（电气工程专业论文）一体化电能及负荷采集系统的规划设计.pdf

责州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 t h e p l a nd e s i g n so fi n t e g r a t i o ne l e c t r i c e n e r g ya n dl o a ds y s t e m 一一 a bs t r a c t k e y w o r d s ：u n i f y ；e l e c t r i ce n e r g ya n dl o a d ；t e r m i n a lo f d a t ec o l l e c t i n g ； c o m m u n i c a t eo fm a c h i n ep r e p o s e dl e t t e r ；b a c k s t a g eh o s ts t a n d ；d e m a n ds i d e m a n a g e m e n t ； e l e c t r i f i e dw i r en e t t i n ge n t e r p r i s ea p p l i e saa u t o m a t i o ni nl a r g es c a l ei nc o l l e c t i n g m e a l l s ，c o l l e c t i n gt h ee l e c t r i ce n e r g yd a t aa n dl o a dt h a tt h et e r m i n a lc o u n t st ot h e e l e c t r i ce n e r g ym e t e rd a t a b e c a u s eo f s h o r t c o m i n go f s c i e n t i f i cp l a n s ，t h ea u t o - c o l l e c t o f e l e c t r i c i t yd a t ea n dl o a dr a t ei sd i v i d e df o u rs t a g e ss u c ha st h ed a t ac o l l e c t i n go f 臼a n s f o r m e rs u b s t a t i o np a s se x p r e s s e s ，t h ed a t ac o l l e c t i n go f b i gc o r t s l l l r l c rp o w e r c o n s u m p t i o n , t h ed a t ac o l l e c t i n go f m a t c hc h a n g e a b l ee l e c t r i ce n e r g ya n dt h ed a t a c o l l e c t i n go f r e s i d e n tp o w e rc o n s u m p t i o n t h i sp a p e rp u tf o r w a r da ni d e ao f i n t e g r a t i o ne l e c t r i ce n e r g ya n dl o a dc o l l e c ts y s t e mc o l l e c t i n gt h et e r m i n a l d i v e r s i f i c a t i o na n dt h eb a c k s t a g eh o s ts t a t i o nu n i f i c a t i o n t h i sp a p e rb r i n gf o r t h r e q u i r e m e n to f t h eb a c kh o s ts t a n ds o r w a r ef u n c t i o nt e r m i n a ld a t ec o l l e c t i n g ， p r o p o s e dc o m m u n i c a t i n gm a c h i n et ot h ed e s i g np l a n e x p o u n dt h r e ek e yp o i n t st o r e a l i z ei n t e g r a t i o nl o a dc o l l e c t ss y s t e ma n dt h e ya l eu n i f i e dc o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n ta n dd e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g yi na c r o s sp l a t f o r ms o f t w a l ea n d i n t e r f a c e o fw c bs e r v i c e s t h i ss y s t e mi m p r o v et h ew o r t