芮 昱 李世光 薛春陽(yáng) 桑志峰 邱 彪

（1.山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 山東 青島266510；2.濟(jì)寧金威熱電有限公司，山東 濟(jì)寧272350；3.青島盤古電氣有限公司, 山東 青島266100）

與傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表相比,電子式電能表具有測(cè)量精度高,過(guò)載能力強(qiáng),功率消耗低, 性能穩(wěn)定可靠,體積小,重量輕,操作簡(jiǎn)便,易于實(shí)現(xiàn)管理功能的擴(kuò)展,一表多用等特點(diǎn)。新型電子式電能表的應(yīng)用,使供電企業(yè)的電能計(jì)量管理水平和技術(shù)水平都有了很大提高。電子式電能表其顯著特點(diǎn)是通信網(wǎng)絡(luò)采用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)相結(jié)合的方式，每臺(tái)終端既可以單獨(dú)工作，也可以組網(wǎng)運(yùn)行，非常方便進(jìn)行單級(jí)或多級(jí)組網(wǎng)；單臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作，非常便于維護(hù)、安全性能高。由于終端采用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模式，無(wú)須鋪設(shè)專用通信線路且無(wú)須專用設(shè)備支持，所以該產(chǎn)品在電力系統(tǒng)自動(dòng)化管理、或升級(jí)改造中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

電能表采用 GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方式。通過(guò)GPRS系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)電表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、開關(guān)等控制操作。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量大，配電數(shù)據(jù)中心和每一個(gè)終端保持實(shí)時(shí)連接,數(shù)據(jù)庫(kù)可方便的進(jìn)行維護(hù)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，可對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并可在權(quán)限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)設(shè)置多級(jí)權(quán)限，不同權(quán)限的功能有所不同。系統(tǒng)管理員可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)置各級(jí)權(quán)限，方便整個(gè)系統(tǒng)的管理與維護(hù)。提出采用 GPRS與 Internet 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的通信手段, 融合 GPRS通信和嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程無(wú)線用電參數(shù)檢測(cè)管理系統(tǒng)方案, 為供電企業(yè)信息一體化的推廣提供了基礎(chǔ)[1]。

1 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)軟件：微軟公司的Windows 2000；數(shù)據(jù)庫(kù)軟件：SQL Server2000；應(yīng)用軟件：服務(wù)器應(yīng)用程序采用電力系統(tǒng)專業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件 EpSynall開發(fā)，客戶端軟件采用Microsoft公司的Visual C++ 6.0設(shè)計(jì)；通信協(xié)議：《電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約-2004》，支持TCP/UDP/SMS傳輸模式。

該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①功能強(qiáng)：系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信處理、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)率刷新和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)查詢方面采用了獨(dú)特的快速算法，確保系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)量、高變化率的前提下能夠滿足電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求；②安全性高：監(jiān)控系統(tǒng)符合電力行業(yè)安全防范規(guī)則和礦區(qū)安全操作規(guī)程；③標(biāo)準(zhǔn)化程度高：確保本項(xiàng)目建成的系統(tǒng)符合電網(wǎng)信息系統(tǒng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和滿足電網(wǎng)目前的要求和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

2 本系統(tǒng)中GPRS技術(shù)的主要特點(diǎn)

1）實(shí)時(shí)性強(qiáng)

GPRS具有實(shí)時(shí)在線的特性，組件無(wú)需延時(shí)，無(wú)需輪巡就可以同步接受處理單個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可很好的滿足對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。

2）可對(duì)測(cè)控儀和電表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制

通過(guò)GPRS組件還可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控儀和電表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、開關(guān)等控制操作。

3）建設(shè)成本低

若采用GPRS的無(wú)線公網(wǎng)平臺(tái)，則只需安裝好設(shè)備就可使用，不需要為遠(yuǎn)程抄表進(jìn)行專門布線，前期投資少，見效快，后期升級(jí)、維護(hù)成本低。

4）集抄范圍廣

GPRS覆蓋范圍廣，在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之內(nèi)，都可以完成對(duì)集抄的控制和管理。而且，擴(kuò)容無(wú)限制，接入地點(diǎn)無(wú)限制，能滿足山區(qū)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。

5）組件的傳輸容量大

配電數(shù)據(jù)中心要和每一個(gè)用戶數(shù)據(jù)采集點(diǎn)保持實(shí)時(shí)連接。由于用戶數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)量眾多，所以GPRS技術(shù)能很好的滿足系統(tǒng)對(duì)傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的要求。

6）數(shù)據(jù)傳送速率高

每個(gè)用戶數(shù)據(jù)采集點(diǎn)每次數(shù)據(jù)傳輸量在 10kbit/s之內(nèi)。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送速率理論上可達(dá)171.2kbit/s，目前GPRS實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率在40kbit/s左右，完全能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10kbit/s）的需求。

