智能化村镇户用电管理系统

潘艳，赵凤展，杨仁刚，朱坤

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083）

随着技术的进步、电力市场的开展以及当代发输配用一体化智能电网（Smart Grid）的研发和不断更新换代，由智能电表、采集、数据通信、处理和应用等环节所组成的用电管理系统，在加强需方用电管理、支持供方市场营销管理、节能降耗、优化电网运行等方面日益发挥作用[1-2]。农村电网是国家电网的重要组成部分，如何把农网建设成比较坚强且智能化水平较高的供电网络，更好地满足社会主义新农村建设和新能源发展的需要，是一项艰巨而光荣的任务；加快建设以坚强为基础、智能为特征的新型农网，是新时期农村电网建设面临的目标和挑战，也是实现农网与各级电网协调发展的必然要求[3]。本文以智能农网台区配变为考核单元，通过分析智能农网信息化、智能化建设要求，设计了智能化村镇户用电管理系统，该系统除了实现电网用电监控、用电信息管理等功能以外，还具有双向互动服务、用户多样化服务等高级应用功能，为智能农网的建设提供了重要参考价值。

1 系统总体设计

1.1 系统物理架构

智能化村镇户用电管理系统的物理架构由三部分组成：数据采集层、通信层、主站层。系统物理架构如图1所示。

数据采集层主要指集中器、无线通信转换器、采集器、智能电表等现场电能信息采集和监控设备，实现数据的采集和主站下发命令的执行，其功能包括三遥、数据采集、交流采样等。通信层是联结主站和电能信息采集设备的多种通信方式，包括光纤、有线电话、230 MHz、GPRS/CDMA等。公网通信通过部署防火墙和虚拟专网下的认证机制，阻挡非法用户的入侵。主站层是对电能信息进行统一存储、集中管理、对任务请求统一管理和调度的计算机系统，由其实现命令下发、终端管理、数据分析、系统维护等功能，关键设备采用冗余配置[5]。

图1 系统物理架构图Fig.1 System physical architecture diagram

智能家居单元以数字化和网络技术为基础，将各种分布式能源、家用电器和家用数字信息设备等有机整合为一体，通过有线或无线的方式连接传送到智能双向计量电表，为用电管理提供数据来源。

智能双向表计（智能电表）作为用户自动化智能终端，是用电管理系统实现对智能家居单元监测和控制的核心仪表，是电网和客户互联的枢纽。它是一种可编程的电表，其基本功能除用于记录电能量外，还可以实现以下功能：双向通信；网络预购电；分布式电源双向供电模式下双向独立计量；动态浮动电价的快速响应，快速切换，电价实时结算等功能；监视电能质量；通过智能插座实现对智能家电的控制；能根据需求侧响应要求来限制负荷。智能电表采集的主要数据类型有：

1）电能量数据。新能源总发电量、用户新能源和电网用电量、用户馈电电量、各智能电器用电量等。

2）交流模拟量。电压、电流、有功功率、无功功率等。

3）工况数据。智能电器开关状态、用电状况信息，终端及计量设备工况信息。

4）事件记录数据。电压电流越上下限记录、表计设备故障记录、设备停电及来电时间记录等。

1.2 系统软件架构

系统采用J2EE架构中的Struts架构技术。Struts框架是Apache基金会Jakarta项目组的一个开源项目，它采用MVC三层模式，为Web应用开发者提供很好的帮助。MVC三层结构即逻辑算法模型层、控制层、基于Web浏览器的人机界面显示层[6-7]。系统的软件框架如图2所示。

图2 系统软件框架图Fig.2 System software framework map

模型层文件是除了控制层Action文件后其余的.java文件，项目的所有算法都在模型层文件中实现，模型层文件主要是由java语言的set、get方法构成的，模型层从控制层中获得调用方法的参数进行计算。在计算时首先要从数据库中读取数据，然后再对数据进行计算求解，最后将计算结果再返回给控制层文件。

控制层文件是在Action文件中首先得到配置文件中表单的数据，并赋给变量，然后调用模型层文件中的方法，并将结果返回给配置文件，再由配置文件指定路径返回给Web页面。

视图层文件是.jsp文件，该层的文件主要是供用户选择浏览以及返回结果的页面。其中返回图形结果的页面可以互相调用，具有一定的共同性，其他页面也可以互相借鉴。视图层文件主要是应用Dreamweaver 8编辑的，较为方便，并可以不断完善，变化空间较大。

配置文件由web.xm l和struts-config.xml组成，用于配置Struts系统中各个模块之间的交互。

2 开发平台搭建

系统硬件环境：前置采集服务器，Web服务器，应用服务器，数据库服务器，路由器，防火墙，通信设备等。

服务器软件环境：Windows 2000以上操作系统，CPU主频在1 GHz或以上，内存为512 M或以上，并且硬盘有10 G以上可存储空间，显示器分辨率1 280×800。系统软件平台如下。