ho f c o l l e c t i n gm e s s a g ee v a d e e l e c t r i f i e dw i r en e t t i n ge n t e r p r i s e , e l e c t r i ce n e r g ya n dl o a dc o l l e c tt h ea s p e c t m a n a g i n gl o n gr a n g cc h a o s s ，p r o v i d et h ef o r c e f u lt e c h n o l o g yp r o pu pf o re l e c t r i f i e d w i r en e t t i n ge n t e r p r i s et om a n a g ee l e c t r i c i t ya n dt om a n a g eo ne l e c t r i cp o w e rn e e d 第4 页 贵州大学工程硕士学位论文一体化电能及负荷采集系统规划设计 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 e 1 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：1 受坌坐 导师签名j 堇丰鲨落期： 第5 5 页 贵州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 i l - - l _ 月i j吾 近几年来，随着经济高速发展，用电需求随之快速增长。电力供需矛盾日渐 突出。电网经历了高峰时段电力供应紧张的严峻考验，全国大部分省网公司不得 不采取了拉闸限电等措施，来保障电网的安全运行，最大限度地确保重点企业生 产和居民生活的正常用电。 面对紧张的用电局面，改善负荷特性，提高用电负荷率，急需通过应用负荷 采集系统等技术手段，加强负荷的监测力度，提高负荷特性的分析和预测水平， 及早制订不同情况下的错峰、避峰预案和措施；加强负荷的调控能力，积极有效 地实施削峰填谷、移荷错峰等措施，减少停电次数，缩短停电时间，减少因停电 而引起的客户和供电企业的经济损失；引导客户积极参于调荷避峰，合理安排生 产计划，提高终端用电效率，优化用电方式。最终实现改善电网运行负荷峰谷差， 确保电网安全经济运行，提高电网的经济效益，最大限度地实现全社会的资源优 化配置，取得最好的社会效益的目的。 从长远来看，在满足客户的电力需求的同时，通过电力负荷采集系统的功能 拓展，提供客户个性化服务，实现远程抄表，有效地防止客户盗窃电能行为，从而 形成供电企业和客户的双赢局面。 因此，全面推广应用电力负荷采集系统，实现需求侧管理现代化，是应对当 前电力供需矛盾和顺应改革形势的必然选择。电能计量是电网企业与用电客户进 行电费结算最直接的依据，用电负荷是电网企业电网调度必须掌握的关键指标。 在电网企业市场化的过程中。电能计量和用电负荷受到异常关注，因此也是最早 引入大量自动化技术的领域，但长期以来，由于缺乏科学规划，电能数据和负荷 数据的自动化采集人为被划分成变电站关口表数据采集、大用户用电数据采集、 配变电能数据采集、居民用电数据采集四个层次，由此派生出电能量、负荷采集、 配变监测、居民远抄四大自动化系统，这些系统相互独立，整合应用程度非常差， 产生的价值远没有达到电网企业的期望。设计一套一体化电能及负荷采集自动化 系统，通过应用该系统彻底打破电能数据采集、负荷数据采集分散、孤立的局面， 通过统一、直观、图形化的界面，建立集中统一、高效的一体化平台，实现从变 第1 页 贵州大学工程硕士学位论文一体化电能及负荷采集系统规划设计 电站关口表到居民表计电能数据、负荷数据的自动采集、监测、分析、管理和考 核，提高电网企业用电管理的自动化水平，强化电力需求侧管理。系统采集数据 不但要供电网企业自身使用，而且可提供给用电客户使用，客户据此可以调整自 己的生产，有利于企业提高效率，有利于电网稳定运行。 第2 页 贵州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 第一章电力系统负荷及负荷采集 1 1 电力系统的负荷特性 电力系统的负荷特性又称电力系统的负荷方式，它每时每刻都在发生变化， 通常是用负荷特性曲线来表示。主要包括负荷特性曲线和日负荷特性曲线两种来 表示，有的还有周、月和季负荷特性。 年负荷特性基本上有两种：一种是负荷峰期出现在冬季( 见图2 - 1 ) ，另一 种是负荷峰期出现在夏季( 见图2 2 ) 。 3 5 2 5 呻 t 月 圈2 一l 华北地区莱电同l 墨年负荷特性媲薯( 1 9 9 2 年) 第3 页 贵州大学工程硕士学位论文一体化电能及负荷采集系统规划设计 月 田2 2 南方地层某电月兵塑年负薷特性曲线图( 1 9 9 3 年 日负荷特性也有两种：一种是峰期最大负荷出现在夜晚( 见图2 - 3 ) 。另一种是 峰期最大负荷出现在白天( 见图2 4 ) 。它们的负荷谷期均出现在后夜 、 伯 图2 - 3 中部地区莱电一冉曩日负膂特性蘑线图c 1 9 9 2 年) 第4 页 贲州大学工程硬士学位论支一体化宅能及负荷采集系统规划设计 圈 4南方地区莱电同典翌日负荷特性曲线圈( 1 9 9 2 年) 电力系统的负荷特性与一系列因素有关，主要取决于电网所在地区的经济结构和 用户的生产特点，当地的气候条件、生活水平和风俗习惯，以及电网规模等。