7）通信費(fèi)用低

采用包月計(jì)費(fèi)方式，運(yùn)營(yíng)成本低。

8）操作簡(jiǎn)單

本系統(tǒng)有強(qiáng)大的后臺(tái)軟件支持，界面設(shè)計(jì)人性化，操作簡(jiǎn)單方便。

3 網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 市級(jí)網(wǎng)絡(luò)化功能及管理

終端的遠(yuǎn)程通信功能要配合自主開發(fā)的電力信息管理平臺(tái)及電力局域網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1所示為電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理框圖。

圖1 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖

市級(jí)網(wǎng)絡(luò)可以分為三層結(jié)構(gòu)：

1）終端層。由分布在各變壓器二次側(cè)的電能表構(gòu)成，電能表除完成計(jì)量工作外還可以用作檢測(cè)電壓電流、控制開關(guān)離合等功能。終端層數(shù)據(jù)信息的收發(fā)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)，后經(jīng)GPRS轉(zhuǎn)接到Internet上。

2）服務(wù)器層。本層可由一臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器組成，設(shè)于電力公司的調(diào)度中心，通過(guò) Internet收發(fā)相關(guān)信息。服務(wù)器的主要作用在于采集數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)功能，將信息通過(guò)電力內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至各工作站。

3）工作站層。工作站包括各變電所及電力公司相關(guān)部門。服務(wù)器層并不實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)的查看，所以各種實(shí)際功能是在工作站通知服務(wù)器來(lái)工作的。實(shí)際可以實(shí)現(xiàn)的功能包括：狀態(tài)檢測(cè)、歷史查看、遠(yuǎn)程抄表、報(bào)警信息、遠(yuǎn)程遙控。

3.2 省級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架方案

為了達(dá)到真正的一體化智能調(diào)度體系，還設(shè)計(jì)了省級(jí)一體化管理的具體方案。此方案的主要目的是配合電力公司正在大力投資的智能電網(wǎng)改造，實(shí)現(xiàn)省級(jí)單位對(duì)市級(jí)或縣級(jí)單位的直接網(wǎng)絡(luò)調(diào)度與管理。根據(jù)各省不同的網(wǎng)絡(luò)情況，設(shè)計(jì)了三套實(shí)施方案。

方案一：省級(jí)集中式管理體系

可將現(xiàn)已運(yùn)作成熟的市級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理模式直接應(yīng)用到省級(jí)網(wǎng)絡(luò)方式上。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 省級(jí)集中式管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

可在省級(jí)服務(wù)器上安裝網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的服務(wù)器端，電能表終端在與市級(jí)通信的同時(shí)也將與省級(jí)服務(wù)器建立連接，交換數(shù)據(jù)。這種模式相當(dāng)于將城鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)模式擴(kuò)大化。省級(jí)服務(wù)器直接存儲(chǔ)了所有終端數(shù)據(jù)，查詢?cè)L問(wèn)速度迅速。由于只是網(wǎng)絡(luò)模式的擴(kuò)大而并非實(shí)質(zhì)性的改造，所以城鎮(zhèn)系統(tǒng)的原有功能不會(huì)在省級(jí)系統(tǒng)中減少，并且由于統(tǒng)一管理了多市級(jí)或縣級(jí)終端，可以增添各種數(shù)據(jù)對(duì)比、總結(jié)、分析功能。

方案二：基于電力廣域網(wǎng)方案

若省級(jí)廣域網(wǎng)建設(shè)成熟，則本系統(tǒng)的省級(jí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相對(duì)較簡(jiǎn)單，可直接利用現(xiàn)有的廣域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?？紤]到軟件的通用和簡(jiǎn)易性，可將省級(jí)對(duì)市級(jí)的軟件模式由原本的C/S架構(gòu)改為B/S架構(gòu)，如此可與已有的電力系統(tǒng)辦公自動(dòng)化相結(jié)合，達(dá)到事半功倍的效果。圖3為系統(tǒng)在廣域網(wǎng)下的模式框圖。

各市級(jí)局域網(wǎng)內(nèi)服務(wù)器可經(jīng)過(guò)廣域網(wǎng)與省級(jí)服務(wù)器建立連接交換數(shù)據(jù)。（圖3僅為框圖，具體網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)未涉及）。省級(jí)部門人員可通過(guò)高權(quán)限用戶訪問(wèn)各地局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型也可根據(jù)需要在原有數(shù)據(jù)類型中進(jìn)行增減。比如省級(jí)部門更注重歷史統(tǒng)計(jì)，則可增添更加詳細(xì)的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。

方案三：VPN實(shí)施方案

圖3 電力廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

若省級(jí)廣域網(wǎng)建設(shè)并不成熟，或者正在建設(shè)中，則可用VPN（虛擬專用網(wǎng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)省級(jí)遠(yuǎn)程訪問(wèn)市級(jí)局域網(wǎng)中的服務(wù)器[2]。VPN是一種利用公用通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)建立專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。VPN能實(shí)現(xiàn)專用網(wǎng)絡(luò)的功能，但不是真實(shí)的專用網(wǎng)絡(luò)。VPN技術(shù)的引入既可以大大降低網(wǎng)絡(luò)工程的創(chuàng)建投入，又可以擺脫部分繁重的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和維護(hù)工作量。

