电能量采集与管理系统的设计与应用

李 强，朱时雨

(1.丹东供电公司，辽宁 丹东 118000;2.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110178)

随着电力体制市场化改革进程的不断推进，国家电网公司提出了建设“一强三优”现代公司的战略目标。丹东供电公司电能量计量工作紧紧围绕这一发展目标，按照“三集五大”方针为指导，积极推进发展方式和管理方式的转变，提升电量整体管理水平。丹东供电公司现有的电能量采集系统是作为非实时自动化系统进行规划建设的，以实现月度电量数据统计作为设计目标。系统的总体结构设计决定了其采集、计算的实时性和可靠性难以满足现有精细化管理的要求。在当前电网发展的形势下，迫切需要对现有电能量采集系统进行全新设计与开发，全面满足丹东电网电能量采集与应用需求，保证电量数据的实时性、准确性和全面性。

1 系统设计目标

建设一套电能量采集与管理系统，实现覆盖全市范围内发 (购)、供、售等主要环节的关口电能信息的统一 (统一口径、统一时间)管理与应用平台，达到关口计量管理工作规范化、信息化，并最终取代人工抄表，进而实现电力市场电量贸易结算等业务的全过程信息化、线损管理的精益化与实时分析等。实现基础数据资源在公司范围内完全共享，并为经济分析决策提供技术支撑。电能采集与管理平台在满足智能电网调度技术支持系统基础平台功能规范的基础上，进一步拓展采集范围，实现省地电能量采集、管理与应用的一体化。系统与智能电网调度技术支持系统基础平台在体系架构(SOA)［1］和消息机制等系统设计上保持一致，实现与智能电网调度技术支持系统基础平台的无缝集成。

2 系统总体结构

综合系统的设计目标，从创新性、实用性、技术先进性、可扩展性和可靠性等角度考虑，将计算机技术、网络通信技术、数据采集技术和数据库技术有机结合，采用分层软件体系结构，面向对象的分布式设计和中间件技术，对众多计量点的数据进行自动采集、传输、统计和分析，建立跨硬件平台、跨操作系统、高性能、标准化开放系统平台，系统由电能量管理系统主站、电能量采集终端和电子式电能表3个部分组成。系统总体结构如图1所示。

2.1 硬件体系结构

图1 系统结构示意图

系统的硬件体系结构采用双网冗余分布结构，重要节点进行了双机或多机备份设计，保证了系统实时不间断运行的要求，提高了可靠性。

为适应电力调度系统的高可靠性要求，系统的主服务器和其它有特殊硬件要求的关键设备，如前置通信服务器、数据库服务器、终端服务器等，可设计为双倍冗余结构，在故障情况下可以自动切换。

为进一步确保数据通信的可靠性，系统可采用双重网络结构。系统采用交换网络技术，其网络传输速率为100 MB、1 000 MB自适应。双网同时工作，可实现自动切换并可均衡网络负荷，单一网络故障不影响整个系统的正常工作。系统配置2组100/1 000 MB交换机，每个节点配置2块100/1 000 MB自适应网卡。系统配置中可以将2个前置通信服务器的第3块网卡连接建立心跳线，以支持负载均衡。

2.2 软件体系结构

系统采用分层软件体系结构［2］，面向对象的分布式设计和中间件技术，将C/S与B/S的开发模式相结合，充分发挥两者的优势，使得系统运行高效、易用。

a． C/S结构

采用3层网络体系结构，在该结构下，应用程序主要放在客户机上，服务器端仅放置后台数据库，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，数据库服务器层主要提供对数据库进行各种操作的方法。

b． B/S结构

在B/S结构中，客户端不需要开发任何用户界面而统一采用如Netscape和IE一类的浏览器。浏览器以超文本形式向Web服务器提出访问数据库的要求，Web服务器接受客户端请求后，将请求转换为SQL语言，并交给数据库，数据库服务器得到请求后进行数据处理，然后将处理结果返回给Web服务器，Web服务器再一次将得到的所有结果进行转化，变成HTML文档形式，转发给客户端浏览器并以Web页面形式显示出来。