对 一个具有一定规模的电网来讲，电力系统的负荷方式主要是由终端用电方式决定 的，要改变电力系统的负荷方式就要改变终端用电方式。由于供电能力不足和线 路容量堵塞等拉闹停电的影响，图示的负荷特性不是完全满足终端用电需求的自 然负荷特性，否则还要拉大电网负荷的峰谷差距。随着市场经济的发展和人们生 活素质的不断提高，屯网负荷的峰谷差还有进一步拉大的趋势。 1 2 负荷整形技术 改变用户的用电方式是通过负萄采集技术来实现的。负荷采集技术就是负萄 整形技术。它是根据电力系统的负荷特性，以某种方式将用户的电力需求从电网 负荷高峰期削减、转移或增加在电网负荷低谷期的用电，以达到改变电力需求在 时序上的分布，减少日或季节性的电网峰荷，以期提高系统运行的可靠性和经济 性。在规划中的电网，主要是减少新增装机容量和节省电力建设投资，从而降低 预期的供电成本。 负荷整形主要有削峰、填谷、移峰填谷三种 第5 页 蚴 螂 珊 哪 跏 憎 咐 伽 贵州大学工程硕士学位论文一体化电能及负荷采集系统规划设计 ( 1 ) 削峰( 见图2 5 ) 削峰是在电网高峰负荷期减 少用户的电力需求，避免增设边 际成本高于平均成本的装机容 量，并且由于平稳了系统负荷， 提高了电力系统运行的经济性和田2 - 5 剖峰示意图 可靠性，降低了平均发电成本。另一方面，削峰会减少一定的峰期售电量，也降 低了电力公司的部分收入。 削峰的控制手段主要有两个：一个是直接负荷控制，另一个是可中断负荷控 制。 直接负荷控制是在电网峰荷时段，系统调度人员通过远动或自控装置随时控 制用户终端用电的一种方法。由于它是随机控制，常常冲击生产秩序和生活节奏。 大大降低了用户峰期用电的可靠性，大多数用户不易接受。尤其是那些可靠性要 求很高的用户和设备，负荷的突然甩减和停止供电有时会酿成重大事故和带来很 大经济损失，即或采用降低直接负荷控制的供电电价也不太受用户欢迎，限制了 这种控制方式的应用范围。在电力供应严重短缺、大量外购峰荷电力的电网，在 失去电力平衡时往往采用这种方法削减峰荷，然后对用户予以电价补偿。直接负 荷控制多于城乡居民的用电控制，对于其他用户以停电损失最小为原则进行排序 控制。 可中断负荷控制是根据供需双方事先的合同约定，在电网峰荷时段系统调度 人员向用户发出请求信号，经用户响应后中断部分供电的一种方法。它特别适合 可以放宽对供电可靠性苛刻要求的那些“塑性负荷”，主要应用于工业、商业、 服务业等，如有工序产品或最终产品存储能力的用户，可通过工序调整改变作业 程序来实现躲峰：有能量( 主要是热能) 贮存能力的用户，可利用贮存的能量调 节进行躲峰：有燃气供应的用户，可以燃气替代电力躲避电网尖峰；那些用电可 靠性要求不高的用户，可通过减少或停止部分用电躲开电网尖峰，等等。不难看 到，可中断负荷控制是一种有一定准备的停电控制，由于这种电价偏低或给予中 断补偿，有些用户愿意以较少的电费开支降低有限的用电可靠程度。它的削峰能 力和终端效益，取决于用户负荷的可中断程度和这种补偿是否不低于用户为躲峰 所支出的费用。 第6 页 贵州大学工程硕士学位论文一体化电能及负荷采集系统规划设计 利用时间控制器和需求限制器等自控装置实现负荷的间歇和循环控制，是对 电网错峰比较理想的控制方式。它虽然改变了用户的发电方式，但通常并不或较 少影响用户的用电模式和服务质量。如空调、风机、水泵、大耗电工艺设备等的 间歇和循环控制。但是，它需要有完善的控制系统。 削峰控制不但可以降低电网峰荷，还可以降低用户变压器的装置容量。 ( 2 ) 填谷( 见图2 6 ) 填谷是在电网低谷时 段增加用户的电力电量需 求，有利于启动系统空闲 的发电容量，并使电网负 荷趋于平稳，提高了系统 运行的经济性由于它增 加了销售电量，减少了单 位电量的固定成本，进一田2 6 壤谷示意田 【t ) 步降低了平均发电成本，使电力公司增加了销售收入。尤其适用于电网负荷峰谷 差大、低负荷调节能力差又压电困难，或新增电量长期边际成本低于平均电价的 电力系统。 比较常用的填谷技术措施有： 1 ) 增加季节性用户负荷。在电网年负荷低谷时期，增加季节性用户负荷； 在丰水期鼓励用户多用水电，以电力替代其他能源。 2 ) 增添低谷用电设备。在夏季尖峰的电网可适当增加冬季用电设备。在冬 季尖峰的电网可适当增加夏季用电设备。在日负荷低谷时段，投入电气锅炉或蓄 热装置采用电气保温在冬季后夜可投入电暖气或电气采暖空调等进行填谷。 3 ) 增加蓄能用电。在电网日负荷低谷时段投入电气蓄能装置进行填谷，如 电气蓄热器、电动汽车蓄电瓶和各种可随机安排的充电装置等。 填谷非但对电力公司有益，用户利用廉价的谷期电量可以减少电费开支。但 是，由于填谷要部分地改变用户的工作程序和作业习惯，也增加了填谷技术的实 施难度。 填谷的重点对象是工业、服务业和农业等部门。 c 3 ) 移蜂填谷( 见图争7 ) 第7 页 贵州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 移峰填谷是将电网高峰负荷的 用电需求推移到低谷负荷时段，同 时起到削峰和填谷的双重作用。