（电气工程专业论文）包钢公司电能量采集管理系统的总体规划.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 本文根据包钢公司的实际情况，吸取国内外电能量计量自动化系统产品的优 对包钢公司电能量采集管理系统的建设进行了研究、设计和实现。依据软件工 程和面向对象设计方法，提出了系统的设计思想和框架模型。坚持以可靠性和实用 化为中心的原则，按照一次设计、分步实施思想，将系统建设分为三个阶段，即首 先实现电能数据的自动采集和集成；构建电能数据的应用平台，实现线损的综合分 析与管理、供电可靠性统计分析、配变监测和负荷分析等基本应用；在实现系统可 靠稳定实用基础上，充分对数据进行挖掘，实现电能数据的深层次应用。根据这个 设计方案，包钢公司要逐步建立一套完整的电能量采集管理系统。 关键词：电能量计量系统，电力市场技术支持系统，电能数据应用平台，g p r s a b s t r a c t b ys t u d y i n gt h eb a c k g r o u n da n dt h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h ee n e r g ym e t e r i n g & b i l l i n g a u t o m a t i o nm a s t e rs t a t i o n s y s t e m ，c o m p a r i s o n s a r em a d eb e t w e e n c o n t e m p o r a r yc o u n t e r p a r t si nb o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a sm a r k e t s ，a n dt h en e c e s s i t ya n d f e a s i b i l i t yo fd e v e l o p i n gs u c has y s t e ma r eg i v e n t h ed e s i g ni d e aa n df r a m em o d u l ea r e p u tf o r w a r d f r o mt h ev i e w p o i n to fh i e r a r c h i c a ld e v e l o p m e n t ，t h es y s t e mi sd i v i d e d i n t o d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，a r c h i v e sm a n a g e m e n tm o d u l e ，s y s t e mm a n a g e m e n tm o d u l e ， d a t a b a s em a n a g e m e n tm o d u l e ，o p e r a t i o ni n t e r f a c em o d u l e ，a u t o - c o m p u t a t i o nm o d u l e ， r e p o r tm o d u l e ，w e bs e r v i c em o d u l e ，l o a df o r e c a s tm o d u l e ，l i n e l o s sa n a l y s i sm o d u l e ， e t c b yu s i n gt h ed e s i g ni d e a ，b a o g a n gc o m p a n ys u c c e s s f u l l yr e a l i z e sac o m p l e t e e n e r g ym e t e r i n g m a n a g e ra u t o m a t i o nm a s t e rs t a t i o ns y s t e m l iz h o n g w a n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ig e n g y i na n dz h a n gj i a x i n g k e yw o r d s ：t e l em e t e rr e a d i n gs y s t e m ( t m r ) ，p r o v i n c ep o w e rm a r k e tt e c h n o l o g y s u p p o r ts y s t e m ( p p m t s s ) ，e n e r g yd a t aa p p l i c a t i o np l a t ( e d a p ) ，g p r s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包钢公司电能量采集管理系统的 总体规划，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：扭蔓侣 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：新签名：硷强 日期：尘”竺 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 1电能量计量自动化系统介绍 随着我国电力系统规模的迅速发展以及电力系统经营和管理体制的改革，电力 也作为商品进入了市场。