3 关键技术

3.1 软总线技术

提供构筑在TCP/IP通信协议基础上的整套系统内跨平台通信解决方案，实现按名字定位的网络透明通信及屏蔽底层的具体通信细节。同时提供用户管理机制，为上层模块的开发提供更多的方便。

平台针对传输数据的不同特点，提供了两种数据总线标准，即消息总线和服务总线。

a． 消息总线是基于事件的消息总线，支持UDP和TCP两种实现方式［3］，它的最大特点是快速，特别适合实时性数据的传输。

b． 服务总线是SOA架构的基础，遵循ESB相关标准和原理，支撑起全系统各应用间的数据传输。

除了基本的传输功能外，消息总线和服务总线还提供了多种可定制的数据缓存机制、数据重传机制，以满足不同类型数据和应用的不同性能要求。

3.2 接口适配器技术

在数据访问、协议通信、层次服务接口等关键点，广泛采用中间件技术和适配器设计模式相结合的方法，实现系统对不同数据库系统、不同的网络环境、不同的厂家通信规约的适应能力和扩展能力，从而使产品的扩展能力和工程实施能力处于领先地位，更好地满足用户的要求。

3.3 元功能模型技术

对系统技术功能和业务功能进行了抽象和分层，一个新应用的实现和实施，不必重新开始开发，而是通过元功能进行组合实现复杂的业务功能和流程，极大地提高软件的开发效率和产品质量。

3.4 跨越安全分区的分布式工作流

工作流引擎良好地支持分布式的工作流应用。同一引擎及不同引擎情况下的上下级调度流程互联均有成熟应用，保证流程在跨安全区的广域范围内可靠流转。

对于流程所涉及到的表单数据 (业务数据)，对每一种流程生成统一格式的E语言文件，并通过ftp机制进行传输。

在传输的两侧 (如省调OMS和地调OMS端)架设web服务以解析E语言内容，文件传输的正确性和及时性由传输端保证 (在流程开发中，传输端在TIMEOUT之内检测文件是否正确传输)，验证文件传输正确后，调用对端的E语言解析web服务。

文件传输需要在各个端点之间进行互相调用，规范建议采用标准的ftp规约，不建议采用任何自定义的文件传输机制。

流程数据交换在业务数据的每一次变动都要进行触发，以保证两端业务数据的一致性。

4 系统功能

4.1 数据采集

系统可采用定时和随机召唤2种方式批量采集计费终端的数据。定时召唤周期 (1 min～24 h)可调，采集数据存储间隔 (1 min～24 h)可调。当主站与某个采集终端通信中断，恢复后主站能自动地向该采集终端获取中断期间的分时电量数据，如有异常则给予提示，以确保电量数据的连续性。

a． 系统支持多前置采集服务器并行工作，自动负载均衡。

b． 系统支持多种采集规约，如:沈阳计算所(D2000H)、北京煜邦 (EDAD2001C)、东方电子(CHL064)及浙江创维等。

c． 系统可根据需要采集多种电能数据，如:电量、需量、瞬时量及单点信息等。

d． 系统支持主备通道，提高数据采集的可靠性。

e． 系统支持多种通信媒体:网络、拨号、专线及GPRS等。

4.2 数据处理加工

系统能够实现多种时段、不同费率电能量数据的统计、分析及自动结算。具有按用户规定的不同时段、不同区域、不同类别分别统计各种计算方式的电量功能。且所有的统计、计算分析在后台定时自动完成 (周期可调)。

