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硕士论文 基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 摘要 本文是建立在大庆炼油厂电力监控自动化系统项目的一期工程即电能量智能 监控及计费系统的基础上的。 首先本文对系统采用的三层c s 分布式结构各个部分作了细致的分析，该结构 模式把业务逻辑独立出来，形成了客户端、中间业务逻辑层和后端数据库服务器 层三层逻辑结构。 然后重点研究了为该系统设计的负荷预测系统。这个负荷预测系统隶属于整个 系统中的业务逻辑模块。负荷预测采用的工具是人工神经网络，通过对样本数据 的模糊化处理，按照l b g 算法进行空间划分，然后每个划分内的所有的学习样本 都参加训练对应该划分的b p 神经网络，并用每个划分空间的中心再训练一个系统 修正网络，在各空间内部网络和系统修正网络的协作下，最后完成负荷预测功能。 最后本文给出了实验数据，以验证负荷预测系统的可行性。 关键字：电能量采集三层c s 分布式结构负荷预测b p 神经网络 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 a b s t r a c t t h i st h e s i si sb u i l to nap r o j e c tn a m e dp o w e ra u t om o n i t o r i n gs y s t e mo fd a q i n g r e f i n e r y t h i sp r o j e c ti so n t h ef i r s tr o a d d e v e l o p m e n t n o w f i r s to fa l l ，t h i st h e s i ss h o w st h et h r e el a y e r sc sd i s t r i b u t e dc o n s t r u c t i o no ft h e w h o l es y s t e m ，a n da n a l y z e se a c hp a r to ft h es y s t e mc a r e f u l l y t h i sc o n s t r u c t i o nm o d e f o r m st h r e el a y e r sa sb e l o w ：c l i e n ti n t e r f a c el a y e r , t h eo p e r a t i o nl o g i cl a y e r , a n dt h e d a t a b a s es e r v e rl a y e r t h i sc a l lm a k et h eo p e r a t i o nl o g i cl a y e rm o r ei n d e p e n d e n ta n d e a s i e rt ou p g r a d e t h e n ，t h i st h e s i se m p h a s i z e so nt h es t u d yo fl o a df o r e c a s t i n gs y s t e md e s i g n e df o r t h ep r o j e c t t h i sl o a df o r e c a s t i n gs y s t e mb e l o n g st ot h eo p e r a t i o nl o g i cl a y e ri nt h e w h o l es y s t e m t h em e t h o du s e di nt h el o a df o r e c a s t i n gi st h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k b yd o i n g f u z z yo p e r a t i o n t ot h e s a m p l ed a t a , u s i n g t h el b ga l g o r i t h mt o c o m p a r t m e n t a l i z et h es a m p l es p a c e ，c o m p u t e t h ec e n t e ro fe a c hs p a c e ，u s i n ga l l s a m p l e si ne a c hs a m p l es p a c e t ot r a i nt h en e u r a ln e t w o r ka c c o r d i n gt ot h a ts a m p l es p a c e ， t h e nu s et h o s es p a c ec e n t e r st ot r a i nab p n e t w o r kt o m o d i f yt h es y s t e m i f t h es y s t e m p a s s t h ee x a m ，t h el o a df o r e c a s t i n gs y s t e