電能計費系統(tǒng)概論

在“多家辦電，國家管網(wǎng)”的總方針指導(dǎo)下，電力系統(tǒng)各方面發(fā)生了深刻的變化，供需矛盾明顯緩和，多元化利益主體的局面已經(jīng)形成。電力公司已經(jīng)從行業(yè)管理部門變?yōu)橐粋€真正的企業(yè)經(jīng)營者。電廠已分解為所轄電廠和上網(wǎng)電廠：一種純粹的經(jīng)濟合同關(guān)系。省電力公司最終將成為電網(wǎng)的經(jīng)營者。

多家辦電的政策，刺激了投資熱情。電力系統(tǒng)由過去的缺電局面慢慢變成相對富余。電力調(diào)度由切負(fù)荷變?yōu)榻档桶l(fā)電機出力或停機，為真正的電網(wǎng)調(diào)度、優(yōu)質(zhì)供電提供了可能性。

利益主體的多元化必然要求公開，公平，公正的電能計量原則。電能計量從來沒有象今天這樣斤斤計較，珠瑙必糾。先是提高PT和電能表的精度，其次是對自動計費系統(tǒng)從觀望變成渴望，因為再高的電表精度也無法抵消人工抄表所帶來的非同時性及其它人為因素所造成的誤差。

電能的相對富余呼喚公正的市場原則，于是提出競價上網(wǎng)、實時電價等標(biāo)準(zhǔn)極高的要求。但是，電力市場畢竟要從計劃經(jīng)濟體制過渡過來，無法一步到位地運用市場原則。

國家管網(wǎng)，到目前為止省級電網(wǎng)基本上是國資。調(diào)度中心則是它的前臺操作，故調(diào)度中心重新回到省電力公司的懷抱，成為它的一個職能機構(gòu)僅是一個時日問題。公司制定政策，調(diào)度中心執(zhí)行之。在多元利益主體面前，如何端平這碗水，也是對各電力公司建立市場機制信心的考驗。

調(diào)度的權(quán)威性使電廠絕對不敢亂動，否則可能會收到一張措辭強硬的罰單。筆者曾多次在電廠的計算機屏上看到，一條綠色的實際負(fù)荷曲線如何緊貼著調(diào)度中心下達(dá)的紅色計劃曲線移動，須臾不敢擅離半步。

競價上網(wǎng)必須以實時計費系統(tǒng)為技術(shù)支撐，原理完全正確。不過基于大電網(wǎng)的統(tǒng)計性，負(fù)荷的相對平穩(wěn)變化以及電廠開停機的固有惰性，實際的電網(wǎng)平均電價也會是一條相對平穩(wěn)的曲線。因而競價上網(wǎng)的可能模式，是在經(jīng)過一段規(guī)范準(zhǔn)確的計費之后，電廠和電網(wǎng)雙方都形成了自己的經(jīng)驗。在某個季節(jié)，峰谷平電價的時序都心中有數(shù)，從而在調(diào)度中心與電廠之間形成一種默契。在電廠看來，調(diào)度返回來的電價只是一種手續(xù)，實際上你不說我也知道是這個數(shù)(當(dāng)然，緊急電價除外)。從而實時電價調(diào)度從整體上來說，不是依靠計費系統(tǒng)的實時信息，而主要依靠前一日負(fù)荷曲線。

一. 對電能計費系統(tǒng)的要求

電能計費系統(tǒng)(TMS---TeleMetering System)直接關(guān)系到供需雙方的經(jīng)濟利益。電度值直接對應(yīng)的是錢，因而已經(jīng)引起供需雙方的高度重視。正是這一點，決定了人們對TMS系統(tǒng)高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

首先，數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確，完整，不重復(fù)，不丟失，并且在確定的時間段內(nèi)，這就要求有可靠的安全措施，準(zhǔn)確的時鐘，并且時鐘必須全網(wǎng)統(tǒng)一。TMS以歷史數(shù)據(jù)為處理對象，存儲數(shù)據(jù)是它的重要概念。由于要帶時標(biāo)存儲，各層次設(shè)備(TMS主站，RTU，表計)必須統(tǒng)一時鐘，解決的辦法是周期性對時，一系列對時措施的實施，就必須考慮對時(實際上就是要改變時鐘)對數(shù)據(jù)的影響，以及表計停電，RTU停電，GPS 時鐘失敗可能帶來的一系列問題。