它 既可减少新增装机容量、充分利用 闲置容量，又可平稳系统负荷、降 低发电煤耗。移峰填谷一方面增加 了谷期用电量，从而增加了电力公 司的销售电量：另一方面却减少了 “ 蜂期用电量，又减少了电力公司的圈2 - 7穆峰：咦谷 销售电量。电力系统的销售收入取决于增加的谷电收入和降低的运行费用对减少 峰电收入的低偿程度。在电力严重短缺、峰谷差距大、负荷调节能力有限的电力 系统，一直把移峰填谷作为改善电网经营管理的一项主要任务。对于拟建电厂， 移峰填谷可以减少新增装机容量和电力建设投资。 比较主要的移峰填谷技术措施有： 1 ) 采用蓄冷蓄热技术。中央空调采用蓄冷技术是移峰填谷最为有效的手段， 它是在后夜电网负荷低谷时段制冰或冷水并把冰或水等蓄冷介质贮存起来，在白 天或前夜电网负荷岛峰时段把冷量释放出来转化为冷气空调，达到移峰填谷的目 的。蓄冷中央空调比传统的中央空调的蒸发温度低，制冷效率相对低些，再加上 蓄冷损失，在提供相同冷量的条件下要多消耗电量，但它却是有利于电网的填谷 电量 蓄冷技术是一种在用的成熟技术，1 9 9 3 年深圳中电大厦冰蓄冷中央空调首 次投入运转，实践证明它特别适用于商业、服务业和工业部门，以及居民楼区的 集中空调。如大型商厦、贸易中心、酒楼宾馆、公寓、写字楼、娱乐中心、影视 院、体育馆、健身房、大型住宅区以及大面积使用空调的电子、医药、纺织、化 工、精密制造、食品加工、服装等生产企业。 采用蓄热技术是后夜电网负荷低谷时段，把电气锅炉或屯加热器生产的热能 存储在蒸汽或热水蓄热器中，在白天或前夜电网负荷高峰时段将其热能用于生产 或生活等来实现移峰填谷。用户采用蓄热技术不断减少了高价峰电支出，而且还 可以调节用热尖峰、平稳锅炉负荷、减少锅炉新增容量。当然，它也要多消耗部 分电量。蓄热技术也是一种在用的成熟技术，是移峰填谷有效的技术手段，对用 第b 页 贲卅i 大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 热多、热负荷波动大，锅炉容量不足或增容有限的工业企业和服务业尤为合适。 用户是否愿意采用蓄冷和蓄热技术，主要取决于它减少高峰电费的支出是否 能补偿多消耗低谷电量支出电费，并获得合适的收益。 2 ) 能源替代运行。在夏季尖峰的电网，在冬季用电加热替代燃料加热，在 夏季可用燃料加热替代电加热；在冬季尖峰用电，在夏季可用电加热替代燃料加 热，在冬季可用燃料加热替代电加热。在日负荷的高峰和低谷时段，亦可采用能 源替代技术实现移峰填谷，其中燃气和太阳能是易于与电能相互替代的能源。 3 ) 调整作用程序。调整作业程序是一些国家曾经长期采取的一种平仰电网 r 内高峰负荷的常用办法，在工业企业中把一班制作业改为二班制，把二班制作 业改为三班制。作用制度大规模的社会调整，对移峰填谷起到了很大作用，但却 也在很大程度上干扰了职工的正常生活节奏和家庭生活节奏，也增加了企业不少 的额外负担，尤其是在硬性电价下，企业这种额外负担不能得到任何补偿，不易 被社会所接受，也是电力部门能力不足的表现。实践证明：随着市场经济的发展， 不顾及用户接受能力强制推行多班连续作用的办法将逐渐失效。对那些客观上不 需要多班连续作业的企业，要它以调整作业程序来移峰填谷必须采取更有力的市 场手段。 4 ) 调整轮休制度。调整轮休制度也是一些国家长期采取的一种平仰电网日 间高峰负荷的常用办法，在企业间实行周内轮休来实现错峰，取得了很大成效。 由于它改变了人们早已规范化了的休整习惯，影响了社会正常的活动节奏，冲击 了人们的往来交际。又没有增加企业的额外效益，一般难于被广大用户所乐意接 受。电网应服务于社会大众，不该影响甚至左右人们的正常活动习惯。尤其是随 着社会的进步和不断增长的物资与精神文明，那种使社会的运转步调去屈从于电 网调荷需要的概念将逐步消失殆尽。然而，在一些严重缺电的地区，在已经实行 轮休制度的企业，采取必要的市场手段仍然可能为移峰填谷做出贡献。 1 3 负荷采集系统 1 3 1 负荷采集系统综述 如上所述，掌握电力系统的负荷特性对于电力系统合理、经济运行，对 于降低用电客户生产成本，减少电费开支异常重要。多年以前，电力系统通 过手工方式统计负荷历史数据绘制负荷曲线作为电网调度运行的辅助手段， 第9 页 贵州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 s c a d a 系统应用后，厂站端的负荷数据实现了实时在线监测，但是如果能够 实时掌握电力系统多个层次的负荷( 厂站端、配电线路、大用户负荷) 并提 高采集信息的精度无疑将极大提升电力系统管理。电力系统厂网分开后，这 种要求更加迫切，电网企业为了保障企业效益，更是加速了用电负荷实时监 测，要达到这一目的，最有效的手段就是建设应用负荷采集系统。 在电力负荷自动化采集领域，具备负荷采集功能的系统有：scada 、 电能计量系统、负荷控制管理系统、配变监测系统、居民远程抄表系统等系 统，这些系统通过远程抄表技术收集采集信息，这些信息可以供电力企业进 行经济运行分析，对不同季节、不同行业、不同时间段的电价进行动态汇总 分析，客户的变动、市场的变动，可以在线获取，可根据这些数据对宏观政 策调控和价格体系影响进行实质性研究的帮助，为动态电费电价政策制订和 调糕提供数据依据等技术支持和服务，从而既保证全社会各种企业在各种情 况下用电的有序性，又保证电力行业特别是电网企业的合理利润。 