mc a n r i l l i nt h ee n d ，t h i st h e s i ss h o w sae x p e r i m e n t ，a n dg i v et h ed a t aa n dt h er e s u l to f t h e e x p e r i m e n t ，s oa st op r o v e t h ef e a s i b i l i t yo f t h el o a df o r e c a s t i n gs y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t y c o l l e c t i o n ，t h r e el a y e r s c sd i s t r i b u t e d c o n s t r u c t i o n ，l o a d f o r e c a s t i n g ，b p n e u r a ln e t w o r k i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 下 研究生签名：3支口d 砰年石月么日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 了号 a o o 年年厂月石日 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 第一章绪论 1 1 电能量计量自动化的发展需求 日前从国家经贸委获悉，“十五”期间全国电力需求的平均增长速度为5 ， 这个速度相对“九五”显得比较平稳，电量的总供给与总需求基本平衡。2 0 0 5 年全国年发电量将达到1 7 5 0 0 亿千瓦时以上。国家经贸委对“十五”期间用电构 成、各地区供需状况及电价等都做了以下预测： ( 1 ) 用电构成将继续发生变化。 ( 2 ) 各地区供需平衡的差异将逐步缩小。 ( 3 ) 电价对电力需求的影响将趋于明显。 ( 4 ) 负荷增长速度将持续超过用电量增长速度。 与我国快速发展的用电需求不相称的是，目前仍有很多供电企业还在使用机 械式电表，且对电表计量信息的采集采用的仍是传统的手工抄表方式。由于机械 式电表所能提供的计量信息单一，不能满足实际计量的需要，而且手工抄表难以 及时发现电表的运行异常和故障，极易造成大的计量误差，此外，由于人工抄表 的不同步，导致从电表窗口获取的数值不具备同步性，直接造成了线损、电量统 计数据的不准确。 传统的手工抄表方式不仅费时费力，工作效率也非常低下。供电企业的线损 管理和分析工作，必须建立在大量的数据分析基础上，而通过人工抄录和管理来 实现大量的数据采集和数据分析是非常困难的。 随着电力体制改革的深入，对供电企业电能量分析也提出了更高的要求。如 何提高企业管理自动化水平和管理效率，满足未来电力市场竞价上网交易的需 要，成为摆在供电企业面前的一个迫切的问题。 电能量计量计费系统( 远程抄表系统) 是由电能量采集终端采集电能量数据， 通过主站软件计算、分析、处理后，以图表形式直观显示出来的一套辅助性计量 计费系统。其强大的监控管理能力，和便于操作的人性化设计越来越得到供电企 业的亲睐，用自动计量系统代替手工操作已经成为供电企业的一种改革趋势。 1 2 项目介绍 正是着眼于今后的中国电业的发展，大庆炼油厂正在实旌电力监控管理的自 动化建设项目，非常荣幸，我们团队接受了该项目，为大庆炼油厂设计和建设该 自动化系统。由于该系统将分期进行，我们团队目前设计的是该项目的一期工程， 现阶段的工程命名为电能量智能监控及计费系统。 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 在该系统中实现了对各个分站点的电能量数据采集，实时监控，意外报警。 数据统计，自动出账和收费，报表生成和打印等功能，在此基础上还对短期负荷 预测进行了研究，在后续开发中，期望得以应用。 因为大庆炼油厂规模庞大，除了自身工业生产用电，还向周围社区供电，每 年供销的电量巨大，所以对系统的安全性要求十分严格。为了向用户安全、经济 地提供高质量的电能，大庆炼油厂同当地的电力部门必须解决运行、控制、规划 等方面的许多技术、经济问题。为了实现对电力系统的最佳规划与运行，获得最 好的经济效益，应当在电力系统中应用系统工程理论与优化技术。然而，应用这 些理论与技术的前提是预先知道系统的负荷大小。因此，的负荷预测是一个很重 要的课题。 1 3 负荷预测介绍 电力系统负荷预测是电力系统运行、控制和规划不可缺少的一部分，是实现 电力系统安全、经济运行的基础，对一个电力系统而言，提高电网运行的安全性 和经济性，改善电能质量，都依赖于准确的负荷预测。此外，从发展来看，负荷 预测也是我国实现电力市场的必备条件，具有重要的理论意义和实用价值。随着 计算机在电力系统中的日益普及和电力系统自动化水平的不断提高，负荷预测的 精度也相应有所改进，并逐步实用化。负荷预测的结果已成为经济调度和推行电 力市场的必要基础。 电力负荷预测就是根据历史负荷值，在满足一定精度的情况下决定未来某特 定时刻的负荷值。电力负荷是一个随机的非平稳过程，由许多独立的随机分量组 成，但是影响系统负荷的各因素中大部分具有规律从而为实现有效的预测奠定 了基础，并产生了许多不同的负荷预测方法。 