把TMS系統(tǒng)與EMS(SCADA)系統(tǒng)作個比較，能夠更具體地了解TMS系統(tǒng)的特點。下面是這方面簡單的比較：

TMS與SCADA 比較

1.SCADA系統(tǒng)以實時數(shù)據(jù)為處理對象，TMS則以歷史數(shù)據(jù)為處理對象，因而在系統(tǒng)的各個層次上，存貯是TMS的重要功能，而SCADA在廠站端(RTU中)一般不需要存儲。

2.存儲帶來一系列的時鐘問題，SCADA主站與RTU對時是為了統(tǒng)一SOE(Sequence Of Events)時間，其余實時數(shù)據(jù)時標(biāo)是以主站采集時間為準(zhǔn)，TMS則以RTU的時間為數(shù)據(jù)的時標(biāo)。

3.SCADA的歷史數(shù)據(jù)在主站形成，而TMS歷史數(shù)據(jù)在表計和RTU中形成。

4.TMS系統(tǒng)由于存儲，通訊分若干組完成，因而掃描周期較長。

5.SCADA是實時系統(tǒng)，TMS是及時系統(tǒng)，后者訪問周期可以很長，比如一天一次，甚至一個月一次。

6.若不考慮SOE，SCADA系統(tǒng)可以不對時，但TMS系統(tǒng)必須對時。廠站RTU的時鐘偏差會帶來嚴(yán)重的后果，重新設(shè)定時間會清除數(shù)據(jù)，RTU時鐘不正確會使主站對采來的數(shù)據(jù)構(gòu)成錯誤的疊加(不是該時段的電能值加在了一起)。

7.SCADA系統(tǒng)主站采集RTU正如TMS系統(tǒng)中RTU采集表計，時標(biāo)由采集命令的發(fā)出者決定。

圖2.1是TMS和SCADA功能的比較示意：

圖2.1 TMS和SCADA功能的比較

Fig2.1 A comparison of TMS and SCADA function

在TMS系統(tǒng)中, 某個時段內(nèi)形成一個電能數(shù)據(jù)，這個時段被稱為積分周期。對于帶負(fù)荷曲線(load profile)的電能表，這一過程在表計內(nèi)完成;對于用脈沖輸出來計算電能的表計，這一過程是在RTU中完成的。積分周期的長短對費率分辨率和系統(tǒng)實時性產(chǎn)生影響，它是主站周期性掃描廠站的上限。假如積分周期為15分鐘，則廠站端每15分鐘形成一個數(shù)據(jù)。如果主站掃描周期短于15分鐘，則采來的是同一個數(shù)據(jù)，這是沒有意義的。如果定義主站掃描周期為60分鐘，則在此期間廠站端已經(jīng)形成了4個數(shù)據(jù)，每次能采到4個數(shù)據(jù)。至于主站掃描周期定多少合適，取決于電力系統(tǒng)對實時性的要求。本人建議：對網(wǎng)，省調(diào)系統(tǒng)，掃描周期以一小時為宜;對地區(qū)及負(fù)荷調(diào)配基本無關(guān)的系統(tǒng)，以一天為宜。以一小時到一天這樣的周期，通訊才可以考慮用撥號方式，這將大大降低通訊的投資。短于1小時的掃描周期，就必須考慮用專線方式通訊。當(dāng)然，由于電力系統(tǒng)通訊網(wǎng)自成體系，信道充足，利用起來并不覺得增加了投資，但增加了主站端通訊設(shè)備則是確鑿的。由于現(xiàn)在考慮競價上網(wǎng)，一些系統(tǒng)已經(jīng)在以5分鐘的掃描周期運行，以及時了解供需狀況。不過因為幾乎所有電力系統(tǒng)在TMS上馬之前，早就有EMS系統(tǒng)運行多年，而且它確實是一個實時系統(tǒng)，何不從那里了解負(fù)荷動態(tài)呢?供需現(xiàn)狀，從本質(zhì)上講是從功率的角度去看。而電能是功率在時間上的累積，本質(zhì)上它是滯后的、歷史的而非當(dāng)前的。如果要用TMS去彌補EMS系統(tǒng)的不足，這從概念上就不對。應(yīng)該倒過來，讓EMS系統(tǒng)提供執(zhí)行電能政策的輔助手段。