如上所述，负荷采集系统为电力系统提供较好的负荷采集手段，但随着技术 和管理的发展，这些系统并不能完全满足应用需求，其主要表现在： 1 ) 、采集信息收集实时性和同步性差。由于没有统的通信时钟，分散 的采集信息不能体现同一时刻的负荷和用电情况，不能对采集信息进行从变 电站到线路到配变侧的线损分析、负荷预测等处理； 2 ) 、采集信息较为分散，不能进行综合分析处理，信息二次利用率较低， 远远没有发挥历史数据的潜在价值： 3 ) 、通信网络可靠性低。采集信息可用性差。采用无线23 0m 传输网络和 低压电力载波作为传输通道，通信误码率较高，采集信息准确性差。利用率低 近年来，负荷采集系统表现出如下共同的特征： 1 ) 、是一个集网络、主机系统、数据库和应用系统于一体的综合系统，其具 有良好丌放性，能与其他网络或系统管理软件高度集成或实现资源、数据共享、 具备保证数掘的高度一致性、完整性能力。 2 ) 、是一个网络管理平台，采用的方法是标准化，使用的技术是分布式计算 技术，实现的是资源的高度共享。 3 ) 、系统采用中间件技术体系结构，核心模块源代码级跨平台实现，可以实 现跨平台、跨产品的开发。 第1 0 页 贵州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 4 ) 、系统设计采用开放的三层体系结构，保证了多种平台的兼容性。 1 3 2 负荷采集系统与需求侧管理的关系 研究表明负荷采集系统可为需求侧管理提供了有力的技术支持手段。 需求侧管理系电力公司规范系统负荷形状( 曲线) 的所有工作，称之为需求 侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t - - - - i ) s m ) 。d s m 理论指出的，规范系统负荷形状 的六种主要工作为：削峰、填谷、负荷转移、柔性负荷、负荷抬高和终端( 用电) 效率提高，终端效率提高即我们通常所说的节电。其中前四项，即通常所说的负 荷采集。其中： 削峰，即电力负荷直接控制，系经政府经济主观部门批准后实施的，指令性 负荷控制，以在电力供需失衡情况下，为确保电网安全，不得不限下部分非重要 负荷，以确保限电不拉路，这也是负荷控制管理系统开发、建设的初衷。 负荷转移，通过电价杠杆，调动客户意识，例如推广应用蓄热电锅炉、蓄冰 空调技术而执行的“非普峰谷电价”政策，居民黑白电价政策及其他优惠政策， 引导客户转移部分高峰负荷至低谷时段消耗。 柔性负荷，郎执行可停电电价i c 的可停电电力负荷转移，即国家电网生 2 0 0 3 1 8 3 号文强调的“避峰”。由电力出资从大客户购买高峰负荷，激励用户 将这部分负荷转移到低谷时段消耗。 填谷，即国家电网生 2 0 0 3 1 8 3 号文强调的“错峰”就是组织客户，通过 合理安排生产班次，错休节、假日，合理安排设备大、中、小修至电网高峰季节、 高峰时段，来抬高电网低谷负荷( 填谷) 国家电网生 2 0 0 3 1 8 3 号文要求，“在安排和落实用电负荷的错峰、避峰方 案时，按先错峰、后避峰、再( 负控) 限荷、最后调度拉路的原则。实现错 峰、避峰负荷定企业、定设备、定容量、定时间”。实践证明，要做到这一点， 离开技术系统的支持，是办不到的。 需求侧管理的另两项工作：终端( 用电) 效率提高和负荷抬高( 增供扩销) 项目。同样需要该技术系统的支持。 1 3 3 负荷采集系统应用主要技术 1 ) 、埘r 技术。自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g a m r ) 是指采用通讯 合计算机网络等技术，通过专用设备对表计自动读取和处理表计数的过程。电子 式电度表和表计与主机的通信方式、通信规约是a m r 的关键。负荷采集系统最重 第1 1 页 贵州大学工程硕士学位论文一体化电能及负荷采集系统规划设计 要的技术就是自动抄表技术( a m r ) ，该技术自八十年代中叶诞生于美国后，在 世界各地得到了迅猛的发展。自动抄表技术最先在供水企业中应用，后扩展到电、 气、热等各个领域。i e c 的t c l 3 和t c 5 7 两大标准化组织在其标准体系中都为自 动抄表技术制定了相关的标准。9 0 年代初，自动抄表技术被引进到中国，早期 的a m r 系统主要用于大电网的电能量考核结算。经过近十年的发展，a m r 技术在 中国得到广泛的应用，各神高水平的a r m 技术和系统的研究，已成为各个a m r 系 统生产企业和科研机构竞相追逐的热点 ( 1 ) 、电子式电度表：电子式电度表一般由电能测量机构和数据处理机构 两部分构成，根据电能测量机构的不同，又分为机电脉冲式电度表和全电子式电 度表两大类 机电脉冲式电度表沿用感应式电度表的测量机构，其数据处理机构则有电子 电路和计算机控制系统实现，因而，机电脉冲式电度表是一种电子线路与继电转 换单元项结合的办电子式电度表。机电脉冲式电度表技术开发的重点放在有关电 能管理的数据处理方面，是指能够股进行本地和远程的数据传输以及遥测和遥 控。机电脉冲式电度表以感应系电度表结构牢固、长期运行可靠和价格低廉的优 点，因而在民用电能计量领域被广发采用。 