電能量計量系統(tǒng)接入方案及功能實施

  摘  要：文章概要地回顧了電能量計量系統(tǒng)的發(fā)展進程，提出了該系統(tǒng)的設計原則，分析了其主要特點以及有關功能的實施。并對各種現(xiàn)有的接入方案進行了歸納和比較，最后，對今后的發(fā)展提出了一系列的建議供有關人員參考。
    關鍵詞：電能量；計量系統(tǒng)；接入方案；功能實施

1  引言
    目前國內(nèi)的電能量計量系統(tǒng)經(jīng)過近20年的發(fā)展，已進入穩(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。
    電能量計量功能已成為繼SCADA、AGC功能之后電網(wǎng)調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)的運營和管理正逐步向市場開放，為了實現(xiàn)公平、公正、公開的電力交易原則，電能量計量系統(tǒng)的重要性比以往任何時候都更加突出[1]，為此，科研設計，制造廠商和各級電力公司均投入了大量的人力財力開展這方面的開發(fā)研究和工程實施工作。
    電能量計量系統(tǒng)主要實現(xiàn)電廠上網(wǎng)、下網(wǎng)和聯(lián)絡線關口點電能量的計量，分時段存儲、采集和處理，為結算和分析提供基本數(shù)據(jù)。若為計量計費系統(tǒng)，則還包括對各種費率模型的支持和結算軟件[1]。
    上個世紀電能量計量系統(tǒng)的發(fā)展進程經(jīng)歷了兩個階段。第一階段（20世紀七、八十年代）：電能量的采集和統(tǒng)計處理僅作為SCADA/RTU中的一項功能。由于受當時設備的能力限制，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)運行工況之用，遠未達到電能量計量和計費的要求。
    當時電能量數(shù)據(jù)與常規(guī)的遠動采用同一種通信規(guī)約，信息由同一臺RTU通過同一通道進行傳輸，由主站系統(tǒng)按“凍結¾讀數(shù)¾解凍”的方式統(tǒng)計與處理。由于RTU的數(shù)據(jù)存貯方式、容量和遠動通信規(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)生故障或進行例行檢修還會影響電能量數(shù)據(jù)的準確性、可靠性和連續(xù)性。
    第二階段（20世紀90年代至今）國外知名廠商如L&G、ABB、UTS等先后推出獨立于原SCADA/RTU系統(tǒng)的電能量計量專用系統(tǒng)。國內(nèi)也在20世紀90年代后期推出了自行研制的電能量計量系統(tǒng)例如PBS-2000、DF-6000等。其特點是采用了獨立的主站系統(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等來進行電能量的采集，計算和統(tǒng)計考核，以適應電力市場“廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)”的商業(yè)化運作的需求[1,2]。
    與此同時，為了保證系統(tǒng)的高可靠性、安全性、準確性的要求，相關的高新技術例如Trucluster（群集）技術，三層體系結構及DCOM部件，COM+，Internet/Intranet及Web瀏覽器，網(wǎng)絡安全技術等相繼得到應用[1-3]。
2  電能量計量系統(tǒng)設計原則
2.1  電能量計量系統(tǒng)應設計成一個獨立完整的系統(tǒng)
    鑒于各級電力公司是以電能量作為其計費、考核、獎懲的主要依據(jù)，因此必須有一個獨立完整的系統(tǒng)來保證電能量的采集、傳送、處理過程的可靠性、唯一性、準確性和連續(xù)性。
2.2  電能量采集對實時性要求不高，但對同時性要求較高
    相對SCADA系統(tǒng)而言，電能量計量系統(tǒng)只是一個準實時系統(tǒng)，凍結周期應滿足分時段計量精度要求，一般設置為5~30min，最短為1min。其傳送周期應滿足結算和統(tǒng)計報表的要求，一般以小時計。
2.3  電能量采集精度要求高
    由于電能量是一個累計值，因此即使是微小的誤差日積月累后也會達到難以置信的程度，而對售電和用電雙方來說，此累積值就是經(jīng)濟上的虧損，因此，計量精度的選擇原則應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[4]。
2.4  數(shù)據(jù)源唯一性原則
    （1）關口點的設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志。
    （3）計費模型唯一性。對計費系統(tǒng)來說，其計費模型必須嚴格按合同執(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，能獨立運行外，針對系統(tǒng)的特點，軟件設計應考慮以下要求：
    （1）安全性。采用成熟的應用軟件，實現(xiàn)快速平穩(wěn)的故障恢復過程，還應采用適當加密防護措施，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。能適應全年365天，每天24h的全續(xù)運轉，系統(tǒng)可用率達到99.5%以上。
    （3）開放性。應用程序開發(fā)平臺應符合IEC-61970標準，平臺包括操作系統(tǒng)，歷史數(shù)據(jù)庫，進程管理，網(wǎng)絡通信，圖形報表管理等，其應用編程接口均應充分開放，支持第三方應用軟件在系統(tǒng)上的集成。
2.6  計費關口點設置原則
    （1）電廠上網(wǎng)電能量應設置計費關口點；
    （2）下網(wǎng)電能量應設置計費關口點（用于負荷預測計算和某些考核功能）；
    （3） 跨省、區(qū)電能量應交易設置計費關口點（一般設置在聯(lián)絡線的兩側）；