積分周期的長短還影響電能費率的分辨率，它也是這一分辨率的上限。仍以積分周期15分鐘為例，當(dāng)我們定義日費率時段時，相鄰兩時段的間隔，最小只能是15分鐘，短于15分鐘是分不開的。縱觀國內(nèi)對費率分辨率的要求，到目前為止還沒有短于30分鐘的。單就這一點看，積分周期定為30分鐘也沒有任何影響。

其實，積分周期的最大影響還是整個系統(tǒng)所處理的數(shù)據(jù)總量。15分鐘對30分鐘，無論廠站存儲，通訊報文，主站存儲，都增加一倍的數(shù)據(jù)量。我們不妨以15分鐘的積分周期，來看看它對主站存儲容量的要求。設(shè)硬盤至少需要保存一年的數(shù)據(jù)。

如果積分周期為15分鐘.

每小時形成4個數(shù)據(jù)，每天形成4*24=96個數(shù)據(jù).

每年則形成96*365=35040個數(shù)據(jù).

若全系統(tǒng)有500個測點，不考慮主/校表設(shè)計，每個點以正、反向有功、無功采集。即每塊表產(chǎn)生正向有功，正向無功，反向有功，反向無功4個量。這樣全系統(tǒng)有2000個量。

全年產(chǎn)生總數(shù)據(jù)個數(shù)=35040*2000=70,080,000個.

因為每個數(shù)據(jù)要帶年，月，日，時，分，秒標(biāo)記，還要帶數(shù)據(jù)狀態(tài)位，設(shè)備狀態(tài)位等，光這些數(shù)據(jù)本身就需以64個字節(jié)(bytes)來表示。實際存入數(shù)據(jù)庫時，要考慮到方便操作、查詢、識別、提取等，其存儲位將占到128個字節(jié)。

1M存儲空間=1024K=1,048,576 bytes

全年總字節(jié)數(shù)=70,080,000*128=8,970,240,000 bytes

全年需盤存儲空間=8,970,240,000/1,048,576=8,544.69(M)

如果盤空間全部被數(shù)據(jù)所占，是無法進(jìn)行盤操作的。可進(jìn)行安全操作的盤空間理論上將是翻一番。這樣，即使對整個盤的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作也是可行的。從而最終盤的設(shè)計容量將是17,109.38(M)=17.11(G).

其余各種參數(shù)變動下的存儲容量，讀者可自行計算。

以5分鐘的積分周期計，數(shù)據(jù)量增加3倍，盤空間變成51.33(G);

以1分鐘的積分周期計，數(shù)據(jù)量增加15倍，盤空間變成256.64(G)。

在以前，如果采用4.3G的硬盤，將需要60個硬盤，這已經(jīng)是不現(xiàn)實的設(shè)計?，F(xiàn)在盤的存儲能力以指數(shù)增長，一兩個盤就可以解決，問題是在數(shù)據(jù)的讀取和轉(zhuǎn)存方面，有時候一個盤的數(shù)據(jù)花一天時間都讀不完。

這里的設(shè)計僅是以非冗余RAID0存儲方式為例。如果考慮數(shù)據(jù)的安全性，則存儲量還要增加。對于大型省網(wǎng)系統(tǒng)，通常配置成鏡象冗余RAID1存儲方式，硬盤空間還要增加一倍。如考慮以檢校備用RAID5方式存儲，也得再增加約30%的盤空間。

500個測點的系統(tǒng)，規(guī)模并不算大。一般考慮到電網(wǎng)的發(fā)展，常將設(shè)計水平放在2000個測點以上。另一些系統(tǒng)，則要求將數(shù)據(jù)保存兩年，這又得將硬盤數(shù)翻番。一種可行的方案，是設(shè)計水平仍為一年，但定期往磁帶上備份數(shù)據(jù)。一般查詢一年以前數(shù)據(jù)的機會是不多的。萬一要查，再將貼有時間區(qū)段標(biāo)簽的磁帶往硬盤上恢復(fù)。如果考慮采用可讀寫光盤存儲，檢索速度無疑將大幅度提高，但介質(zhì)的長期投資費用較大。