全电子式电度表不再使用感应系测量机构，而是由乘法器完成对电功率的测 量。由于它没有传统电度表上的旋转机构，因而又被称为“静止式电度表”或是 “固态电度表”近年来，各种新型电子式电度表不断推出，但其基本原理相同， 主要功能可归为三个方面：计量、计费功能，包括分时计量、最大需求计量和预 付费等；保护功能，包括过电流、过电压保护与防窃电等；通信功能，可以是红 外通讯、无线通讯、有线通讯等。电子式电度表可以实现测量电量参数的多样性、 多功能化。 ( 2 ) 、通信技术：负荷采集系统在通信组网方面，除了传统的无线载波、 光纤组网以外，近年来，随着全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，g s m ) 的发展，通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ，g p r s ) 网络由于能提供端到端的、广域的i p 连接且本身特别适用于间 断、突发性或频繁、少量的数据传输，因此逐渐发展成为负荷采集系统通信组网 除光纤外主要的通信通道，其通信方式如下图： 第1 2 页 贵州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 与传统的通信方式相比，基于6 p r s 的无线数据传输网络有如下优点： 建设成本低。有线通信方式电力系统需要自己投资架设通信光缆或电 缆，无疑需要高额的建设成本，而采用商业运行商的成熟网络必然减少 通信网络建设投资。电力系统只需支付采集终端传输数据的通信费用即 可 环境适应能力强。有线通信受地理环境的限制大，在一些特殊环境( 如 湖泊、林区) 要在短期内实现有限网络布线，基本不可能，而无线网络 却具备先天优势。 设备维护方便快捷。有线通信线路维护基本需要沿线路检查，出现线路 故障后派出故障时间长，而无线通信电力系统只需维护终端设备，故障 点少，出现故障也能迅速查找原因并排出 扩展性好。需要增加新的采集点时，只需配置新的终端设备并申请新的 s i m 卡即可使新终端设备通过无线网络连接到主站系统，无需新建设通 信线路。 2 ) 、计算机技术。负荷采集系统无论是采集终端还是后台主站都大量采用 了现代计算机技术。采集终端采用微电子技术、计算机芯片技术等当今最先进的 技术。是实现电力负荷管理的重要组成部分。后台主站则大量采用了软件开发技 术、中间件技术和数据库技术构建。其中在数据库管理领域，o r a c l e 公司推出 的r a c 技术成为热点，它所带来的低成本、高性能以及方便的计算资源共享正是 众多企业所追求的。 r a g ( r e a l p p l i c a t i o nc l u s t e r ，真正应用集群) 是o r a c l e 9 i 数据库中采 用的一项新技术，也是o r a c i e 数据库支持网格计算环境的核心技术。它的出现 解决了传统数据库应用中面临的一个重要问题：高性能、高可伸缩性与低价格之 间的矛盾。 过去，如果企业希望其信息系统具有良好的可靠性、可伸缩性和高性能，就 必须选择基于主机的系统，这意味着企业在系统建设之初就必须投入大量资金； 第1 3 页 贵州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 如果要节省成本，企业可以选择基于客户机服务器的计算体系，并在需要时逐 步增添新硬件、扩展系统，但如果需要进行应用升级，企业就不得不付出高昂的 升级费用，同时这种分布式系统的维护成本也不菲。采用r a c 技术，用户就有了 更多的选择，无论是选择基于i n t e l 架构的p c 服务器、u n i x 工作站，还是刀片 服务器；也无论是选择u n i x 、w i n d o w s ，还是l i n u x 操作系统，只要在这些软硬 件平台上部署了o r a c l e g i 的r a c 系统，这些分布在各处的系统就能组成集群， 实现用户所需的高性能和高可靠性。且当系统需要进一步扩展时，无需对应用程 序进行任何修改。r a c 技术通过c p u 共享和存储设备共享来实现多节点之间的无 缝集群，用户提交的每一项任务被自动分配给集群中的多台机器执行，用户不必 通过冗余的硬件来满足高可靠性要求。另一方面，r a c 可以实现c p u 的共享，即 使普通服务器组成的集群也能实现过去只有大型主机才能提供的高性能。 第1 4 页 贵州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 第二章一体化电能及负荷采集系统规划设计 2 1 系统设计概论 一体化电能及负荷采集系统是具有远程数据自动采集、计量装置监测、负 荷控制、用电质量监测、统计分析等功能且具有高度灵活性和实用性的自动化采 集系统。一体化电能及负荷采集系统大量采用先进的远程控制技术、计算机技术、 通信技术，提供一个现代化、信息化的电能及负荷采集平台，可以很好的满足市 场经济环境下供电公司对用电管理的需要。