根据不同的预测目的，负荷预测可分为超短期、短期和中长期的预报。 ( 1 ) 超短期负荷预测 超短期负荷预测主要预测未来1 个小时内负荷的变化。其特点之一是预测时 间短，由于温度等因素变化比较缓慢，预测的基础负荷数据已包含温度等因素的 影响，预测中可以不考虑温度影响，但对一些特别天气事件情况，要根据经验考 虑；其特点之二是要求模型预测速度快，模型本身必须有在线预测功能；其特点 之三是预测精度要求高。 超短期负荷预测主要用于以下功能：a g c 调频，一般需5 l o s 的负荷数据； 安全监视，一般需l l o m i n 的负荷数据；预防控制和紧急状态处理，一般需1 0 6 0 m i n 的负荷数据；触发电力市场小时交易计划编制软件； 超短期负荷预测主要算法有：线性外推方法；神经网络预测法； 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 ( 2 ) 短期负荷预测 短期负荷预测主要预测未来1 日2 4 小时和一周1 6 8 小时负荷的变化。其特 点之一是周期性强，1 日或1 周的负荷具有很强的规律性：其特点之二是天气影 响很大，模型必须能够计及各种天气因素的影响：其特点之三是工作日、节假日 重大事件的影响，必须与正常的负荷区分开。 短期负荷预测主要用于以下目的：火电分配，一般需i 日1 周的负荷数据： 水火电协调，一般需1 日1 周的负荷数据：机组经济组合，一般需1 日1 周 的负荷数据；联络线交换功率计划，一般需1 日1 周的负荷数据：电力市场日 交易计划： 短期负荷预测主要算法有：线性外推方法；回归分析法：时间序列法：b p 人工神经网络预测法：r b f 人工神经网络预测法；组合预测法； ( 3 ) 中期负荷预测 中期负荷预测主要预测未来i 年1 2 个月负荷的变化。其特点之一是预测时 间长，计算速度没有特殊要求；其特点之二是规律性强，一年1 2 个月负荷具有 很强的规律性( 季节性、趋势性、周期性) ；其特点之三是气温、气候影响很大， 模型必须能够计及这些因素的影响：其特点之四是用电量和预测区域负荷构成、 工农业构成比例有关。 中期负荷预测主要用于以下目的：水库调度，需要1 月1 年的负荷数据： 机组检修，需要1 月1 年的负荷数据；联络线交换计划，需要1 月1 年的负 荷数据；燃料计划，需要1 月1 年的负荷数据；电网规划；电力市场中期预测 评估计划； 中期负荷预测主要算法有：分解法；回归分析法；时间序列法：多元变量法； 灰色预测法；人工神经元网络预测法；组和预测法； ( 4 ) 长期负荷预测 长期负荷预测是指1 1 0 年的系统负荷预测，主要用于系统规划和电力市场 的长期发展研究。系统负荷预测包括两方面的预测，即电量和电力的预测。由于 电量和电力可以通过一定的表达式建立一种对应关系，因此，系统负荷预测指的 是电量和电力同时进行的预测。对于系统电力负荷预测的方法，目前人们已经进 行了比较深入、细致的研究，提出了适应不同环境的预测方法，概括起来，这些 方法主要分为两大类：一类属于确定性的预测方法，即通过建立确定性的数学表 达式，来进行规划年电量和电力的预测，如单耗法、电力弹性系数法、计量经济 分析法、时间序列法、回归分析法、神经网络预测法等；另一类属于不确定性的 预测方法，众所周知，由于负荷预测( 特别是中长期负荷预测) 中有很多不确定 的因素，如政策的变化、气候条件、经济的发展水平等，这些因素很难用确定性 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 的数学模型来描述，因而人们又提出了考虑这些因素影响的预测模型和方法，如 专家系统预测、灰色预测法、模糊预测法，近年来又出现了模糊神经网络预测法、 灰色系统+ 遗传算法的预测方法、基于证据理论的预测法等。 长期负荷预测主要用于以下目的：电网规划；电力市场长期预测评估计划 长期负荷预测主要算法有：计量经济分析法；单耗法：时间序列法；相关分 析法；回归分析法；人工神经网络预测法；组和预测法等。 在本文中，关于负荷预测部分将主要对电力短期负荷预报进行研究，应用模 糊神经网络模型，重点研究如何预测一天以后某个时刻的负荷变化范围。对于短 期的负荷预报、尤其是日负荷预报，已有几种不同的方法。传统的方法几乎毫无 例外地属于时间序列的范畴，近年也利用专家系统进行负荷预报。这些方法有简 单有复杂，但总的看来，目前尚无一个固定的方法可以适用于一切负荷预测问题， 并保证优于其他方法。所以，在实际应用中，要对负荷实际变化规律及影响因素 做细致的分析。在已有的几种负荷模型中，有的在时间序列中没有考虑气候的影 响。这类预报方法是以外延法为基础的，负荷的变化则是用时间的傅立叶级数或 以时间为变量的趋势曲线来表示的；还有采用状态变量模型和自回归滑动平均模 型来描述负荷行为。在涉及气候影响的模型中，将负荷分解为两个分量：对气候 变化敏感的分量和对气候变化不敏感的分量。对气候变化敏感的分量常用校正技 术加以修正，而对气候变化不敏感的分量则用传统方法进行模拟。每种负荷分量 分别预报，其和则为总负荷的预报值。 这些传统方法的共同特点就是要求出未来的负荷与影响负荷的各个因素之 间的解析表达式，这往往非常困难，是影响负荷预报精度的重要原因之一。而人 工神经网络方法无需写出未来负荷与各个影响因素之间的解析表达式，通过样本 对神经网络进行训练即可。