作为专门采集处理各种电度量( 也可根据实际需要辅助采 集电流、电压、功率等相关参数) 以供有关部门进行用电核算、用电收费、以及相 应控制和管理的电能量计量系统，其配置己成为电力管理部门、发电部门、供电部 门必须考虑的问题和必备的计量核算手段【1 1 。 国家电力监管委员会电力市场技术支持系统功能规范( 试行) 中，电能量 计量系统( t m r ) 作为电力市场技术支持系统之一，主要实现对电能量数据进行自 动采集、远传和存储、预处理、统计分析，以支持电力市场的运营、电费结算、辅 助服务费用结算和经济补偿计算等【2 】【3 】。 1 1 1 电能量计量自动化系统在我国的发展历程 从上世纪9 0 年代初，广东省电力局、大亚湾核电站、深圳供电局、华北电管 局、南方电力联营公司等单位相继开始引进国外的电能量计费系统，在这方面作了 可贵的探索，取得了一定的经验。但是，由于西方国家在社会制度、管理体制、所 有制形式、电网负荷结构等方面与我国有较大的差异，引进系统也还存在着价格偏 高、汉化程度差、售后服务不及时、软件修改不方便、扩充不灵活等问题。要完全 依靠国外的技术力量来解决这些问题，不仅需要大量的资金，而且效果也未必定理 想。尽管如此，目前仍有一些单位正在或准备引进国外的电能量计费系统。因此， 如何根据我国电力系统的实际情况，制订出切实可行的电能量计费系统发展方针， 设计开发出实用可靠、技术先进、价格合理的国产电能量计费系统，便成为我们的 一项艰巨任务。 8 0 年代初期，通过四大网的引进、消化以及后续的部分省、地调的引进工作， 培养出了一大批系统概念清晰、业务能力强、技术水平高、外语优秀的综合性人才， 为我国自行设计开发具有国际先进水平的电力自动化系统，包括能量管理系统、发 电厂监控系统、变电站自动化系统、配电管理系统、负荷控制系统、电能量计费系 统、信息管理系统、通信监控系统等相关产品，打下了良好的人才基础。通过近2 0 年的改革开放，使我们能随时接触到各相关领域的最新技术和发展动态，设计开发 电力自动化系统的各有关软硬件平台和工具，都能根据实际需要而通过各种途经获 得，这为我们自行设计开发电能量计费系统提供了物质基础。电力法的颁布与 实施，电力系统管理与经营体制的逐步改革，中央主管部门相应措施的出台，以及 l 华北电力大学工程硕士学位论文 通过这么多年电力系统的发展和管理经营体制的转变与完善，广大电力生产和运行 管理部门对发展自己的电能量计费系统有了更深刻的认识，这为我们自行设计开发 电能量计费系统提供了应用基础。所以，立足于我国现有的人才基础、物质基础、 技术基础和应用基础，完全可以设计开发出既适合我国国情、又兼具技术性能先进、 结构合理、实用可靠的国产电能量计费系统【4 】【5 1 。 1 1 2 电能量计量自动化系统目前状况 当前从国外引进的电能计量自动化系统主要有两种：上海惠安公司代理的美国 u t s 公司的m v - 9 0 系统和l a n d i s & g y r 公司的d gc 5 0 0 和d gc 2 0 0 0 系统。国外 的系统主要实现电能数据的自动采集，系统运行可靠稳定；缺点是采集、通讯设备 多为引进，可维护性和可扩充性较差，例如针对国内众多型号的电子式多功能电能 表和采集终端产品，引进系统规约无法扩充；最关键的一点由于系统应用不符合中 国国情，业务处理方面较弱。例如：m v - 9 0 系统没有中文版，面向的电网结构也不 尽符合中国的实际情况( 如旁路问题) ，用户目前只是把该系统作为电能计量自动 化系统的“前置机”，完成数据采集作用，后台系统由其代理商上海惠安公司开发， 把采集的数据从b t r i v e 文件格式数据库导入o r a c l e 数据库然后进行进一步的分析与 处理。 目前国内有很多供应商也从事这方面的工作，比较知名的有东方电子、湖南威 远等。但由于电能计量自动化系统在中国于9 0 年代开始启动，处于发展的起步阶 段。2 0 0 2 年以前，系统的主要侧重点是电能量数据的采集，系统支撑平台建设和后 台应用较弱，并且在系统体系结构、数据应用、数据安全性等方面存在不同程度的 问题。仅能满足目前用户电量抄收和基本数据应用的需求，不能完全满足作为电力 市场技术支持系统的需求。 随着电力市场的建立，电力系统、计算机技术和通信技术的不断发展，对于仅 仅满足用户电量抄收和基本数据应用的电能量计量自动化系统已经不能完全满足 作为电力市场技术支持系统的需要。 1 1 3 电能量计量自动化系统最新技术方向 随着电能量计量自动化系统的应用，国内众多知名厂家开始探讨采用新的技术 解决系统运行过程中存在的主要瓶颈【6 】【7 】【8 1 。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 电能量数据的快速采集 面对越来越大的数据采集量，如何在充分利用新的信道资源的前提下，提高系 统数据的采集效率和存储效率。 ( 2 ) 电能量数据的快速加工 作为电力市场技术支持系统之一，对于电量计算的准确性和及时性要求越来越 2 华北电力大学工程硕士学位论文 高，逐步向实时结算的目标发展。 ( 3 )电能量数据的快速应用 如何利用商用数据库系统的特点，从数据库设计上提高数据的i o 能力。 ( 4 ) 电能量数据的采集的完整性 如何合理利用通信技术，全面采集各个电压等级的电能数据，实现大营销的远 期目标。 1 2 本文主要工作 由于电能计量自动化系统在国内已经过了十几年的发展，采集终端已基本成 熟，本文是以包钢电网电能量采集管理系统项目为依托，实现输、配电网络的电能 量计量自动化，建立一套主站系统。 研究的方法主要是遵循软件工程的方法论，用面向对象的系统分析、设计和实 现方法，针对目前技术发展情况和电能量管理发展需求，吸取当前电能量计量自动 化系统的优势和亮点，根据包钢公司业务部门的具体要求，以及今后的发展方向， 本着打好基础、分步实施的方针，规划建立一套先进的电能量采集管理系统。 在保证系统基本功能实现的基础上，探讨采用新的技术手段，解决目前电能量 计量自动化系统存在的几个技术瓶颈。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章包钢公司电能量采集管理系统分析 2 1 包钢公司电网现状 目前包钢公司共有变电站7 2 座( 其中2 2 0 k v2 座，l1 0 k v1 1 座，3 5 k v4 座， 1 0 k v5 5 座) ，现有包头市第一热电厂、张家营子变电所、桥西变电所、麻池变电所、 昆河变和高新变等6 个电源点，总负荷平均约6 0 万k w ，最大约6 6 3 万k w ；外网 ( 包头供电局供入) 最大约5 2 1 万k w ，平均约4 7 9 万k w ；自产发电平均约l o 8 万k w ，最大约1 4 2 万k w 。 2 1 1 表计现状 其中大部分为上世纪投运的变电所，存在电能计量设备配置老化、数据抄录统 计手段落后、信息传输缓慢等问题。 ( 1 ) 电能计量仪表配置老化、与电子信息化系统不兼容性 由于对电能计量检测设备改造投入不足，目前变电所的电能计量表计还是感应 型机械电能表，其中部分是行业淘汰落后表计，电能表的具体配置情况见表2 1 。 同时机械电能表不具备数据采集系统必需的数据通信接口和软件支持功能。 表2 1电能表的具体配置情况( 单位：台) ( 2 ) 数据抄录统计手段落后 包钢厂际间的电量结算和电能量数据统计工作目前还采用人工抄表、人工计算 统计、人工输出报表等落后手段，统计速度慢、准确度低、结算统计费时耗工、工 作效率低等。 ( 3 ) 信息传输缓慢 现在7 2 个变电所值班人员每天将通过抄录表底指针后，进行初步统计分析， 月底供电厂才能够计算出厂际间结算量和统计数据并向管理部门上报公布。因为电 能是不可储存的能源，这样的数据处理流程速度慢、信息掌握不及时，严重制约领 导及部门的决策和公司电能消耗及成本核算的实时管理。 2 1 2 通信网络状况 4 华北电力大学工程硕士学位论文 包钢电力调度中心与各变电站实现光纤通信环网，采用s d h l 5 5 光端机，各节 点提供r j 4 5 1 0 1 0 0 m 以太网口。 2 1 3 自动化系统状况 经过近几年的建设，包钢公司已初步建成以调度配网自动化系统、用电m i s 系统、生产m i s 系统、负荷控制系统为代表的自动化系统。 包钢公司电能量采集管理系统除了规划实现输电网和配电网的电能量计量自 动化，还要充分利用已有自动化系统资源，集成相关电能量数据，保证系统数据的 完整性。与项目实施有关的自动化系统见图2 1 。 调度配网自动化系统负荷控制系统生产m i s 系统 jj 包头供电局地调中心其他自动化系统包钢生产部能 图2 1 自动化系统关系示意图 2 2 包钢公司建立电能量采集管理系统的迫切性 随着电力体制改革步伐的加大及“十一五”规划单位g d p 能耗降低2 0 ，必然 要求建立电力的计价、能耗结算、核算、监控等技术支持系统。因此，人工抄表方 式已经远远不能满足用电监测的需要，主要表现为： ( 1 ) 抄表时间间隔较长，抄表数据单一，仅能用于计费和考核，不能及时了解 电网状态和用户、尤其是大用电户的用电情况。 ( 2 ) 具有严重的不同时性，给线损管理造成很大困难。 ( 3 ) 分时计费、错峰平谷的监测实施难以开展。 而各个自动化系统独立运行，没有充分利用各个自动化系统中的电能数据，导 致电能数据的分析不全面、不完整。 所以针对目前技术发展情况和电能量管理发展需求，吸取当前电能计量自动化 系统的优势和亮点，规划建立一套先进的电能量采集管理系统成为必须1 9 1i i o l 。 s 华北电力大学丁程硕士学位论文 2 3包钢公司电能量采集管理系统规划 针对目前电网技术、计算机技术、数据库技术和通信技术的发展状况，综合考 虑包钢公司各业务部门的具体要求，在吸取当前电能计量自动化系统的基础之上， 规划建立一套先进的电能量采集管理系统。 包钢公司电能量采集管理系统实际是实现一个以电能量计量自动化系统为基 础，并通过将多个自动化系统互连构建电能数据的应用平台，在电能数据应用平台 之上构建各业务部门需要的业务应用。 