系统以g p r s c d 雌为主要通信通道， i j 支持短信、2 3 0 m 电台、电话拨号、光纤等其他通信通道：系统用j a v a 语言 丌发，可以部署在多种主流操作系统上：系统基于w e 的设计开发模式，采用j 2 e e 为系统构架的三层结构( 客户端应用服务器数据库服务器) 作为系统的基础技 术构架核心业务处理逻辑以中间件的形式部署在一个或多个j 2 e e 应用服务器 上：系统在设计上充分考虑了目前供电公司大客户分布面广、接入点多、供电规 模差异大的特点，具有很好的开放性、可扩展性、伸缩性、高可靠性等特点。 建设一体化电能及负荷采集系统不仅能够为供电企业提供一套高效、客观、 稳定的用电管理平台，而且能够为供电企业的经营和生产管理提供可靠决策依 据，同时满足生产管理和经营管理的要求以及将来电力商业化运营的要求扩展功 能。 2 2 系统设计目标 一体化电能及负荷采集系统的总体目标是通过直观、图形化的界面提供一种 高效、客观、稳定的用电监测、分析、管理、考核的系统平台，提高供电公司用 电管理的自动化水平，满足电力需求侧管理。 2 3 系统总体设计 系统总体结构设计如下图： 第i 5 页 贵卅l 大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 简要描述，系统构成如下： 1 ) 数据采集终端 数据采集终端安装在用电现场。通过r s 一4 8 5 口连接变电站、大用户、公变， 居民的表计具有电能计量数据、用电负荷数据采集、处理、贮存和与后台主站 通讯的功能。根据采集数据的不同需求，可安装不能功能的终端。如对变电站关 1 3 表和居民表计偏重电能数据的采集就安装电能采集终端；而大用户用电侧，配 变侧偏重用电负荷数据的采集则安装电力负荷采集终端。任何类型的数据采集终 端均可在现场通过终端本身及掌上电脑等设备进行参数的配置。 第1 6 页 贵州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 2 ) 通信系统 包含通信网络和通信前置机两大部分 ( 1 ) 通信网络 包含用电现场采集终端的通信模块，通信模块到通信前置机之间的通信链 路。由于通信网络覆盖面及运行成本等多方面的因素，系统通过兼容各种通信规 约达到支持各种形式的通信链路和采集终端，系统可采用g p r s c d m a ，2 3 0 m 电台、 电话拨号、光纤进行通信组网，构成现场终端与后台主站的通道。 ( 2 ) 通信前置机 通信l i 置机是连接采集终端与主站服务器的纽带，主要负责整个系统所需数 据的传递工作，具备两大功能：一、将现场采集终端主动上传的采集数据送往数 据库服务器；二、将后台工作站发出的命令或数据下发到现场采集终端。由于通 信前置机处于数据上传下达的咽喉要道，所以必须设计成两台或是多台负载均衡 运行的方式。 3 ) 后台主站系统 后台主站系统主要由工作站、应用服务器和数据库服务器三大部分组成。其 ( 1 ) 工作站用于采集终端命令、计划任务的下达，系统运行情况的监测和采集 数据的加工处理。 ( 2 ) 应用服务器功能是：为业务逻辑的实现提供支持，提供协议和接口的引擎， 支持通讯协议( 如盟韭、卫塑) 、数据库互联标准( 如i 旦鳗、q 堕堕) 、分布式计 算协议等多种工业标准；为支持高端应用而应当提供的功能，主要包括：皇釜 ( t r a n s a c t i o n ) 处理；塞登( c l u s t e r ) ：去垫筮复( f a i lo v e r ) ；鱼魏塑煎( 1 0 a d b a l a n c i n g ) ；缓存机制；安全服务；与企业已有应用系统的集成能力；开发有效 性( 与应用程序丌发环境和工具的结合能力) 。由于应用服务器要支撑繁多的业 第1 7 页 贵州大学工程硕士学位论文一体化电能及负荷采集系统规划设计 务逻辑且是系统连接数据库的关键，因此应采用成熟的商业软件作为支撑，如 b e a 公司的w e b l o g i c ，i b m 公司的w e b s p h e r e ，并且应采用多台集群的方式均衡响 应前端的应用请求。应用服务器支持对集群的配置，即在物理上统一应用管理多 台应用服务器对数据请求的分配和并行处理。这样计算请求并发量巨大时，集群 的多台应用服务器之间可以动态的进行任务分配，实现负载均衡，保证了系统性 能不会因为大量并发请求而急剧下降。 ( 3 ) 数据库服务器负责采集数据的存储和管理。采用一体化设计后，由于采集 数据可谓海量，因此数据库管理应采用大型商用数据库管理软件作为支撑，如 o r a c l e 、d b 2 且要充分应用数据仓库、数据挖掘技术。 2 4 系统设计原则 一体化电能及负荷采集系统坚持实用性和先进性相结合，在保证系统实用性的前 提下，能够满足系统规模和应用功能的不断扩展和完善，努力降低投资和运行成 本，保证系统技术水平和应用水平在未来5 年内保持国内领先水平 2 4 1 开放性原则 系统软件符合i e e ep o s i x l 0 0 2 0 工作组对“开放性”的定义，具有符合开放型 的系统结构体系。系统软件平台包括操作系统、数据库管理系统、网络通信规约、 应用软件开发环境均符合“开放型”的标准。系统在设计上遵循了标准化的原则， 各个子系统的接口相对独立，只要符合接口规范的子系统都可以兼容。整个系统 用纯j a v a 语言开发，支持各种主流操作系统。系统提供多种方式的接口，支持 异构体系之间的交互，来保证与其他系统数据的信息交换。 