于是，人工神经网络方法成为提高负荷预报精度、缩 短预报的计算时间的有效途径，负荷预报成为人工神经网络方法最有前景的应用 领域之。同过前人的实验已经证明人工神经网络用于短期负荷预报是成功的， 可以达到工程所需精度要求。通过使用神经网络方法对大庆炼油厂供电系统的负 荷进行预报的研究，表明神经网络方法的预报有着一定程度的准确性。 1 4 内容安排 本文的内容安排如下：第二章介绍大庆电力监控系统，包括大庆炼油厂电能 量智能监控及计费系统整体布局，出账计费部分的细节，以及g i s 目前在系统中 的应用和后续开发的展望，其中计费模块是本文的重点之一；第三章介绍神经网 络基础：人工神经元模型和神经网络模型以及神经网络的学习，特别突出了b p 网络的反传过程，以作为第五章的应用的基础：第四章详细介绍了模糊推理的基 4 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 本概念，这将在第五章设计的网络中得到体现；第五章是本文的重点，介绍了针 对电力负荷预测而设计的神经网络，涉及到整体网络设计，数据的模糊化处理， 根据模糊关系归类，神经网络设计，以及对预测的短期限制方面的理解，并给出 了实验结果和数据分析；最后对全文进行了总结。 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 第二章电力监控系统设计 在本章中将介绍大庆炼油厂电能量智能监控及计费系统整体布局，出账计费 部分的细节，以及g i s 目前在系统中的应用和后续开发的展望。 2 1 系统设计思想 本次课题是围绕为大庆采油厂设计电能量智能监控及计费系统展开的。该电 能量计量自动化系统的设计目标是为了实现电能量采集，监控，负荷预测，和计 费的自动化，并能够在原来大庆炼油厂的手工作业的基础上进行平稳而渐进的升 级，与厂区的原有系统整合为新的自动系统。本章主要阐述系统中的电能采集与 计费部分。而负荷预测部分在第五章中将得到介绍。 2 1 1 电能采集与计费系统的特点 一般而言，设计的电能采集与计费系统应当具有如下特点： ( 1 ) 准确性。系统所采集的电能原始数据必须准确，符合相应的计量管理 标准和技术规范，这就要求包括电能表、电能数据采集处理装置、电能数据传输 及主站统计处理在内的整个电能计费系统的综合误差必须保证在规定的精确度 范围内。 ( 2 ) 可靠性。该系统作为购销电双方电能计量及电费结算的依据，运行必 须稳定可靠，值得双方信赖。 ( 3 ) 完整性。由于电能数据具有累加性和传递性的特点，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、分费率电能统计与结算时，尤为 重要。这就需要在采集处理及传输等环节采用相应的技术手段来确保数据的完整 性。 ( 4 ) 一致性。但任何时刻任何用户所面对和处理的电能数据应是完全一致 的，即任何一个对电能数据的合法处理，都应能同时反映和传递到其它用户。 ( 5 ) 同时性。由于电力市场中买卖各方的电能交易同时进行、同时完成， 电能的统计时段和结算费率的设定也是以时钟为基准进行的，这就要求整个系统 应具备统一的标准时钟系统，以保证各个计量点在同一时刻完成电能的计量及电 能数据的带时标存储。 ( 6 ) 及时性。为满足不同的电力市场运营的要求，对电能数据的累计和处 理应能根据实际要求做到准实时( 如以分钟级作为电能数据积分周期等) 。对于 现货交易电力市场( s p o tm a r k e t ) ，则对电能数据的传输和统计周期有较高的要 求。 6 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 ( 7 ) 灵活性。系统应在数据采集与传输、应用功能、数据保存和利用等方 面具有很大的灵活性。如分站点的电能数据采集处理器应能支持对电能脉冲输入 和串行电能数据输人的采集和处理，应能支持对单表或双表( 即主备表) 的接入 和处理，数据传送的方式可以是定时自动传送或应主站召唤传送，数据传输的通 道应当有多种选择等。 ( 8 ) 安全性。系统中的电能原始数据应不可删改。对电能计量和结算的模型 等也只有在授权许可下才能修改。应建立完善的保安措施，不同等级的用户，应 设定相应的访问权限，以保证电能计量的合法性和严肃性 下面是对系统的详细阐述。 2 1 2 系统要完成的功能 电能量智能监控及计费系统首先要完成电能数据的采集、处理、传输、存储 等工作，然后根据相应的统计及结算模型，实现对不同用户、不同时段、不同费 率下的电能统计与电费结算等功能。此外，通过对所采集到的电能数据的再加工 和进一步处理，可完成电网运行、管理、统计、规划等不同部门的各种应用功能。 电能统计数据是电能量值的累加，由于电能值的累加性，使得电能数据具有 相关性，即前一个数据的正确与否，对后续的电能数据( 电能累加值) 和最终的电 能统计数据有直接影响，故每一个数据都应该准确。而对电能数据传输和处理的 实时性没有太严格的要求，一般采用批统计数据处理的方式。 可以将一个电能采集与计费系统分成两个部分：一部分为电能数据采集与处 理系统( 前端系统) ，它完成电能的采集、统计及一般处理，另一部分为电能数据 应用系统( 后台系统) ，它满足不同用户对电能数据的处理要求和应用功能，如电 费结算、电能量考核及电能数据的分析应用等。 