1） 框 架 ：Struts2。 2） 开发工具：Dreamweaver，MyEclipse8，SQLserver2008，eXtremeComponents。3）开发语言：java，js，html，xml，SQL。

4）数据库：Microsoft SQL Server 2008。5）服务器：Tomcat 6.0。

3 系统功能设计

村镇户用电管理系统基于分布式的多层架构技术，总体功能上分为3个部分：电网监控、双向互动、用户服务多样化。系统功能结构如图3示。

图3 系统功能结构Fig.3 Functional structure of the system

3.1 电网监控

系统对所管辖台区用户设备运行状况进行监测和数据管理，主要包括以下模块：电网实时数据监测，电量统计分析，负荷分析和预测，历史数据曲线查询，电网负荷控制，电能质量监测。

1）实时数据监测。自动或定时采集各类型电力用户的电力计量点的供电数据，将每个计量点的数据通过实时曲线、报表、图形等方式显示在网络平台上。电力部门可以直观地查看每一个用户的实时用电信息，并将这些数据传到后台数据库，作为电量统计和电费结算的依据。

2）用电信息管理。通过柱状图、饼状图、表格等形式，显示智能用户和普通居民用户的用电信息。普通居民用户管理可以查询每个用户的日、月、年用电量，智能用户用电管理可以查询用户供用电及电能质量状况，为电网调度提供直观的数据依据。图4为普通居民用户用电量统计界面，图5为智能用户用电管理界面。

图4 普通用户用电量统计Fig.4 Electricity consumption statistics of ordinary users

图5 智能用户用电管理Fig.5 Power management of intelligent users

3）负荷分析和预测。综合分析各类型用户的日负荷曲线、分时电量及最高、最低负荷等关键数据，作为电网调控的依据，同时根据用电统计数据进行负荷预测，制定电力供需平衡方案。

4）历史数据查询。对电压、电流、功率等参量的日曲线、月曲线、年曲线统计，按月、年统计电压电流极大值和极小值，为电力决策提供依据。

5）电网负荷控制。供电部门根据所采集的电力数据，结合有序用电方案，对所在台区用电设备进行调控。当用户负荷超过限值时，以电话或者短信形式提醒用户降低负荷运行；若长时间处于超负荷状态，则根据有序供电方案进行负荷切除。

2.5 两组产妇产后42 d母乳喂养率及产后并发症发生率比较 观察组母乳喂养率明显高于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。观察组产妇产后乳腺炎发生率明显低于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。观察组子宫收缩不良发生率也低于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。观察组产妇子宫脱垂、尿失禁发生率比较，差异无统计学意义(P>0.05)。见表5。

6）电能质量监测。电压合格率、功率因数合格率、供电可靠性、谐波的监测分析。

3.2 双向互动服务

双向互动服务是指随着现代化的信息技术、通信技术、计算机技术的发展,智能电网侧与用户侧之间能够实现电力流、信息流及业务流的双向互动,使电力用户享受到智能化、多样化的优质服务；同时，又能够提高供电部门对电力用户的有效管理与控制能力,改善供电质量与服务[8-10]。

1）信息互动。①发布国家电网信息，了解国家电网动态。②发布动态电价和电力供需平衡信息，制定最经济性用电策略，实现削峰填谷，引导用户改变用能方式，减少电费支出。③用户通过web页面接收电网发送的停电通知、欠费信息和供需平衡信息、电压合格率等电能质量信息，享受到供电优质服务。

2）分布式能源监控。电力部门监视用户分布式能源负荷曲线、电能量曲线，对分布式能源各项发电指标分时段和定时进行数据统计。实时监测分布式发电的电能质量，当电能质量未达国家标准时，发布治理方案，帮助用户改善发电质量。同时，用户可以实时监控分布式能源运行状况，并通过控制选择供电电源，决定发电量流向，图6所示智能用户电源控制。

3）发电管理。供电部门根据发电预测制定发电计划，召唤用户接入或退出分布式电源，制定有客户参与需方响应的补偿结算机制。系统设定馈电协议签订接口，用户通过与供电部门签订协议实施馈电操作。

图6 智能用户电源控制Fig.6 Power control of intelligent users

5）家庭用电智能化管理。供电部门可以根据用户的需求，结合系统负荷特性进行分析，给用户提供用电方案。用户也可以根据需求自己对用电方案进行修改，自动下载至智能用电终端。图7为智能家居控制页面，将智能家居分为重要负荷和一般负荷两类，根据家用电器的功率等参数，通过数学模型计算出家用电器的最佳用电时段、经济用电方案。用户根据家电的最佳用电时段和经济用电策略，选择对家电的手动操作控制或设置自动运行，以达到经济用电的目的。

图7 智能家居控制Fig.7 Smart household equipment control

3.3 用户多样化服务

智能化村镇户用电管理系统提供了三大平台作为电力部门和用户沟通的纽带：客户服务管理，客户缴费管理，95598客户服务。只有当最大限度满足客户需求，提高产品服务品质和增加客户满意程度，企业才能增强核心竞争力，在激烈的市场竞争中具备竞争优势[11]。