將原本運(yùn)行在市級(jí)局域網(wǎng)中的測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)VPN通道與省級(jí)服務(wù)器建立連接后可以容易實(shí)現(xiàn)跨域數(shù)據(jù)訪問(wèn)。基于這個(gè)技術(shù)不需要在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上做更多技術(shù)性更新，方便節(jié)約。

3.3 三種方案的對(duì)比分析

多種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架模式體現(xiàn)了本產(chǎn)品在智能組網(wǎng)方面的靈活性和便捷性。上述三種方案足以應(yīng)對(duì)現(xiàn)存的各種電力內(nèi)網(wǎng)，公網(wǎng)模式。下面分析一下各方案的優(yōu)缺點(diǎn)。方案一組網(wǎng)簡(jiǎn)單，速度快捷，并且可擴(kuò)展功能多樣，但由于數(shù)據(jù)量較大，消耗服務(wù)器資源較多，并且由于是直通式結(jié)構(gòu)安全性較差，可能要花費(fèi)較多資源在安全維護(hù)上。方案二可在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上加以改造，不會(huì)浪費(fèi)額外費(fèi)用，數(shù)據(jù)分布在各級(jí)服務(wù)器中，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，降低頂端服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，但需要基于電力廣域網(wǎng)，容易受到局限。方案三使用的 VPN技術(shù)是現(xiàn)在大型企業(yè)常使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，穩(wěn)定可靠[3]。由于VPN自身的特性，可以使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有節(jié)約成本、安全可靠、支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、容易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)不同需求來(lái)選擇最適合的組網(wǎng)模式，盡選其優(yōu)勢(shì)避其劣勢(shì)。雖各方案都達(dá)不到十全十美，但總會(huì)有最適合現(xiàn)狀的方案。并且三種方案在系統(tǒng)擴(kuò)展升級(jí)方面都不會(huì)存在問(wèn)題，這為以后的升級(jí)排除了疑慮。

通過(guò)以上三個(gè)方案的總結(jié)，將現(xiàn)已成熟的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推廣至省級(jí)管理系統(tǒng)并不存在任何技術(shù)難題及高費(fèi)用的問(wèn)題，完全有能力將系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)省級(jí)一體化管理。

4 系統(tǒng)運(yùn)行情況分析介紹

4.1 狀態(tài)檢測(cè)與歷史記錄查看

信息管理平臺(tái)可以根據(jù)規(guī)定的時(shí)間召喚電壓電流、有功無(wú)功正反向功率，并自動(dòng)形成電壓、電流、負(fù)荷合曲線[4]，系統(tǒng)可以保存12個(gè)月的檢測(cè)信息。取樣時(shí)間間隔可以設(shè)定，可選值為 5min、15min、30min、1h、1天。在工作站查看歷史數(shù)據(jù)時(shí)只需把相關(guān)日期區(qū)間提交給服務(wù)器就可完成曲線查看，無(wú)需再與電能表終端進(jìn)行通信。

可以通過(guò)各參量的歷史曲線，很直觀地看到三相負(fù)荷平衡度，負(fù)荷的峰、谷、平分布情況，同時(shí)通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的查詢調(diào)用所需的電量參數(shù)：如三相電壓，電流，各相有功，無(wú)功，功率因數(shù)，電量等?？梢愿鶕?jù)需要，隨意設(shè)置抄表時(shí)間。

圖4 用電量數(shù)據(jù)查詢

4.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能

當(dāng)電壓、電流等參量超過(guò)設(shè)定的值時(shí)會(huì)越限報(bào)警；當(dāng)某相電壓欠壓或缺相時(shí)也會(huì)報(bào)警。當(dāng)供電回路斷電時(shí)，終端可以在電池供電的情況下繼續(xù)工作，把斷電信息以報(bào)警的形式主動(dòng)向監(jiān)測(cè)中心上傳。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警信息

4.3 遠(yuǎn)程通信功能

實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障負(fù)荷的用電。在電力供應(yīng)緊張期間，為了確保電網(wǎng)安全，通過(guò)負(fù)荷終端對(duì)客戶的負(fù)荷進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)限電到戶和“限電不拉閘”。最大限度地避免全村停電等現(xiàn)象的發(fā)生。搭建起迅速溝通的橋梁?？焖偻ㄖ揠?，可盡量避免拉閘限電所帶來(lái)的損失；快速通知用電，可讓電力客戶在第一時(shí)間里獲得“有序放開用電”的信息。當(dāng)電力客戶超指標(biāo)用電時(shí)，負(fù)控終端自動(dòng)報(bào)警，甚至遙控跳閘斷電，使其嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的有序用電措施。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)在國(guó)家電網(wǎng)公司全面推行智能電網(wǎng)建設(shè)的總體要求下應(yīng)運(yùn)而生。進(jìn)行了多次的改進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中也取得了滿意的效果，在電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理、升級(jí)及改造中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景非常廣闊。

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