戶也往往達(dá)到幾百甚至上千個，架設(shè)專門的光纖通信或其它有線通信通道也是不可能的;④實(shí)時監(jiān)視。為了實(shí)時監(jiān)控用戶用電行為，采集終端能向主站系統(tǒng)提供實(shí)時數(shù)據(jù)。

針對以上特點(diǎn)，對電力需求側(cè)管理系統(tǒng)通信提出以下要求：

（1）效能費(fèi)用比。在追求通信技術(shù)先進(jìn)性的同時，還應(yīng)考慮通信系統(tǒng)費(fèi)用，選擇費(fèi)用與功能及技術(shù)先進(jìn)性的最佳組合，追求最佳效能費(fèi)用比。而且在計算通信系統(tǒng)費(fèi)用時，除初期投資外，還應(yīng)考慮將來的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用。

（2）可擴(kuò)充性。通信系統(tǒng)在能夠滿足目前需要的前提下，還應(yīng)考慮將來增長的業(yè)務(wù)需要，因此規(guī)劃時應(yīng)考慮足夠的容量以及系統(tǒng)開放性要求。

（3）通信實(shí)時性。實(shí)時監(jiān)控功能要求通信系統(tǒng)滿足實(shí)時性要求，因此選擇合適的通信帶寬以及通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)方式是相當(dāng)重要的，如手機(jī)短消息的方式就不能滿足通信實(shí)時性要求。

（4）通信能力。除數(shù)據(jù)上行外，還有控制命令下裝，因此通信系統(tǒng)需要具有雙向通信能力，以及半雙工或全雙工能力。

（5）使用與維護(hù)的便捷性。

基于以上因素選用GPRS通信，能發(fā)揮其在系統(tǒng)中的作用。GPRS具有高速傳輸、永久在線、按量計費(fèi)及容易切換等優(yōu)點(diǎn)，可以全面提升移動數(shù)據(jù)通信質(zhì)量。

2.1.2 通信方案分析

（1）利用Internet公網(wǎng)的通信組織方案。針對大客戶地理位置分散、采集點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量少、實(shí)時性要求不高的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集通信網(wǎng)絡(luò)采用成熟的GPRS無線公網(wǎng)加以實(shí)現(xiàn)。利用Internet公網(wǎng)的通信組織方案，供電公司需要專門申請對外固定IP地址，整個連接經(jīng)過Internet。

該通信組織方案不需要與GPRS無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商協(xié)商，實(shí)現(xiàn)起來較為簡單，但這種通信組織方案通過Internet公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，通信的私密性、安全性、可靠性得不到保障。在系統(tǒng)試驗(yàn)階段可以采用這種通信組織方案。

（2）采用APN專線方式的通信組織方案。從系統(tǒng)安全性出發(fā)，應(yīng)以APN（Access Point Name）專線方式與無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商連接。無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商為供電公司提供專門的APN接入點(diǎn)，各監(jiān)控點(diǎn)的GPRS終端通過該APN接入點(diǎn)上網(wǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商通過專用路由器與供電公司網(wǎng)絡(luò)相連，由無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商協(xié)助供電公司在GPRS上建立VPN，并設(shè)置從GGSN到供電公司的GRE隧道。這種組網(wǎng)方式的優(yōu)勢為：終端與主站計算機(jī)可以看作一個內(nèi)部局域網(wǎng)系統(tǒng)，保證從用戶端到GGSN的服務(wù)質(zhì)量。由于整個連接過程沒有經(jīng)過Internet公網(wǎng)，所以通信是絕對安全的，這也是本系統(tǒng)采用的通信方案。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)上述需求分析結(jié)果，為本系統(tǒng)設(shè)計功能模塊如圖1所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺

電力需求側(cè)管理系統(tǒng)采用Visual studio開發(fā)工具、SQL Server數(shù)據(jù)庫，在Windows 7平臺上進(jìn)行開發(fā)。電力需求側(cè)管理系統(tǒng)硬件配置如下：

（1）數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用服務(wù)器：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲。