包钢公司电能量采集管理系统对包钢供电厂所辖的7 2 座变电站进行电能数据 自动抄收，集成用电m i s 系统、调度配网自动化系统、负控系统的电能量数据， 建立电能数据平台，进而对电量、负荷、线损等信息进行全面、综合的处理、统计、 计算、分析、查询、报表和发布传递，形成多层电量、负荷和线损数据管理，为全 公司的电量、负荷和线损管理和决策提供科学、可靠的依据，为节能降耗提高公司 效益提供基础决策数据。 整个系统的建设近期规划将分3 个阶段进行，描述如下： 第一阶段：实现电能数据的自动采集和集成； 第二阶段：构建电能数据的应用平台，实现电能数据基本应用； 第三阶段：构建电能数据的应用平台，实现线损的综合分析与管理、供电可靠 性统计分析、配变监测和负荷分析、车间班组用电考核优化等高级应用。 2 4 面向公司各相关部门的应用需求分析 对于电能量计量自动化系统( t m r ) ，目前国内各个厂家都有自己的功能规范， 包钢公司电能量采集管理系统在建设时，应面向实用化的目标。这就需要针对将来 使用该系统的职能和生产部门做应用的需求分析。 本系统包括主站系统和厂站系统，这里主要结合主站系统的建设目标，尝试按 照软件工程方法学结构化分析( s t r u c t u r e da n a l y s i s ) 技术进行针对性的需求分析。 需求分析是发现、求精、建模、规格说明和复审的过程。应从宏观角度调查分 析用户所面临的问题，也就是要尽可能准确了解生计部门、营销部门专业应用人员 需要解决的问题。应组织相关部门技术人员座谈，反复求精多次细化，只有充分理 解他们的应用需求，才能得出针对性需求结论，得出对系统目标的完整、准确和具 体的结论】。 包钢供电厂生产部门的主要需求为对统计线损的应用；而计划财务部门的应用 为对准确及时结算电量结果需求。系统设计时应充分考虑不同应用部门的不同需 求，进行分析、抽象、耦合。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章包钢公司电能量采集管理系统总体设计 3 1系统设计目标 包钢公司电能量采集管理系统是根据包钢公司电网现状及各业务部门的具体 要求，立足于现有的人才基础、物质基础、技术基础和应用基础，设计开发出适合 我国国情、又兼具技术性能先进、结构合理、实用可靠的电能量计量自动化系统。 系统为全面深入落实节能减排的要求，加强企业内部电量、线损考核与管理， 改变过去人工抄表、人工计算、统计线损率的落后方法，提高效率和准确性；通过 它，可以有针对地制定降损措施，提高经济效益；为公司用电规划提供基础数据。 系统采用系统化面向对象的设计思想，应用最先进的计算机网络通信和控制技 术、采用分层、分布、分散式结构，实现输、配电网以及用电网电能量的自动采集、 传输和存储、分析功能，并通过集成其它系统( 如d m s s c a d e m s 、m i s 等) 的电能数据，为电力企业的商业化运营提供决策依据【1 2 】。因此，包钢公司电能量采 集管理系统将与s c a d a e m s 、m i s 等一起，共同构成电能的生产、采购、销售的 管理工具，提高电网运行和管理的自动化水平。 该系统的具体实现以下目标： ( 1 ) t c p i p 网络，实现变电站各计量点电能量数据自动采集和监测。 ( 2 ) 通过g p r s 网络，实现对不具备光纤通道的重点考核对象运行数据实时采 集和监测。 ( 3 ) 分时段电能统计和分费率结算，为需求侧管理提供决策依据。 ( 4 ) 集成配网自动化系统、用电m i s 系统、负荷控制系统以及上级t m r 系统 电能数据，构建电能数据平台。 ( 5 ) 分压、分区、分线线损电量自动生成分析与考核，分变电站、母线电能量 平衡分析与考核；充分挖掘电能数据在线损分析中的应用，实现含盖输电网、配电 网的线损综合分析。 ( 6 ) 实现电压合格率和供电可靠性统计功能。 3 2 系统设计方法 电能量计量自动化系统虽然从上世纪9 0 年代发展到现在，系统的整体架构设 计上已基本稳定，但作为特定系统和特定应用，必然有特殊之处，系统在设计时要 遵循软件工程面向对象的设计思想，面向包钢公司的具体应用而设计开发。 分析是问题抽象( 做什么) ，设计是问题求解( 怎么做) ，实现是问题的解( 结 7 华北电力大学工程硕士学位论文 果) 。任何方法学对客观世界的抽象和求解过程都是如此。所以，在问题抽象阶段， 采用结构化方法面向过程，按照数据变换的过程寻找问题的结点，对问题进行分解。 与面向对象方法强调的对象模型不同，描述数据变换的功能模型是结构化方法的重 点。对于功能比数据更复杂或者更重要，采用结构化方法。对于数据结构复杂且变 换并不多，仍以过程主导分析和设计，避免一旦有系统变更就会给下游开发带来极 大混乱【13 1 。 由于对过程的理解不同，面向过程的功能细分所分割出的功能模块有时会因人 而异。而面向对象的对象细分，从同一问题领域的对象出发，不同人得出相同结论 的比率较高。 在设计上，结构化方法学产生自顶向下、结构清晰的系统结构。每个模块保持 了较强的独立性，它与数据库结构相独立，功能模块与数据库逻辑模式间没有映射 关系，程序与数据结构没有封装在一起。对于数据结构复杂，模块独立性很难保证。 面向对象方法抽象的系统结构往往并不比结构化方法产生的系统结构简单，但它能 映射到数据库结构中，所以很容易实现程序与数据结构的封装。 