    （4）過網(wǎng)電能量應設置計費關口點，單獨計算過網(wǎng)費的子網(wǎng)、線路及變電站應設置相應的計費關口點；
    （5）直供（或允許直接從市場上購買）用戶（或零售商、配電公司）應設置計費關口點；
    （6）按實際需要可設置無功電能量計費關口點。
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
    電能量計量系統(tǒng)與EMS/SCADA系統(tǒng)運行在統(tǒng)一的軟件平臺，網(wǎng)絡、圖形、報表、數(shù)據(jù)庫等均應兼容統(tǒng)一的接口標準和通信協(xié)議、相同的軟件設備和維護管理工具，特別是部分硬件和通道資源可以共享（例如前置系統(tǒng)和通道設備），從而降低投資或運行維護費用。統(tǒng)一接口標準可保證兩個系統(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量計費系統(tǒng)的結構

    （2）互聯(lián)模式
    電能量計量系統(tǒng)與已有的EMS/SCADA系統(tǒng)互為獨立系統(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，稱為互聯(lián)模型。    這種模式下各系統(tǒng)相對獨立運行，屬于松散聯(lián)結，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，用戶需根據(jù)自己的實際情況予以選擇。
    如果電能量計量系統(tǒng)的制造廠商與原有的EMS/SCADA或發(fā)電側電力市場的供應商是同一廠商或可以相互兼容，且將來維護管理工作是由同一部門（例調度所自動化科）的人員來承擔，則采用統(tǒng)一平臺模式是合理的選擇。這樣可以實現(xiàn)最大限度的資源共享，降低投資成本和支持維護費用，對維護管理人員較少的用戶尤為適用。
    如果電能量計時系統(tǒng)的制造廠商與原EMS/SCADA或發(fā)電側電力市場的供應商不是同一廠商，且不能互相兼容，或將來維護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，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，有利于維護和管理。這種模式對維護管理人員較充裕的用戶較為適用。
3.2  終端（表計）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)電能量計量系統(tǒng)），或由RS485/RS232C串口與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接，將信息接入主站系統(tǒng)（例如西北電網(wǎng)電能量計量系統(tǒng)
    （2）計量終端接入方式
    電能表以脈沖或經(jīng)RS-485/RS-232接入計量終端，計量終端經(jīng)MODEM或網(wǎng)絡接入設備通過公用電話網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)接入主站系統(tǒng)（例如江蘇省網(wǎng)電能量計量系統(tǒng)。
    （3）終端服務器接入方式
    電能表經(jīng)終端服務器，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，第二種方式目前應用較為廣泛。它的關鍵設備是計量終端，計量終端不同于一般的RTU，而是為滿足計量系統(tǒng)的特殊要求而專門設計的電能量采集、處理、遠傳裝置，可按多個時段對數(shù)據(jù)進行分時累計和存儲，數(shù)據(jù)傳輸應有可靠的保護措施，并具有可移動的數(shù)據(jù)存儲卡。隨著技術的發(fā)展，某些計量終端已具有電話撥號和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信的功能。第二種方式適合于關口點數(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口點數(shù)量較少的廠站。它的特點是節(jié)省投資，且主站可對電能表進行遠程維護，缺點是累計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。關口點數(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)絡通信），終端服務器本身不具備存儲功能，優(yōu)點是產(chǎn)品通用性強。
    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)有多種電壓的關口點時可考慮采用。
4 主要特點和功能實施
    電能量計量系統(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。更有其自身的特點諸如分時電能計量、線損、網(wǎng)損計算、計費與考核、旁路代功能、精度和可靠性要求高等[2,4]。
    （1）電能量計量系統(tǒng)的主要特點
    1）分時電能計量
    由于電能在不同時段的電價不同，因此電能表或計量終端應支持電能量分時段累計、存儲的功能，其他分周期通常為5~30min可調，最小1min，與調度計劃下發(fā)周期或交易時段相對應。
    2）數(shù)據(jù)采集
    為保證電量讀取的同時性，系統(tǒng)須與電能表或計量終端定時同步，即具備與GPS時鐘對時的功能。時鐘設置誤差小于1s/日。
    系統(tǒng)應支持自動重發(fā)功能，在通道中斷時能保存數(shù)據(jù)，當通信恢復后，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志，但可參與統(tǒng)計與分析。