如图2 1 2 1 ，是为电能量采集分析系统设计的的整体示意图 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 图2 1 2 1 系统整体示意图 整个系统设计采用三层c s 分布式结构。选择三层c s 分布式结构，是因为 该结构的应用程序能够满足可扩展性和i n t e r n e t i n t r a n e t 应用两种需求。这种 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 模式的应用程序把业务逻辑独立出来，形成了客户端的客户界面层、中间业务逻 辑层和后端数据库服务器层的三层逻辑结构。这样可使客户端人机界面部分的程 序开发工作得以简化，因为它不必关心业务逻辑是如何访问数据库的，只需把精 力集中在人机界面上。中间业务逻辑层包含了大量的供客户端程序调用的业务逻 辑规则，以帮助其完成业务操作，由它负责与数据库交换数据，它的优点在于可 扩展性，便于业务的升级，而且随业务的变化在客户层和数据服务层所做的改动 较小。数据库服务器层主要提供对数据库进行各种操作的方法。当数据库的结构 确定后，对于它的改动也就比较小，系统的安全性得以提高，而且它可对每个业 务功能组件进行授权，限制了非法访问。 图中的网络层根据大庆采油厂具体情况，通过无线电台、g s m 短信、g s m 拨号( c s d ) 、g p r s 等四种方式进行通信连接。业务逻辑层提供数据库访问、电 能量监控、计费、报表生成、负荷预测等功能服务。通信服务器对从网络上传来 的数据进行检测，防止错误或者非法数据的进入，然后将验证过的数据传向服务 器。由于大庆采油一厂原来的电能计量表都是手工表，所以为了和原系统兼容考 虑了手工和自动并存的结构，在此基础上实现从手工表向自动表平稳升级的目 标。 整个系统中的前端系统( 电能数据采集与预处理) 主要有自动化系的老师和 学生合作完成。在杨靖宇老师和於东军老师的带领和主持下，本人同另外三名同 学合作开发了后台系统，即图2 1 2 1 中所示的客户端、数据库和业务逻辑部分。 后台系统是在j a v a 平台下开发完成的，选择j a v a 平台的目的是为了使系统具有 跨平台运行的能力，有利于以后的维护和推广。数据库采用了m i c r o s o f t 公司的 s q l 2 0 0 0 数据库，该数据库操作方便，适合在设计软件阶段采用，但是其安全性、 和稳定性受到专家的质疑，在软件实际应用时，可以考虑使用商业大型数据库， 比如o r a c l e 数据库。 下面将详细介绍系统的各个部分。 2 2 电能数据采集与处理系统( 前端系统) 基本功能包括：对电能数据的采集、处理、传输、存储等操作。 电能量智能监控及计费系统可由下列几部分构成：分站点的电能表、专用电 能数据采集和处理装置、数据传输通道及主站电能数据采集和处理计算机系统。 2 2 1 分站点 ( 1 ) 电能表 电能表是电能采集与计费系统的计量元件，其精度直接影响到整个计费系统 的电能计量精度。在2 2 0k v 及以上的电能计量与结算关口点，应采用0 5 级以 9 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 上的有功电能表，更精确的可以采用0 2 级的有功电能表。 ( 2 ) 专用电能数据采集装置 该装置是电能采集与计费系统的基础，它采集和处理关口电能表的电能数 据，并可根据用户的需要设定几个不同的积分周期和数据缓存区，分别将所得 到的电能积分周期值，带时标存储在各个相应的数据缓存区中。装置中还应具有 相应的安全保护机制，如对所采集和存储的电能数据及电能采集装置工作参数的 保护，使掉电情况下的电能数据或参数不丢失，避免电能数据或参数被非法修改 或删除。为保证各电能计量点时钟的同步和统一，在电能数据采集装置中还应具 有标准时钟系统( 如g p s 时钟系统) ，或具备与主站系统进行时钟同步的功能。 ( 3 ) 电能数据的传输 电能采集与计费系统要求对电能数据实时采集、带时标存储，但一般不要求 数据实时传送和及时处理，可根据系统或用户功能的需要，以批次数据传输的形 式向主站( 中央服务器) 传输，电能数据传输周期可以以分钟、小时甚至以天作 为计量单位。对某些有特殊要求的系统，也可采用准实时( 分钟级) 的数据传输方 式。 用于电能数据传输的通信规约，要适应电能数据批次传输的要求，因此，在 系统中设计了两种传输方式：定时数据传输( 自动传输) 和在主站要求下的召唤 数据传输( 人工启动传输) ，启动一次数据传输过程，传输批次的电能数据：对通 信报文的编码与接收，应采用严格的编码校验。 电能数据的传输，根据大庆炼油厂的实际情况，各分站点与主站通信的方式， 可以通过无线电台、g s m 短信、g s m 拨号( c s d ) 、g p r s 等四种方式进行通信连接 这样一旦某个通信方式无法传输数据，就可以切换到另一种通信方式，保证分各 站点和主站点是可联的。 2 2 2 主站点 ( 1 ) 主站电能数据的采集 存储在各电能数据采集装置中的电能量数据，可根据系统的要求，传输到相 应的主站系统。上一节已经介绍过，主站与分站点电能数据采集装置之间的数据 通信设计有两种方式：定时传输和人工召唤传输的方式。