具有按规定的不同时段、不同区域、不同类别分别累计电量功能，提供定义每日时段划分个数，以及各时段的起止时刻。旁路替代电量自动计入所替代设备电量。系统在更换电表等设备后，可自动或人工进行统计计算，以保证数据统计的连续性。提供运算工具，用户可自行定义运算公式，可方便地生成各种统计模型，具有较强的灵活性和方便性。

4.3 网损、线损管理

对用户管辖范围内的电网500 kV、220 kV及66 kV输电线路、主变、母线等各种线损对象损耗进行统计分析、管理。系统提供的数据包括每小时网损、每日网损、每月网损，以及各时期的累计值和对比值。系统包括自动计算和手动计算两项功能，定时将从电量系统所取的数据进行自动计算，当系统发现个别数据有误时，可对数据进行修改并作相关的手动计算。

4.4 监视与告警

具有在线诊断和监视功能，既可监视主站系统自身的运行状况，又可监视厂站设备、通道的运行状况。对于异常情况及时告警并记录到数据库中。对电能表运行状况、采集终端也在线监测并在其出现异常时告警。

4.5 数据交换

支持不同或不同级别电力企业电量系统的数据传输与数据共享，上、下级电量采集与管理系统交换以下数据:电网购电计划曲线、供电计划曲线、原始电量数据、各种电量统计数据、电价电费等。

提供两种级别的数据共享:一个是对等级别的纵向传输方式，即两个电量系统需要互通数据，数据的流向是双向的，需要分别在两个系统安装节点机;另一个是单向的仿真终端方式，只需要在提供数据的一侧安装节点机来仿真实际的采集终端即可，而对另一侧的电量系统不需要做任何额外配置。通过电网电能量计量系统的扩展功能，可将不同的电量系统联结起来，形成更大规模的电量系统。

4.6 数据发布

发布的信息包括原始数据、派生数据、参数数据、基于统计分析生成的各种电能量、线损分析报表、统计图形 (曲线、棒图、饼图)、网页以及各种事件记录日志，用户可通过浏览器查阅或打印网页及报表，并提供电参数据下载等功能。

4.7 系统管理和应用

系统采用统一的身份认证:通过使用SSO(单点登录技术)，能够使用户一次登录，即可访问系统的全部功能。在不同的应用、不同的二级单位系统之间切换时，都无须再进行二次登录。同时通过用户辨识、安全策略 (用户权限)和存取访问控制以及一些辅助功能，提供了管理系统功能、定义及管理菜单的系统功能管理模块，提供了对系统功能使用范围进行定义、管理的系统权限管理。

a． 基于CIM［4］进行数据的录入、参数的设置以及系统维护，系统自动保持全网数据的一致性。

b． 支持多种数据查询方式:表格、曲线、棒图等。

c． 提供多种数据插补算法。

d． 系统提供了基于角色的访问控制，易于在终端用户信息访问和数据安全性之间做出平衡。

4.8 省地一体化流程管理

系统采用了先进的SOA体系架构和标准规范，实现了业务层面的构件化模型，技术层面的标准化架构和管理层面的规范化框架，建立了基于CIM模型的电能量管理平台，实现了基于电网模型的网损统计和分析，基于工作流程的业务管理。实现了与省公司电量系统的业务互联;在内部业务管理上，引入工作流程管理，实现管理业务的标准化、规范化、流程化。

4.9 终端数据处理

由于电量采集终端与电能表间采用RS－485/CS接口进行数据通信，同时，由于部分电能表通信模块运行不够稳定，通常会造成采集终端与电能表通信失败或数据异常，导致数据无法正确采集，因此，当终端与电能表通信失败后，终端会自动记录失败事件，并在系统空闲时对采集失败的电能表重新进行数据采集;当数据从电能表中采集上来后，系统会自动同前3个采集时刻的数据进行比较，如果发现数据异常则重新进行数据采集，如果仍然异常则使用前一时刻进行数据替代，以保证电能表数据采集的质量。