（2）通信服務(wù)器：負(fù)責(zé)與終端通信，應(yīng)選用高檔微機(jī)服務(wù)器。

（3）Web 服務(wù)器：負(fù)責(zé)對外發(fā)布大客戶用電信息，如電量信息、負(fù)荷信息、錯峰信息等。

（4）存儲備份硬件：電力需求側(cè)管理系統(tǒng)接入點(diǎn)非常多，且數(shù)據(jù)量大，隨著系統(tǒng)的投入運(yùn)行，數(shù)據(jù)量增長非?？欤虼吮仨毧紤]數(shù)據(jù)的存儲與備份系統(tǒng)。

（5）其它硬件：主要包括應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、PC 工作站、打印機(jī)、UPS 電源等。

3.2 系統(tǒng)編碼實(shí)現(xiàn)

從邏輯上看，電力需求側(cè)管理系統(tǒng)由5部分組成：客戶機(jī)、服務(wù)器、前置機(jī)、短消息服務(wù)器和現(xiàn)場終端。這5部分之間的通信方式及編碼時采用的Socket端口如圖2所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

電力需求側(cè)管理系統(tǒng)已在某地級市供電公司投入運(yùn)行，該系統(tǒng)已成功實(shí)現(xiàn)用電參數(shù)監(jiān)測、防竊電分析、負(fù)荷管理等功能。系統(tǒng)具有良好的開放性，可適應(yīng)電力部門不同管理模式及未來業(yè)務(wù)發(fā)展需要，并能方便地構(gòu)成以供電所為基礎(chǔ)的集散式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，或以供電公司為中心的輻射式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)能夠較好地適應(yīng)更大規(guī)模監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)需求，滿足縣—市—省各層次監(jiān)控體系要求，且可根據(jù)供電部門業(yè)務(wù)發(fā)展要求開發(fā)各種增值服務(wù)系統(tǒng)。

4.1 計量監(jiān)測

電力需求側(cè)管理系統(tǒng)的負(fù)荷管理可以動態(tài)監(jiān)測用戶負(fù)荷，為用電管理提供準(zhǔn)確、及時的負(fù)荷數(shù)據(jù)，還可查看用戶的日負(fù)荷、月負(fù)荷等數(shù)據(jù)。

4.2 負(fù)荷控制

負(fù)荷控制可以表格及曲線的方式進(jìn)行對比顯示，同時給出了通過功率數(shù)據(jù)得到的積分電量和通過表碼計算得到的日電量數(shù)據(jù)。日電量數(shù)據(jù)包括峰、谷、平、尖各時段電量，還給出了平均負(fù)荷率，以及與前一天相比的電量突變率。這些數(shù)據(jù)為分析客戶用電情況提供了依據(jù)，可視負(fù)荷情況進(jìn)行消峰、填谷、移峰填谷等操作，如圖3所示。

4.3 線損分析

電力需求側(cè)管理系統(tǒng)的線損分析模塊可實(shí)現(xiàn)對實(shí)時或設(shè)定時間段輸入電量、輸出電量、損耗電量和線損率等線損指標(biāo)的統(tǒng)計分析，以及超閾值報警等功能。

5 結(jié)語

本文開發(fā)了一個基于GPRS的電力需求側(cè)管理系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)功能分析、方案設(shè)計、編碼實(shí)現(xiàn)及后續(xù)應(yīng)用過程，從而對電力需求側(cè)管理中的線損分析、表計故障、防竊電、諧波監(jiān)測等問題有了更深入的認(rèn)識。但該系統(tǒng)在電力需求響應(yīng)方面尚存在不足，僅實(shí)現(xiàn)了消峰、填谷和移峰填谷等電力負(fù)荷控制方式，下一步將繼續(xù)完善電力需求響應(yīng)中的需求側(cè)競價、緊急需求響應(yīng)等功能，實(shí)現(xiàn)基于需求響應(yīng)的電力需求側(cè)管理。

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（責(zé)任編輯：黃 健）