在软件工程基本原则中有一条“形式化原则”，即对问题世界的抽象结论应该以 形式化语言( 图形语言、伪码语言等) 表述出来。本课题使用对象模型图、数据辞 典、动态模型图、功能模型图。其中对象模型图近似系统结构图与实体关系图的结 合，动态模型图类似状态迁移图，功能模型图类似数据流图【1 4 】【1 5 】【1 6 】【17 1 。 t m r 系统有1 0 0 多个数据库表，但数据的加工( 变换) 很单纯，如果当初选 择结构化方法学，情况会怎么样? 在问题抽象的最初阶段不会有太大差异。由于数据变换少，可以把对象和对象 的操作看成一一对应，即最初问题描述的对象模型与功能模型基本一致。问题存在 于下层抽象里。 首先，许多公共超类对象设计与结构化方法相悖，因为它破坏了过程的连续性 及系统结构的逻辑层次性，把一些下层模块及在过程分析中没有语义的对象，放在 系统结构的上层。因此如果采用结构化方法，须将继承关系改为下层模块调用关系。 但是事实上，祖先对象的一些状态( 属性值) 是从主控模块直接得到指示而确定的； 从控制角度说，它的确处于系统的上层地位。如果采用结构化方法，结果将是要么 把系统结构变成网络状，失去结构化特征，要么放弃这种统一完成重复性劳动的设 计方案。 其次，应用对象模型向数据库概念模式的映射设计也是该系统采用面向对象方 法的一个标志。如果使用结构化方法，数据库模式可能映射客观世界的数据结构。 由于采集数据、计量档案、统计结果等各实体间客观存在着复杂的多重关系，其结 果可能定义出一个像蜘蛛网似的关系库结构，因而大大加重了数据库前端应用编程 和数据库维护的负担。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 总之，该系统若使用结构化方法，系统结构和数据库结构都可能成为网状结构， 且互相无关。而目前采用的面向对象方法，系统结构和数据库结构都是多重继承结 构，相互存在映射关系。显然前者较后者复杂性高、可维护性差、内部重用难度大、 重用率低【1 8 】【19 1 。 ： 其实，无论是用什么方法学开发软件，交给用户的都应该是满足用户当前需求 的软件。用户在短期内不会发现开发者使用先进方法学给他们带来的益处，倒是开 发者本身由于大大减轻了开发负担而最先受益。但是随着时间的推移，获得最大收 益的还是用户，因为软件的长期质量( 包括维护成本低和生存周期长) 给用户带来 的好处才是根本的。 在进行体系结构设计的时候，不仅要考虑使用哪个运行平台、编成语言、开发 环境、数据库管理系统等问题，更多的是要考虑与需求相关的问题。即架构设计应 以满足客户所有明确需求为最基本目标【2 0 】【2 。 目前电能量计量自动化系统的层次结构主要有两种模式，即采用两层结构和三 层结构；三层结构主要应用基于w e b 浏览器，考虑到电能数据处理的特殊性和应 用的效率，在浏览器b r o w s e 和服务器s e r v e r 之间建立中间层数据服务，目前 多采用j 2 e e 技术实现；两层结构主要应用基于专业的应用程序交互界面，采用客 户服务器( c s ) 结构，客户端直接访问数据库服务器； 一般来说，功能需求决定业务构架、非功能需求决定技术构架，变化案例决定 构架的范围。考虑到电能量计量自动化系统应用的专业性，本系统在实施时采用两 层结构； 接口设计主要包括系统内部、系统于协作系统之间的通信方式，即内部接口和 外部接口。考虑本系统集成用电m i s 、调度自动化系统的相关数据。 系统采用模块( m o d u l e ) 化设计。 电能量计量自动化系统为模块化系统，每个模块输入、输出、逻辑处理功能、 内部信息、运行环境应与包钢公司系统运行管理和应用的实际流程紧密相关，系统 的模块界定应依据运行管理和应用的需求。系统实施时采用模块化原理，使软件容 易测试和调试，有助于提高软件的可靠性。 按照包钢公司实际情况，系统的主要维护工作( 包括数据库服务、数据采集、 采集档案参数维护等) 属于信息中心：电能数据应用主要为线损专工。系统模块划 分除了从技术因素考虑外，还要考虑到实际的管理、维护、应用流程。 3 3系统设计应遵循的原则 在设计开发和应用电能量计量系统的工作中，一定要组织起强有力的工作小 组，抓住可靠性和实用化这个中心不放，才能获得最佳的投入产出比。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 坚持系统集成原则 在开发和应用系统的工作中，要走系统集成的道路，而不要重蹈一切从头开发 的覆辙。这样，就可以选择出通用、稳定、人机界面友好、维护升级简便的开发工 具、运行环境和支持软件，为提高系统性能、降低整个系统的成本奠定良好的基础。 ( 2 ) 坚持先进性原则 在系统的设计和研制开发工作中，一定要注意选择当前最先进的硬软件平台和 主流产品，确保系统的先进性、可扩充性，以保证以后的升级和备品备件的需求。 ( 3 ) 坚持开放性原则 系统必须为开放式结构，选用的操作系统、数据库系统、程序设计语言、计算 机网络通信协议、外部接口等都必须符合开放系统标准，以提高国产系统的对内对 外竞争能力和生命期。 ( 4 ) 可维护性原则 系统具有自检、联机诊断、远程维护等功能，支持厂方通过远程拨号对系统主 站和厂站产品进行远程维护，支持系统主站对厂站产品进行系统维护；当然，所有 各种维护都应有着严格的权限检查； ( 5 ) 完整性原则 由于电能数据具有累加性和传递性的特点，要求在任何情况下都不允许丢失电 能原始数据，特别是在进行分时段、分费率电能统计和结算时，尤为重要。在系统 设计中，应通过在采集处理及传输等环节采用多种技术手段确保数据完整。 ( 6 ) 同时性原则 由于电力交易的特殊性，系统应以标准g p s 时钟为基准，保证各个采集点计 量点基于相同时间基准完成对电能量的计量及电能量数据带时标的存储。 ( 7 ) 安全性原则 系统遵循电力系统“安全第一 的原则，符合电网和电厂计算机监控系统及 调度数据网络安全防护的规定及电力二次系统安全防护总体方案的要求，在 网络、数据库系统、数据应用系统等方面均应采用相应的安全防护措施： ( 8 ) 坚持分工协作原则 在系统的设计开发和应用工作中，一定要贯彻分工协作、相互支持和密切配合 的原则。由主管部门抽调精干人员组成高效的设计开发工作组，按统一设计方案分 头工作，加强内部交流、检查与协调，严格避免内部技术封锁或不同部门之间的恶 性竞争。规划、设计、科研、开发、生产、基建、管理、应用等部门都要按照总体 实施方案，协同一致，围绕一个目标共同努力，克服不利因素，做好各自负责的工 作。 3 4 系统结构 10 o # j 匕电力 l 。样硕l f 位论文 包钢公司电能量采集管理系统包拓主站系统、采集终端、电能表= 三部分构成， 本文着重讨论主站系统的建设。 3 4 1 系统支撑平台 ( 1 ) 软件平台 数据库服务器粟_ ju n i x 操作系统； 采集工作站采用中文w i n d o w s2 0 0 3s e r v e r ； 其他客户机操作系统可为中文w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 、w i n d o w s x p 等。 ( 2 ) 硬件平台 数据库服务器采用s u n 服务器； 采集工作站采用微机服务器： 其他客户机采用高性能微机。 ( 3 ) 支撑软件 编程软件采用c c + + 、a s p 。 342 硬件结构 系统主站配置硬件全面采用开放的工业发国际标准，主要包括数据库服务器、 采集工作站、维护工作站、业务工作站、网络设备、通讯设备构成。图3 1 为系统 结构框图。 包钢电能量采集管理系统配置图 数据库膳务器 蘸 一i 一璧霉1 ，宰 l 划3 i系统结构框架示愈h 华北 e 力大学工稚碗士孕位论文 数据管理服务器采朋双机冗余结构 ( 2 ) 采集工作站 数据采集工作站采用双机热蔷模式取机分流运行模式 ( 3 ) 网络设备 系统网络结构采用标准的分布式开放软件环境及先进的客户服务器结构模 式，分布式系统管理，采用符合国际标准的( 1 0 m b 1 0 0 m b ) 以太刚。 ( 4 ) 通讯设备 主站系统通过光纤环网与变电站采集终端互联；通过移动v p n 网与大用户采 集终端互联。 根据系统管理和维护的需要，数据库服务器和采集工作站由信息中心统一维 护，采用机架式服务器使用k v m 切换装置对四台设备进彳亍维护。 网 蚓3 - 2 系统主机机柜示意图 幽 _ 目略和 3 43 软件结构 系统实现电量采集、数据可靠性校验、数据编辑、后台计算、数据编辑功能 构建电能数据应用平台，在应用平台之上，充分挖掘电能数据，实现各种应用。 35 系统功能模块组织 应用系统软件采异j 分层式模块化设| 十，基奉系统实王虻 b 能数据的自动采集和集 成；构建电能数据的应片 小t 台，实现线损的综台分析与管理、供电可靠陛统计分析、 眦娈监删和负荷分析等岛级应j h ，且体如下分析。 35 1 基本系统 1 2 闲 、一曝#耄 ，i善三三誉骣 警晕避睾舞丢目芒呈 ：吖o o ， y 趣芝试罩并翟兽基啦抟妾三芝辜毒型 ffr嚣；奠三二西；一牛掣 s ；- 嚣 杈嵇晕扑r干辱掣h扑最手号鲁 华北电力大学工程硕士学位论文 基本系统是系统运行的最基本的应用软件配置，包含了系统底层的平台建设， 扩充和高级应用系统建立在基本系统之上。基本系统具体包括以下模块：数据采集 模块、档案管理模块、系统管理模块、数据库管理模块、业务界面模块、自动计算 服务模块、w e b 服务模块以及报表模块。 基本系统模块划分如下： ( 1 ) 数据采集模块 完成系统主站与电能量厂站系统之间的数据通讯，实现电能量数据的自动周期 采集和数据补测等功能，该模块为整个系统提供了数据源。 ( 2 ) 档案管理模块 从计量系统、电网设备和其他考核对象几个方面刻画整个系统，完成参数设置 功能，为系统提供运行参数。 ( 3 ) 系统管理模块 完成电能量采集管理系统多个功能模块和进程的集成，它作为一个程序在整个 网络的每一个节点上运行，但是各节点有不同的配置，以实现整个系统的网络及节 点资源管理。另外，系统管理还实现安全管理的功能。 ( 4 ) 数据库管理模块 具有历史数据库管理和实时数据库管理功能，是数据存储和处理基础。 ( 5 ) 数据业务模块 为整个系统提供数据浏览、维护和业务操作界面。 ( 6 ) 自动计算服务模块 该部分功能主要完成计量点和对象( 设备对象、管理对象) 电量的自动统计和 基本合理性检查功能，以及为应用提供统计分析数据服务。 ( 7 ) w e b 服务模块 主要实现基本统计分析的大部分查询功能，使用者为只对系统有查询要求无维 护操作的人员，通过w e b 交互查询界面形式将电量采集参数、电量分析参数、电 量原始数据、统计数据、分析数据结果等信息反馈给用户。 ( 8 ) 报表模块 支持以报表方式输出各种汇总统计。报表支持召唤、定时打印，报表可以通过 w e b 发布 由以上简单功能分析可以看出，电能量采集管理系统的基本系统实际上已经完 成了从数据采集到数据处理以及部分数据输出的主要工作，功能实质上是一个电能 量采集及处理系统。 3 5 2 电能数据应用平台及高级应用的建设 电能数据应用平台建设包含基本系统，通过集成s c a d a 、用电m i s 等系统的 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 电能数据，为电能数据高级应用提供全面的数据，实现线损的综合分析与管理、供 电可靠性统计分析、配变监测和负荷分析等高级应用。 3 6 关键技术和系统特点 3 6 1 面向电力对象数据库 早期的电能量计量自动化系统( t m r ) 的数据库设计是面向电能数据，简单地 建立表计和数据之间的对应关系。这种设计不利于面向应用。 包钢公司电能量采集管理系统应着眼于建立面向应用和电力市场技术支持系 统，因此系统在设计时应抽象物理设备和电能数据，基于电网层次结构进行电网设 备、计量系统的档案参数管理，灵活构造电网层次结构。系统所有档案参数的维护 要符合电力用户的习惯，实现面向电力对象的参数维护。 另外电能数据存储结构要充分考虑数据的访问性能，常规t m r 系统数据采用单 表存储，在采集点数量多( 本期规划设计采集点规模为1 0 0 0 点) 时无法保证数据的 访问性能。 表3 1电量表码表存储结构 以5 0 0 块电子式多功能表每天存储2 4 点多费率数据计算，年表码记录数为2 4 * 5 ( 费率) * 5 0 0 * 3 6 5 = 2 1 9 0 0 0 0 0 条记录。记录数太多造成系统数据访问性能迅速下降， 并给系统数据的备份和恢复带来很大困难。 本系统采用按月分时存储电能很好解决系统访问性能问题，通过数据应用平台 的底层处理，系统应用不必设定查询条件即可透明访问电能数据，即对应用来讲数 据仍然存储在一个库表中。 3 6 2 分布式数据采集系统 常规t m r 系统数据采集存储的瓶颈主要为双机热备运行模式和数据库连接多 线程的并发访问问题。 由于众所周知的发展历史，t m r 系统的数据采集机运行模式主要借鉴调度自动 1s o # 北电力人学l 程硕l 学忙睦空 化系统的取机热各方式，通常为主机正常工作，一主机处于备用状态，即 a c t i v e s t a n db y 模式，对f 较大的数据采集规模和较小采集数据的频率，这种 模式显然无沾满足快速采集、快速存储的技术要求： 另外数据采集机虽然多线释技术，世由于常规的数据访问接口( 如o d b c ) 币 支持多线程共用个连接并发井问数据库，实际上数据采集规约解释后的数据存储 仍然时串形存储，这种模式是快速采集、快速存储的最大瓶颈。 为解决以上瓶颈，提高系统的整体采集效率，采集系统采用双机负载均衡、双 机热备机制保障在某一主机放障情况下，另一主机自动接管采集任务，进行后续 数据采集工作。在故障恢复情况f ，自动释放各机采集任务，实现双机动态负载均 衡，以最大限度提高系统采集效率。参见图3 4 。 翻浮嗣 p - 尸烹 1 誊；古1 确学酾式 t a 摹 鼍争 甜il 小i 。 。 。1 露尽1 = ；旦层 数据最斑机支持分组策略，即是扑多组数抛采集机时工作。 以l 分巾式数捕：采集策略保证丁采集的高效率、高i 靠性。 363 后台多任务管理数据自动计算 1 m r 系统e 嚣i 别f 渊度自动化系统( e m s d m s s c a d a ) 的特点在于 16 华北电力大学i u 程硬- k 学位论文 调度自动化系统为实时监控系统，秀视数据的实时性；t m r 系统为准实时系统 上要保证数据的完整性和及| i 寸性主要j 作为对数据的统计分析。 所以t m r 系统成功与否的一个重要标志为数据统计分析的效率和完蝗性。本系 统设汁通过后台自动计算服务模块解决上述问题。 系统通过电量算服务模块后台自动对计量点( 表计) 、设备对象、考核对象、 管理对馥进行多周期方案的电量及损耗电量的相关运算，满足系统应用查询、统计 分析的性能要求。 计算服务采用分布式计算模式，系统通过任务调度中心产生计算任务，分布式 计算子程序向调度中心申请任务调度中心分发。任务调度中心采用a c t i v e s t a n d b y 模式实现双机热备。 任务的中请、分发通过t c p i p 协议完成。参见图3 5 。 嗣嗣 逗一4 黠 酿q 豳3 - 5 任务申请、分发示意幽 对于更换表计c t 、旁路代供、人t 追补电量、置入电量及表码修改等业务引 起f i 勺电显结果更正，通过业务事件触发计算服务生成追溯统计计算任务，对相关计 量点和对象重新统计，保证电最统计计算的准确性和及时性。 