二. 兩種計費系統(tǒng)模式的比較

兩種計費系統(tǒng)模式，簡言之，一種是RTU方式，另一種是直接采表方式。就主站而言，沒有重大差別。目前的通行設(shè)計，是高檔服務(wù)器硬件平臺，UNIX操作系統(tǒng)，大型商用數(shù)據(jù)庫，大存儲容量，支持網(wǎng)絡(luò)訪問和數(shù)據(jù)共享，支持多規(guī)約的廠站訪問，等等。

兩種模式的重大差別，是在廠站端的配置方面。下表1.1是兩種廠站模式的簡單比較：

表1.1 兩種廠站模式的比較

Table 1.1 A comparison of two kind of the model in substation

兩種模式的最重要區(qū)別在于是否使用RTU。決定模式選取的關(guān)鍵是，你使用什么表計，你是否需要RTU功能?RTU的設(shè)計，是為了適應(yīng)從脈沖機械表到最新型電子表的一切電能表計。不管你的表計是什么結(jié)構(gòu)，有沒有負(fù)荷曲線，只要能輸出脈沖，對RTU來說是一樣的。由于內(nèi)部的全數(shù)字化處理，其數(shù)據(jù)精度只取決于電能表的精度。當(dāng)然，它也能實現(xiàn)電子表所具有的串行通訊功能，以便能得到數(shù)據(jù)以外的一些信息。多一套RTU設(shè)備，價格肯定會高，但它為各種不同需求的用戶提供了選擇。

從趨勢看，當(dāng)脈沖式機械表到達(dá)它的折舊壽命時點的時候，串行通信將獨領(lǐng)風(fēng)騷。

綜合以上討論，一般大區(qū)及省網(wǎng)系統(tǒng)，通常使用RTU方式。為貫徹公開，公平和公正(兩側(cè)人員都能看到所有數(shù)據(jù))的原則，可在設(shè)計時一并考慮主要電廠的當(dāng)?shù)刂髡竟δ?。對于地區(qū)及小型系統(tǒng)，兩種方式都可使用。事實上對于小型廠站，目前的RTU體積已經(jīng)比一塊普通電子式電能表還小，其價格也已經(jīng)低到與直接采集方式中使用的通訊多路復(fù)用器相當(dāng)?shù)乃健?/p>

三. 表計，精度及誤差限

電能表是計費系統(tǒng)的基礎(chǔ)。嚴(yán)格說來，對電能供需雙方的公正性要由它來體現(xiàn)。TMS只是在電能表正確計量的基礎(chǔ)上增加了遠(yuǎn)方采集和后臺數(shù)據(jù)匯集的功能。

精度是最能體現(xiàn)供需雙方的公正性的。計量精度越高，需方不合理支付電費的可能范圍就越小，這對雙方就越公正。但實際上精度是有限制的，無誤差的表計是不存在的。而且精度要求越高，投到電能表上的費用就越高，必須設(shè)計在一個合理的水平上。根據(jù)目前的實際情況，對于220KV以上的重要廠站和關(guān)口，用0.2S級表;對于 220KV及以下不很重要的關(guān)口，以及大用戶高壓側(cè)，用0.5S級表，應(yīng)該被認(rèn)為是合理的。對于500KV及大型發(fā)電廠上網(wǎng)側(cè)，考慮采用主校表方式運行，更能增加數(shù)據(jù)的安全性，避免將來可能的因電能表及二次側(cè)故障所帶來的麻煩。

比起精度來，誤差限相比之下是一個頗有爭議的問題。固態(tài)電子式電能表原理及工藝上的長足進(jìn)步，使得電能表在整個環(huán)境條件變化范圍內(nèi)都保持不超差。它幾乎能適應(yīng)全世界的一切氣候、電網(wǎng)等條件。但就某一地點使用而言，由于不可能經(jīng)受給定的整個范圍的環(huán)境條件的變化(比如：溫度從-20℃ ~+70℃ ，三相嚴(yán)重不平衡至單相測量，功率角在大范圍內(nèi)變化等)，因而其誤差限常常高一個精度等級，即0.2S的表誤差限在0.1S水平上;0.5S的表誤差限在0.2S水平上，這樣誤差限的正負(fù)就成為一個可供討論的范圍。因為將誤差限調(diào)為+0.2~0.0之間，對于0.2S的表計來說，仍未超出標(biāo)定的精度范圍(理想情況)。但請注意：