2 4 2 可扩展性原则 系统采用三层结构，表达层、业务逻辑层和后台数据库分离，后台数据库的变更 不会影响到业务逻辑层和表达层。由于采用了基于j 2 e e 的组件技术，整个系统 不依赖于任何特定的操作系统、中间件、硬件。系统具有优越的可扩展性：部署 新的应用逻辑组件无需更改现有程序。当系统应用的规模和复杂程度增加时只需 要部署新的应用逻辑组件即可，当系统已经在运行而客户需要增加新的业务需求 时，只要将新增的业务逻辑部署到应用服务器即可满足要求，不需重新启动正在 第1 8 页 贵州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 运行的系统，更不需更改原有系统的源代码来实现，可以很好的保证前期的投资 效益。系统的可扩展性还表现在其对终端数据的支持上，当终端数目规模不大时， 主站系统可以只部署满足要求的服务器和工作站。当终端数目增大，硬件设施满 足不了需求时，增加主站系统应用服务器的数量，利用系统的集群特性就可以满 足要求，同样地，增加应用服务器不影响已有系统的正常工作。 与其他系统接口可以选择部署一个专门的接口服务器支持与不同系统的互连。比 如具体的说 1 ) 一体化电能及负荷采集系统与现有的计量计费系统接口，可以选择部署一个 新的中间件。该组件可以从计量计费系统获得变电站关口计量表数据，通过 业务分析计算出比如线损等数据，然后以一种通用的结构( 如x m l 格式) 返 回给电力营销系统。 2 ) 一体化电能及负荷采集系统与现有的调度系统接口，可以选择部署一个新的 中间件，该组件从调度系统得到指令，组件计算得出比如功率总加等数据， 然后返回给调度系统 3 ) 一体化电能及负荷采集系统与现有的配变监测系统、用户集抄系统接口，可 以选择部署两个新的中间件，分别从配变监测系统、用户集抄系统获得数据， 计算出比如电量等数据，比较差值，从而得出从配变到用户之间的损耗。 2 4 3 功能独立性原则 一体化电能及负荷采集系统各个模块的功能相对独立。 一体化电能及负荷采集系统采用基于j 2 e e 构架的三层结构，实时监测系统、w e b 数据浏览软件、用电分析属于表达层( 客户端) ，数据采集、数据服务、报表服 务、负荷采集等业务位于业务逻辑层( 应用服务器) ，后台数据库属于数据层( 数 据库服务器) 。系统的各个应用逻辑都经过严格的软件测试，同时各个模块设计 都遵循支持错误处理的原则，一个模块由于意外引起故障不影响其它模块的正常 运转。在系统一级由于系统支持异构环境，可以将采集服务器、应用服务器等重 要的应用逻辑部署在健壮性好的操作系统如s u ns o l a r i s 、i b m0 s 3 9 0 上，而将 w e b 浏览、客户端软件等部署在w i n d o w2 0 0 0 等易于操作的系统上。 2 4 4 可伸缩性原则 系统的可伸缩性表现在业务功能和终端数量两方面。 第1 9 页 墨型查兰三堡堡主兰竺笙苎 一体化电能及负荷采集系统规划设计 1 ) 系统采用先进的基于j 2 e e 构架的三层结构，与传统的两层体系不同， 数据在从采集服务器到数据库，再从数据库发布到客户端的过程中不是 直接操作数据库，写库和读库及统计计算的逻辑由部署在j 2 e e 应用服 务器的中间件实现。传统的两层体系业务逻辑在客户端和服务器端都有 分布，采集服务器采集的数据直接写入到数据库，数据库和业务逻辑没 有真正分开，当数据传输或者客户端的请求并发量巨大时，系统性能下 降很快。现在业务逻辑分布到应用服务器上，数据库只负责基础业务数 据的管理，主要的计算任务由应用服务器完成，可以充分利用应用服务 器在并发处理和逻辑计算方便的优势。另外由于系统各个模块功能相对 独立，对于客户不需要的功能系统可以选择不配置此功能，当客户需 要增加相应的业务需求时，将模块功能在系统管理里打开即可。 2 ) 当系统配置的终端数量较少时，主站系统可以只配置满足要求的服务 器，当终端数量增大，硬件设施满足不了需求时，增加主站系统服务器 的数目，利用系统的集群特性就可以就分担新增的负载另外，应用服 务器支持对集群的配置，即在物理上统一应用管理多台应用服务器对数 据请求的分配和并行处理。这样计算请求并发量巨大时，集群的多台应 用服务器之间可以动态的进行任务分配，实现负载均衡，保证了系统性 能不会因为大量并发请求而急剧下降。由于供电公司大客户包含面广、 接入点多，很多供电公司建设用电管理系统时都采取分期投资、分期建 设的原则，系统的可伸缩性可以很好的支持这一原则。 2 4 5 安全性原则 一体化电能及负荷采集系统支持多种通信通道，某些信道可能会受到攻击。且大 客户数据最终将作为计费的依据，因此系统的安全性至关重要。对于采集数据的 传输、数据库的原始数据访问、数据的发布、各个应用程序的权限都做了严格的 控制防止机密信息的泄漏。由于采用了一系列的安全保证措施，系统可以从数据 传输开始一直到数据统计的各个环节保证数据的安全性、可靠性、正确性、完整 性。系统的数据操作有严格合理性检查，若发生错误，系统会自动回滚。不同的 应用程序对数据操作的权限是按照系统登录用户的权限。而用户只能操作它名下 电网对象的数据。 第2 0 页 贯州大学工程硕士学位论文 一体化电能及负荷采集系统规划设计 1 ) 数据传输时的安全性保证 系统支持r