36 4 g p r s 无线通讯 奉系统通过g p r s 无线通信技术，实现大用户自动计量及配变监测，解决目前困 绕电力系统多年大用户、公用变的抄表问题，监测点分敞地域分布范闸广，通讯 手段噬乏采用人 ：抄录数 强山此带来的数掘及时件不高、准确性无法保证、运 行赞j j 高等问题。 通过秤计艟采集终端、g p r s 基站、g p r s 目l 房、部门之n lj 建立一个虚拟争叫 ( v p n ) 所有数据经加甯处理，确保数据小受非法侵入修改。具有高速传输、寅 时往线、按流量计费，投资较小：参见网3 - 6 。 华，i g i b 力人学【料硕e 忆潦上 i一弋、一 - = ，一、 j 1 0 一_ _ 一g s 、 ? 、 j 7 7 闰3 - 6g p r s 通信示意图 数据 线 段裾中心 舅 0 一一 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章电能数据的自动采集和集成 本系统应用的基础是电能数据，而电能数据的来源主要有两方面，一通过对变 电站和大用户终端进行自动采集；二是集成相关自动化系统数据。 4 1电能数据自动采集 4 1 1 变电站终端数据自动采集 公司信息网改造后，包钢公司光纤通信网基本形成，主站系统通过t c p i p 协 议与网络型采集终端进行通讯，充分利用现有光纤通信资源。 目前各变电站具备l o l o o m b i t s 以太网接口，实施时为每个变电站网络型采集 终端分配固定i p 地址，在中心站增加一台c i s c o2 9 5 0 网络交换机，实现与变电站 各节点连接，构成包钢公司变电站电能量采集网。参见图4 1 。 r j 4 5 接口至 信息中心 图4 1光纤网络示意图 数据采集子系统作为系统最低层的支撑系统，直接与采集器通信，建立与采集 器的通讯链路，负责原始数据的采集以及为采集器维护程序提供信道。 1 9 华北电力大学工程硕士学位论文 数据采集工作站设计为支持双机模式、分流数据模式。在系统数据采集负载较 轻情况下采用双机热备方式，双机自动判断完成主、备双机切换控制。在负载较重 情况下，采集终端及计量点数目较大，以及考虑将来系统的扩充，系统允许采用多 台主机分组分流，且每两台主机之间实现采集任务的自动接管控制，以提高系统的 可靠性。 数据采集工作站实现电能量、电能质量数据的自动周期采集、数据补测以及参 数下装等功能；能采集、处理厂站设备传送的与电能量相关的重要信息( 如p t 缺 相、c t 断线、相序错误、失电等事件、报警状态) ，系统支持随时抄表( 包括按设 定周期抄表) ，储存密度可调，数据可保存，可备份。 数据采集系统通过任务管理器管理采集任务，保证电能量原始数据不丢失。支 持周期定时数据采集、随机采集数据、自动数据补测、人工历史数据补测。 为保证系统的开放性和可扩充性，主站系统通过i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 通讯规约与采 集终端进行数据通讯，并通过建立规约库支持将来规约的扩充。 为提高系统的整体采集效率，综合考虑了采集终端的通信方式( 拨号、网络、 专线等) 、计量点数目、采集数据的频率( 不同关口类型的表计采集频率可不同， 如重要关口保证5 分钟采集、考核关口每小时采集，售电关口每日采集等) 以及管 理区域，合理划分每台采集服务器管理采集终端的数量和类型。 系统数据采集入库的基本指标满足3 0 秒完全采集入库。以每台主机负责5 0 个 终端为例( 每个站3 0 块表) 为例，采集对应的分费率电量表码数据、瞬时量数据， 采用边采集边入库( 当地分布式数据库) 方式，最终入库数据( 电量8 0 0 0 条记录， 瞬时量2 0 0 0 条) 。 采用拨号通信方式，同时提供5 条电话线路，采集数据约需要1 0 分钟，同时 完成采集数据入库。 采用a t m 、s d h 、v 2 8 、电力四线模拟专线( 直连) 方式，系统支持同时访问 终端，2 3 分钟内完成数据采集工作，采集数据入库大约需要4 5 分钟。 综合考虑不同通信方式，数据采集系统完成所有采集终端( 3 0 0 个厂站) ，所有 采集点( 采集点1 0 , 0 0 0 ) ，某一时刻的全部表码数据，并完成采集数据入库，接近 l o 分钟。 包钢公司所有变电站均采用s d h 通讯方式，完全能够满足3 0 秒完全采集入库 的性能指标。 4 1 2 大用户终端数据自动采集 对于电网配售部分( 大用户、公用变) ，多年来由于大用户监测点分散，地域 分布范围广，通讯手段匮乏，多采用人工抄录数据，由此带来的数据及时性不高、 准确性无法保证、运行费用高等问题。本项目依托g p r s 移动通信网络，以g p r s 2 0 # 北电力大学j ：稚倾十学位论文 无线数据通信产品，为大刖户电能量的自动计量提供更灵活可靠的无线数姑通信的 解决方案。通过本系统的建设，实现了数据的采集及管理自动化，利用新技术手段 柬监测线路备测量点的宴时运行情况，使得用户异常用电行为能够及时发现、及时 处理，降低线路线埙，最终为电力企业商业化运营提供决策依据；提高供电部门的 埘电管理水平和乜力知世的经济效益。 包镅公司本期通过g p r s 无线通讯方式实现1 0 0 个重点考核车间班组的电能量 的自动计量和实时监测。系统长远规划为藉此建立g p r s 数据中心，逐步实现其它