1.這對供需雙方是不公正的，廠家將不予承認(rèn)這種校定;

2.此種方式不符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不能推廣;

3.此種方式未考慮整個負(fù)荷的各種復(fù)雜因素。

一般來說，電表在整個負(fù)荷范圍(從基本電流到最大電流)內(nèi)的誤差曲線，形如下圖4.1中的a或b。經(jīng)過補償以后，形成圖4.2中的a′或b′形狀。

圖4.1 電能表典型誤差示意 圖4.2 經(jīng)補償后的誤差示意圖

Fig4.1 The type error curve of meters Fig4.2 The error curve compensated of meters

至于是a型還是b型，取決于所采用的測量原理。質(zhì)量控制水平高的一批表，你會看到其誤差方向的一致性很好，差別僅在于誤差曲線的上下平移，哪一頭多補償一點，哪一頭少補償一點而已。如果都在一個小負(fù)荷點上看，它可能都表現(xiàn)為一個正誤差或負(fù)誤差，但就整個范圍來說，它仍然是公正的，有正也有負(fù)。如果你的表永遠(yuǎn)處于小電流下運行，則應(yīng)該考慮選用小電流的電表(如5A換成1A)。如果還達(dá)不到中等的電流范圍，則說明當(dāng)初的一次側(cè)設(shè)計是不合理的，應(yīng)該更換CT。另外，應(yīng)注意電能表負(fù)荷率的選取。負(fù)荷率為200%的表，廠家是要保證在此范圍內(nèi)仍不超差的，因而本來就偏小的電流對于這塊表來說就顯得更小。

就功能來說，目前的多功能電子表，已經(jīng)是一臺真正的16位計算機。正反向有功，無功，費率，需量，負(fù)荷曲線，總加，視在電能，功率因數(shù)，四象限無功，三相電流監(jiān)視，過壓欠壓監(jiān)視，掉電監(jiān)視，232口，485口，CS口，脈沖輸出，串行輸出，內(nèi)置Modem，打印機接口，反呼主站等功能，應(yīng)有盡有。怎樣選擇?根據(jù)本系統(tǒng)實際情況，適當(dāng)考慮發(fā)展，應(yīng)該選擇功能夠用，價格合理的品種。目前中國市場，高精度多功能的電能表，仍以國外品牌為主。象瑞士蘭吉爾，德國西門子，法國斯倫彼榭，美國GE，ABB公司ALPHA，澳大利亞紅相等，都已各有份額。國產(chǎn)品牌象威勝，科陸，也已有幾年歷史。

在功能方面，國產(chǎn)表也已庶幾近之，雖有差距，不是很遠(yuǎn)。但就性能而言，距離感比較強，這與我們的工業(yè)基礎(chǔ)有關(guān)，急不得的。按規(guī)程，目前中試所電測室規(guī)定是三個月到半年現(xiàn)場校一次，但國外廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)是二十年免校。由于我們的表計是四世同堂，所以對于不同表計應(yīng)該有不同的規(guī)定，不可一刀切。當(dāng)然目前還在積累經(jīng)驗。我的感覺，電子表運行初三個月要多檢查，過了三個月，可按例行規(guī)定執(zhí)行。因為電子產(chǎn)品的一般規(guī)律如此。

串行通訊規(guī)約，應(yīng)支持開放性。有IEC規(guī)約當(dāng)然不錯，但成長中的公司規(guī)約，有何不可?須知IEC規(guī)約也是起始于私人的規(guī)約。計算機市場的一大特色就是各家爭鳴，逐漸形成主流，然后成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)，再被國際組織認(rèn)可。