在特殊情况下，如分站 电站与主站系统之间不具备通信条件或通道长时间中断时，分站点所采集的电能 数据，可以通过便携式抄表设备( 如手持式抄表器或便携式计算机等) 来进行电能 数据的采集和传输。主站还设计有标准时钟系统，如g p s 时钟系统，以保证电能 计费系统各部分时钟的统一。这样，不论采用何种传输方式，主站系统都能保证 所采集的分站点电能数据的完整性和准确性。 ( 2 ) 主站电能数据的存储及处理 1 0 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 在主站采用了流行的、具有较广泛用户基础的s o l 2 0 0 0 数据库进行电能数据 的存储，以便为用户提供方便、高效的电能数据的检索、查询、维护手段，和对 电能数据的再处理，以实现用户特殊的应用功能的要求。 基于电能数据的特殊性及对电能数据处理和应用功能的要求，存储在数据库 中的电能数据结构至少应包括这样几个方面的内容：电能数据的识别信息( 如厂 站名称、线路名称等) 、时标信息( 如采集的时间、积分周期等) 、数据内容、数 据状态( 如采集状态、设备状态等) 、备注信息等等。并且考虑未来的发展，数 据结构会随着技术的发展和用户新要求的提出而需要变动，如何使得整个系统对 数据库内的数据结构( 表结构) 的变化自动识别，并且做出合理的反应，是一个 不容忽视的问题，由于我们的能力和技术所限，这个系统在这方面做的还不够， 是今后要努力改进的地方。 基于对原始电能数据安全性的要求，主站系统采用了相应的措施来保护原始 电能数据不被修改和删除。考虑到系统的维护和部分应用功能的要求，可能需要 进行对部分电能数据的修改或人工输人补充等操作，因此主站在数据库系统中建 立相应的电能数据副本，所有对电能数据必要的修改或检查等操作，只能对电能 数据的副本进行，但同时自动在对应的原始电能数据项和其副本数据项的电能数 据采集状态位上打上不可删除的标志，并将该标志携带到所有由其派生或参与计 算所形成的其它中间或结果数据中，用以提示。必要时还在对应的数据备注栏中 写人有关数据修改的理由、修改的时间及操作人员身份等注释，以备今后查阅。 对电能数据副本的操作，也设定了相应的操作权限，只有被授权的人员才可对电 能数据副本进行必要的操作。 主站系统还提供了基本的电能数据处理功能，如电能数据的校验、工程值转 换，灵活方便的多时段、多费率设置，对电能数据的分时段、分费率统计，简单 实用的报表统计等，为电能数据的进一步处理和应用打下基础。 2 3 电能采集与计费系统的应用功能( 后台系统) 这套电能量采集与计费系统的设计，可以改变大庆炼油厂现行传统的电能数 据采集方式。但是站点传统的人工抄表还在运作，不能够立刻全部升级为系统， 而且远方直接进行的电能数据采集与人工抄表所获得的电能数据，会因为抄表的 同时性、一致性及准确性较差等原因而导致数据可能的不一致，影响厂站电能统 计与管理工作。因此，我们在站点电能数据采集装置的基础上，同步设计了一个 功能实用的模块用来完成分站点自动采集和手工采集的电能数据的自动统计和 处理。这个模块也隶属于整个系统中的业务逻辑模块，运行于后台系统。 在后台系统中还为用户设计了丰富的应用功能，例如：数据库操作接口、数 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 据统计分析、实时监控、6 i s 管理、自动结账、收费管理、负荷预测、用户管理、 报表生成，等等。在这一节主要介绍结账收费和c i s 管理的相关部分。 2 3 1 自动出账和收费子系统 ( 1 ) 现行电能结算的一般方式 通过现场手工抄表或远方自动抄表等方式，将电能计量点的电能表读数送到 主站进行统计处理，然后，按照事先约定的电能结算模式( 费率、电价及有关电 能购销协议等) ，对电能数据进行相应的处理，计算出各个相关单位的购销电能 量费用，完成电费结算。这种电费结算模式，只与相关各方购销电能量数据( 电 能表读数) 及相关的电能购销协议有关，而与实际运行中的电网状况脱节，是一 种后期统计结算方式。电能的计量、抄表、统计和结算等工作一般由电力经营管 理部来完成。 ( 2 ) 适应电力市场的电能结算方式 在市场经济体制下，电网中发、供、用电各方严格按照事先签订的经济合同 安排生产计划，合同( 或计划) 的执行靠经济条款来保证，电网的行和管理主要依 靠经济考核手段来进行调控。 在电网的实际运行中，由于用户负荷的波动，用电负荷预测的准确性不够， 发、供、用电设备或系统运行的不稳定( 缺陷或故障) ，发电所需的燃料或水清的 临时变化等，都可能导致电网上发、供、用电各方计划的变化而引起电网的波动， 需要电网调度运行部门实时进行调整，以保证电网的稳定运行和电能质量符合要 求，同时，有关的责任各方应承担起相应的额外的电网调整费用( 合同违约费用) 。 但这一部分费用，以传统的电能结算手段和方法很难体现在有关责任各方的实际 发、供、用电数量上，仅靠常规的电能量的统计与结算是无法实现的，它需要结 合电网的实际运行状况，对上述情况下的电力、电量分别进行计量、统计、考核 与结算。在电力市场中这些问题是电网的经营管理部门必须面对和考虑的。 因此可以认为，在电力市场中的结算电费由这样两个部分构成： 基本电量电费( 合同电费) ：按照计量电能表读数及合同签订的电能结算模 式和电价进行计量和结算的电费，一般只与计量电能表的读数有关。 