    鑒于電能量計量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結果涉及到費用結算，故要求系統(tǒng)應支持主校表數(shù)據(jù)互校和處理功能。
    4）數(shù)據(jù)管理和信息服務
    電能量計量系統(tǒng)與廣大用戶關系密切，直接面向各類用戶，應支持基于WEB瀏覽技術的客戶在網(wǎng)上查詢業(yè)務。
    其WEB服務器系統(tǒng)應支持安全隔離，建立數(shù)據(jù)從系統(tǒng)傳送到WEB服務器的機制；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)庫訪問的權限。對不同權限的用戶，提供相對應的數(shù)據(jù)頁面、圖形等查詢范圍。
    5）計費和考核
    電能量計量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結果是計算電費的基礎，因此系統(tǒng)還應支持有關計費的處理功能，例如系統(tǒng)應提供對各種計費規(guī)則、費率模型的建立和管理維護手段。提供靈活、方便的費率及其結構的定義和處理手段并具有較強的報表處理和綜合運算處理能力。并能自動生成相應的報表和圖形以提供方便直觀的查詢和顯示。
    （2）旁路代功能實施
    旁路代問題不僅在電能量計量系統(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)運行設備定期檢修，故障處理或運行方式改變時，經(jīng)常會遇到用旁路開關或備用開關替代某路開關送電的情況。從而造成電量統(tǒng)計上的困難。
    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)采集到的相關遙信開關位置信息輸入電能量計量系統(tǒng)，由后者進行邏輯判斷或由SCADA系統(tǒng)將已判斷好的旁路代結果傳給后者，由后者綜合上述信息進行電量旁路代的計算和統(tǒng)計。
    3）由電能表（或計量終端）采集相關開關信息輸入電能量計量系統(tǒng)，由該系統(tǒng)綜合相關信息作出相應邏輯判斷，進行電量旁路代的計算和統(tǒng)計。
    4）根據(jù)線路切換過程必然引起相關線路的電量變化的原理，通過對相關線路切換過程中電量變化的定性判斷和定量比較來實現(xiàn)旁路代時的電量計算和統(tǒng)計。為此需預先生成一張參加旁路代的出線開關的軟件列表，然后在旁路代切換過程中逐次掃描各相關出線的電量變化，經(jīng)必要的邏輯運算和計算，從而作出相應的判別[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。
    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的位置接點，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）是較先進的方法，原理上可行，是發(fā)展方向，但是具體實施還存在準確度的問題，一旦準確度不夠也會造成誤判斷。
5  結論和建議
    （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)，再上電能量計量計費系統(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， 也便于維護和管理。對新設計的系統(tǒng)或電能量計量系統(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，以便最大限度地達到資源共享，降低成本和運行維護費用。特別適用于由同一部門的人員來維護管理這兩套系統(tǒng)的場合。
    （2）由于脈沖電度表和電量計費累計終端本身的局限性，在實際應用中會由于輸出脈沖畸變和現(xiàn)場電磁干擾造成計量誤差，難以滿足電力市場對計量系統(tǒng)的要求，今后發(fā)展方向應是智能化多功能電能表的分布式直接數(shù)字傳送模式。對重要關口點應按主、校表方式配置。
    （3）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡化，根據(jù)電能量計量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸具有即時而非實時、高速大容量的特點，采用正在快速發(fā)展的公用/企業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，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行費用。同時可方便地實現(xiàn)多主站的數(shù)據(jù)共享。
    （4）通信規(guī)約標準化。國際電工委員會已制定了IEC870-5-102電力系統(tǒng)傳輸電能量計量配套標準，為各種智能化電能表和遠方電能量處理終端采用國際標準的通信規(guī)約接入主站系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。
    （5）電能量計費的結算自動化是電力市場技術支撐系統(tǒng)之一，它能提供快速、高效的服務，通過企業(yè)財務與銀行網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)，可加快電費的回收和資金周轉。
    綜上所述，電能量計量系統(tǒng)正步入穩(wěn)定增長、成熟發(fā)展階段，今后的發(fā)展方向應是在現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品的基礎上向高端和低端延伸，形成系列產(chǎn)品。建議研制開發(fā)時將應用與平臺分開，形成適應各種軟、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。