四. 無功計量及最大需量

眾所周知，負(fù)載的無功需求對電力系統(tǒng)的影響有二：一是增加發(fā)輸變配設(shè)備的容量;二是網(wǎng)損中的一部分是由無功電流引起的。假設(shè)在有功負(fù)載分量不變的情況下，把功率因數(shù)從0.8提高到0.9，那么網(wǎng)損就會降低，發(fā)輸變配設(shè)備的容量也可降低。以往對用戶功率因數(shù)的一些規(guī)定，更多地是從電網(wǎng)安全運行的角度考慮的，并不涉及收費。就象上餐廳用餐，餐具的提供是不言而喻的，或者說是包含在餐費之內(nèi)的，不過近來各檔餐廳收費標(biāo)準(zhǔn)差距的拉大，也許會給我們一點啟發(fā)。比如一杯啤酒，大檔可能2元，但在空調(diào)輕音樂的環(huán)境里，可能收費10元，它說明環(huán)境也是有價的，不過不另收費，而是含在食品中一同銷售出去。

對負(fù)載功率因數(shù)的要求是為了維持必要的電壓水平，防止過電流。如果客戶達(dá)不到所要求的指標(biāo)(比如0.85)，則應(yīng)考慮裝補償器。鑒于實際可操作性的要求，補償器不可能過于分散，那么就補償點而言，應(yīng)該允許過補償。這樣，相鄰負(fù)荷點可以吸收它的無功，使這一區(qū)域的功率因數(shù)提高。這樣在一般情況下，該負(fù)荷點總是給出無功(已有某些電力部門規(guī)定，補償點功率因數(shù)不得大于0.98)。若用機械表(反向止逆)計無功，則電流相位是反接的。若是電子式表計，則它將按容性無功被記錄下來。對這部分容性無功，怎樣計費?各位請多考慮。

由于容性無功的出現(xiàn)，使目前的大多數(shù)電子電能表都考慮了四象限無功的計量。以前的機械表只區(qū)別無功的方向，并不分辨是感性還是容性。那么電子表如何定義四象限無功的呢?請看下圖5.1

圖5.1 四象限無功定義

Fig5.1 The definition of four domain reactive

從圖可見，正反向有功定位于實軸上，正反向無功定位于虛軸上。四象限無功與四種組合 ±R, Rp, Rn的定義見下面：

+R=+Ri+Rc

-R= -Ri-Rc

Rp=|+Ri|+|-Rc|

Rn=|-Ri|+|+Rc|

一般情況下，用戶在電表中選取±A，±R，4個量，就與原來用機械表測量的概念完全一致。產(chǎn)生容性無功的條件是，有功與無功的方向相反：送出有功但吸收無功，或吸收有功但送出無功。前者的例子是發(fā)電廠送出有功但吸收部分網(wǎng)上無功來建立自己的電壓，后者的例子是過補償負(fù)載在吸收有功時向鄰近負(fù)載點供出無功。而在省際聯(lián)絡(luò)線等關(guān)口點，這兩種情況是經(jīng)常之事。

在不涉及容性無功的情況下，選取±A，±R作為測量值和選取±A，Rp，Rn為測量值將得到同樣的結(jié)果。如果一定要單獨處理Rc，可選取±A，±Ri，±Rc六個測量值為一組，這樣可以到主站去任意組合，但缺點是增加了三分之一的數(shù)據(jù)傳輸量。

所有的負(fù)荷曲線都以需量(demand)的形式獲取。在表計內(nèi)部，它是從電能換算出來的，取的是一個積分周期的平均值。在表計內(nèi)部，它在形成負(fù)荷曲線的同時還附帶過濾出最大需量，帶時標(biāo)存入賬單數(shù)據(jù)(Billing Data)中，作為賬單數(shù)據(jù)的一個項。最大需量可以通過采集賬單數(shù)據(jù)獲得，但實際上有了負(fù)荷曲線一切都可通過計算得到。在主站，你僅僅需要定義一個時段，它就能為你找出該區(qū)間內(nèi)的最大需量和出現(xiàn)的時刻。最大需量反映負(fù)載對電網(wǎng)容量的要求，如果電能電價和容量電價構(gòu)成的兩部制電價政策出臺，則這一測量值將上升到與有功電能同等重要的地位。這樣，表計和RTU中的滑差功能，就會被更加推崇和重視。

五. 當(dāng)?shù)毓δ?/strong>