1）客户服务管理。在系统网络平台基础之上，实现业务受理、业务咨询、资费查询、票据打印、故障报修、客户意见、用电知识普及、欠费催缴、市场调查、客户回访、信息发布等业务功能。并针对客户服务中心的业务特点，为电力客户服务中心的管理工作提供支持和依据。

2）客户缴费管理。通过提供营业网点、电话、网上缴费以及银行和其他代收网点等客户缴费渠道，保证电费缴费信息的准确性与实时性，以达到方便客户缴费，减少欠费余额，确保电费资金安全的目的。同时提供水费和燃气费的缴费链接。

3）95598客户服务。95598客户服务平台是电力部门对外服务的重要“窗口”，以营销管理模块、电能信息实时采集模块，以及配网管理系统、办公自动化系统等为依托，通过电话、传真、因特网站、短信等手段，实现营业厅、电话、网站三维一体的客户服务平台。

3.4 系统维护

建立和维护系统相关信息，主要完成对部门信息、站线信息、台区信息、用户信息及权限的维护管理。

3.5 设备管理

对数据采集层的表计进行管理，包括集中器、采集器和智能电表，可以增加、删除、修改和查询各表计的设备编号、安装地址和日期、程序版本、生产厂家等信息。

4 总结

智能化村镇户用电管理系统实现了电力销售各个环节用电信息的监测、监控、集成和综合应用。关键技术主要表现在几个方面：涵盖了各种类型的智能化的终端设备监测；实现了对所有客户的用电信息采集、分布式能源的使用和管理，双向互动、用户多样化服务等高级应用功能。该系统为用户和电网企业架起了沟通的桥梁，将电力系统智能化发展又提高到一个新的阶段。随着国家电网智能化的发展，智能化村镇户用电管理系统还会不断完善。将新技术、新思路融入到系统中，更加有效地为用户和企业服务。

[1]国家电网公司．智能电网关键技术研究框架[M].北京：国家电网公司，2009．

[2]王哲．智能电网涉及的关键技术[J]．电源技术应用，2009，12（10）：65-67．WANG Zhe.The key technologies involved in smart grid[J].Power Technology Application，2009，12（10）：65-67(in Chinese)．

[3]陈毓春，李斌，吴福保．新型农网自动化系统智能化建设关键技术[J]．农村电气化，2009（11）：18-19．CHEN Yu-chun,LI Bin,WU Fu-bao.New intelligent construction key technology of rural power automation system[J].Rural Electrification，2009（11）：18-19(in Chinese)．

[4]王成山，李鹏．分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J]．电力系统自动化，2010，34（2）：10-13．WANG Cheng-shang，LI Peng．The development and challenges of distributed generation,micro-network and smart grid[J]．Automation of Electric Power Systems，2010，34（2）：10-13(in Chinese)．

[5]章鹿华，王思彤，易忠林，等．面向智能用电的家庭综合能源管理系统的设计与实现[J]．电测与仪表，2010，47（9）：35-38．ZHANG Lu-hua,WANG Si-tong,YI Zhong-lin,et al.The design and implementation of family comprehensive energy management system facing the smart power[J]．Electrical Measurement&Instrumentation，2010，47（9）：35-38(in Chinese)．

[6]孙朝云，孙向科，沙爱民．基于MVC架构网络教学管理系统的设计与实现[J]．计算机工程与设计，2009，30（23）：5541-5555．SUN Zhao-yun,SUN Xiang-ke,SHA Ai-min.Design and implementation of network teaching management system based on the mvc architecture[J]．Computer Engineering and Design，2009，30（23）：5541-5555(in Chinese)．

[7]金涛，白月飞．基于J2EE的Struts框架技术的应用与研究[J].自动化与仪器仪表，2010（4）:68-71．JIN Tao,BAI Yue-fei．Applications and research of struts framework technology based on J2EE[J].Automation and Instrumentation，2010（4）:67-71(in Chinese)．

[8]ALBERT M，VINCENT B，MAURICE G C，et al.Domestic energy management methodology for optimizing efficiency in Smart Grids[C]//IEEE Bucharest Power Tech Conference.Bucharest Romania:IEEE,2009:1-7.

[9]余贻鑫，栾文鹏.智能电网[J].电网与清洁能源,2009,25（1）：7-11.YU Yi-xin,LUAN Wen-peng.Smart grid[J].Power System and Clean Energy,2009,25（1）：7-11(in Chinese).

[10]武建东.智能电网与中国互动电网创新发展[J].电网与清洁能源，2009，25（4）：5-8.WU Jian-dong.Innovative development of smart power grid and interactive smart grid in China[J].Power System and Clean Energy，2009，25（4）：5-8(in Chinese).

[11]林弘宇，田世明.智能电网条件下的智能小区关键技术[J].电网技术，2011，35（12）：1-7.LINHong-yu,TIAN Shi-ming.Researchon key technologies for smart residential community[J].Power System Technology，2011，35（12）：1-7(in Chinese).