违约电费：在电网的实际运行过程中，电能购销有关各方根据自己的实际发、 用电需求情况，有可能超出事先合同所约定的购销电能量，进行合同计划外的电 能量购销。 ( 3 ) 子系统实现 在这个子系统中自动出账和收费都是按照每月一次，这是因为原来的手工出 账和收费也是每月进行一次，这样就可以较好的与原系统协同工作。而具体在每 个月的哪个时间段进行出账和收费。可以由用户按照意愿在系统界面中设定。当 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 每月的出账时间到来时，系统查找所有用电单位在数据库中的数据，计算该月用 电量多少。在这个计算过程中还涉及到线路电损计算，变损计算，以及由占用线 路和变压器的用屯单位分担损额，而不同的用电单位类别( 比如民用电，工业用 电，农业用电以及其他更明细的分类) ，有着各自不问的结算方式，因此严格按 照国家电力政策和用户要求制定计算方案显得非常重要。在所有的电表都完成了 出账之后( 因有可能几个用电单位需要共同分担部分电费) ，才能进行收费统计、 打印收费报表和通知单。在收费时，就要采用上面所说的适应电力市场的电能结 算方式，按照每个用电单位最后合计应付电量，计算各个用电单位本月应当缴纳 的电费。系统里面还设计了电费缴纳历史记载功能，对每个用电单位是否按时缴 纳电费进行记录，以便对其诚信进行评估，作为奖励或者惩罚的参考。 2 3 2 图形工作站子系统( g i s ) 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是一种基于计算机 的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。虽然地图 制作和地理分析已不是新鲜事，但g i s 执行这些任务比传统的手工方法更好更 快。而且，在g i s 技术出现之前，只有很少的人具有利用地理信息来帮助做出决 定和解决问题的能力。g i s 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能 与一般的数据库操作( 例如查询和统计分析等) 集成在一起。这种能力使g i s 与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、 预测结果、规划战略等中具有实用价值。 目前系统内g i s 模块的功能主要是：将整个后台系统，包括全局、局部电能 量监控，计费系统，统计报表系统，负荷预测系统等在不同比例地图的相应地理 位置上，以直观的方式显示出来，形成一个地理信息系统( g i s ) 。用户因此可以 选择自己喜欢的方式来管理系统，这样做的目的，是为了让用户更容易根据地理 概念管理整个系统，满足人性化的设计要求。但是现在使用的地图是固定的地区 地图，然后向系统输入地图地理参数，这样系统就能根据数据库里面记录的各需 要监控的目标的地理位置信息，计算其在地图上面对应的位置，进行贴图，并根 据用户的操作完成所需的功能。 在后续的开发中，计划向用户提供更强大的功能。构想中的g t s 系统将设计 为基于j 2 e e 的分布式结构的w e bg i s ，这样可以充分利用j z e e 体系结构的平台 无关性，以e 7 8 封装w e bg i s 的应用功能，实现w e bg i s 应用层的可移植性。对 于j 2 e e 的从业务逻辑的划分，将分布式w e bg i s 在业务逻辑上扩展，实现分布 式w e bg i s 的应用。可以考虑将分布式w e bg i s 划分为三层：数据表现层，即 实现w e bg i s 在客户端的表现：应用服务层，集中处理分布式事务处理以及g i s 的应用服务：数据服务层，提供对分布式数据的获取的功能。设想中的g i s 模 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 块的运作如下：客户端下载一个g i s 的a p p l e t ，同时向应用服务器的w e bg i s 模块发送一个数据请求，g i s 模块跟据用户请求向数据库获取原始数据并处理生 成用户所需的数据，通过w e b 服务器中的s e r v l e t 动态生成w e b 页面。发送给用 户在客户端，实现地理信息的发布、浏览、信息查询等功能。g i s 模块在应用服 务器的业务逻辑层运行，这样前端浏览器、中间的应用服务器和后端数据库服务 器组成了三层结构。 2 3 3 可扩展的应用功能设计 因为设计人员有可能不能完全领会和理解用户的全部功能要求，或由于具 体应用功能的不确定性及多变性，用户提出的功能规范书可能很含糊，或不确定， 导致系统在交货验收时双方标准不统一或没有严格的功能验收规范和标准来进 行检验和测试，用户所得到的应用功能可能不满足要求或很快被抛弃，造成系统 建设工期及费用上的浪费。因此，对于电能计费系统应用功能的实现，某些可以 明确提出要求和规范的应用，可在设计及合同中对设计人员提出并配合实现，而 许多其它的应用功能，一般情况下则应由电能采集与计费系统建设和维护部门的 专业技术人员，根据应用要求，后期自行研制或与其它部门联合开发完成，并构 成电能计费系统的后台应用系统，而不应包括在用户对电能采集与计费系统生产 厂家的功能规范书和供货范围中。但为了便于用户自己开发和实现不同的应用功 能，在前端系统的设计过程中，应提供给用户良好的应用软件开发、支持环境和 软件工具包或系统扩展的接口，如数据库访问工具或接口软件包、报表和曲线制 作工具软件包等，但是这个方面在目前的期工程中没有实现，在即将展开的二 期工程中会得到体现。 2 4 电能计费系统的计量认证及其计量保证体系 严格意义上讲，电能计费系统是完成一个量值传递的系统，它将符合法定计 量标准的电能表的电能数据采集并传输到电能计费系统的主站，理论上它不引入 新的计量误差但作为一个完整的计量系统，应该通过适当的方式和手段，进行相 应的计量认证，取得法定的计量合格证书，以满足计量设备的规程要求。 对电能计费系统的计量认证方式，不问于对一般的计金元件或设备的计公认 证，可通过实验室计量测试的方式予以检定。它涉及到完整系统的多个环节，每 个环节的准确性及可靠性都直接影响到系统的准确性，特别是系统的可靠性指 标，尤其重要。 对电能计费系统的计量认证可以采取以下几个方面的步骤同时进行： ( 1 ) 对计费系统电能数据抄表原理的认证，可通过实验室测试的方式来完 成。 1 4 硕士论文基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 ( 2 ) 对计费系统电能数据准确性的认证，通过一段时间的现场测试来检验。 ( 3 ) 对电能计费系统可靠性的认证，通过至少半年并行的人工抄表数据与 电能计费系统的统计数据进行对比和分析，来认证电能计费系统电能数据与现行 电能计费统计数据的一致性和可靠性 一个电能计费系统，只有在通过了有关部门的计量认证，获得相应的计量 许可，得到电能结算各方计量部门的承认，并建立了相应的计量保证体系的情况 下，才具备了投人正式商业运行的条件。 虽然本电能量智能监控及计费系统已经在大庆炼油厂实地进行了安装调试， 得到了改进，用户也表示满意，但是在最后投入正式商业运行之前。还要由相关 部门进行计量认证，获得计量许可。这方面的工作，已经引起我们团队的注意， 还需要我们作许多努力才行。 在本章的最后还需要指出的是：用户特别提出了，要求系统最终能够高度自 动化，尽可能减少人为干预的成分，让整个系统的操作，特别是涉及计量和收费 的操作应当有足够的透明度，便于监督和管理。虽然让系统实现高度自动化是可 行的，但是最后操作本系统的还是用户自身，因此要实现规范、高效、透明的管 理，除了具备基础的硬件条件，还要求操作人员的素质合格才行，这就需要用户 组织员工进行培训和学习，这样才能够组成一个默契的整体，让系统发挥应有的 功能。 硕士论立基于电能量智能监控及计费系统的负荷预测研究 第三章神经网络基础 人脑是宇宙中已知最复杂、最完善和最有效的信息处理系统，是生物进化的 最高产物，是人类智能、思维和情绪等高级精神活动的物质基础，也是人类认识 较少的领域之一。长期以来，人们不断地通过神经学、生物学、心理学、认知学、 数学、电子学和计算机科学等一系列学科，对神经网络进行分析和研究企图揭示 人脑的工作机理，了解神经系统的一些特性，设计出具有类似大脑某些功能的系 统来处理各种信息，解决不同问题。 模拟人类实际神经网络的数学方法问世以来，人们已慢慢习惯了把这种人工 神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 直接称为神经网络。神经网络 在系统辨识，模式识别，智能控制等领域有着广泛而吸引人的前景。特别在智能 控制中，人们对神经网络的自学习功能尤其感兴趣，并且把神经网络这一重要特 点看作是解决自动控制中控制器适应能力这个难题的关键钥匙之一。 神经网络的基础在于神经元。 神经元是以生物神经系统的神经细胞为基础的生物模型。在人们对生物神经 系统进行研究，以探讨人工智能的机制时，把神经元数学化，从而产生了神经元 数学模型。 大量的形式相同的神经元连结在一起就组成了神经网络。神经网络是一个高 度非线性动力学系统。虽然，每个神经元的结构和功能都不复杂，但是神经网络 的动态行为则是十分复杂的；因此，用神经网络可以表达实际物理世界的各种现 象。 神经网络模型是以神经元的数学模型为基础来描述的。神经网络模型由网络 拓扑，节点特点和学习规则来表示。神经网络对人们的巨大吸引力主要在下列几 点1 2 ： ( 1 ) 并行分布处理： 人工神经网络是由许多相同的简单处理单元并联组合而成，虽然每个单元的 功能简单，但大量简单处理单元的并行活动使其对信息的处理能力与效果惊人。 ( 2 ) 高度鲁棒性和容错能力。 人工神经网络通过自身的网络结构实现对信息的记忆。而所记忆的信息是存 储在神经元之间的权重中。从单个权重中看不出所存储的信息内容。因而是分布 式的存储方式。这使得网络具有良好的容错性并行性聚类分析、特征提取、缺损 模式恢复等模式信息处理工作；又易于作模式分类、模式联想等模式识别工作。 ( 3 ) 分布存储及学习能力。 人工神经网络可以通过训练和学习来获得网络的权值与结构，呈现出很强的 硕士论文基于电能量智能监控及计赞系统的负荷预测研究 自学习能力和对环境的自适应能力。 ( 4 ) 能充分逼近复杂的非线性关系。 人工神经网络每个神经元接受大量其它神经元的输入，并通过并行网络产生 输出，影响其它神经元。网络之间的这种互相制约和互相影响，实现了从输入到 输出状态空间的非线性映射。从全局的观点看，网络的整体性能不是网络局部性 能的简单迭加，而表现出某种集体性的行为。 神经网络的模型现在有数十种之多，应用较多的典型的神经网络模型包括