5 系统特性

5.1 先进性

a． 采用分层软件体系结构，面向对象的分布式设计和中间件技术，建立跨硬件平台、跨操作系统、高性能、标准化开放系统平台，实现负载均衡，充分利用系统资源。

b． 采用C/S与B/S相结合的开发模式，充分发挥两者的优点，使得系统运行高效、易用。

c． 系统软、硬件配置方案可裁剪、可扩充、可跨平台。

d． 支持IEC－61970标准。

5.2 高效性

a． 系统可在1 min内完成电能数据采集及存储 (电能表数≥5 000台)

b． 系统一次采集成功率≥99%(电能表通信异常、网络抖动等造成采集失败)。

c． 电量准确率≥99%。

d． 画面调用响应时间＜3 s。

5.3 稳定性

a． 系统支持负载均衡及心跳线机制，当某台服务器发生故障或需要维护时，系统可自动/人工进行服务器切换。

b． 数据存储支持文件及数据库存储，当数据库发生异常时系统自动将数据存储到文件系统，并在数据库恢复时第一时间将存储在文件系统内的数据存储到数据库中。

c． 系统自带软件看门狗，当某个进程发生异常时，看门狗可以自动将该进程重新启动并发出报警信息。

5.4 实用性

a． 系统具有丰富的监控、报警功能，可以以电话语音、手机短信及E－Mail等方式进行报警，以方便运行维护人员及时掌握系统的运行状态。

b． 系统具有全图形、全汉化的显示和打印功能，人机界面良好，采用多窗口技术和交互式操作手段，画面调用方便、快捷。

c． 具有多种人性化功能，如:自动的厂站设备添加、设备档案的存档、电能表更换及电能量数据采集终端远程管理等。

d． 丰富的设备信息管理功能，用户可以按区域、时间段及类别等统计设备的运行状态。

5.5 可扩展性

a． 系统软硬件具备良好的扩充能力，支持系统结构和功能的进一步扩充。根据用户应用系统的实际需要和投资状况，可灵活选择系统的软、硬件配置。系统的规模可任意选择，从单台机器到多台机器、单种机型到混合机型进行配置。

b． 系统支持多种采集规约。

c． 系统可根据需要采集多种电能数据，如:电量、需量、瞬时量及单点信息等。

d． 系统的应用软件采用模块组装式结构，在系统的生命周期中，可方便地对应用模块进行扩充，便于系统的二次开发。

5.6 安全性

a． 系统硬件可采用双机、双网、双电源、双通道等冗余设计结构，发生故障时可自动切换，保证系统不间断可靠运行。

b． 操作系统和数据库满足C2级安全性要求［5］，并配合系统设计不同节点不同操作权限、不同用户不同操作权限，可保证系统满足严格的安全要求。

c． 系统的互联，可以采用国家经贸委推荐的物理隔离装置，也可采用多串口通信，同时保证系统的实时性。必要的情况下可以增加防火墙等设备。

6 结束语

电能量采集与管理系统是一个相对复杂的系统，涉及到系统设计建设的各个环节，并且与企业的管理模式、电力市场的运行方式紧密联系。建设一个稳定、可靠、实用的电能量管理系统，需要企业、科研部门和生产厂家密切合作，逐步解决系统建设中出现的问题，完善电能量管理系统的各项性能和指标，满足我国电力市场运行规范的要求。丹东电网电能量采集与管理系统的建立实现了一种面向主题的、稳定的、反映历史变化的数据集成，为电费结算和线损分析提供了自动、准确、完整的信息，也为决策分析奠定了基础。从该系统在丹东供电公司的应用效果来看，系统运行稳定，采集数据及时准确，管理界面友好、实用，适用于各级电网公司及发电企业。

［1］ 王海鹏．执行SOA－SOA实践指南 ［M］．北京:机械工业出版社，2009．

［2］ Matthias Felleisen，Robert Bruce Findler． 程 序 设 计 方 法［M］．北京:人民邮电出版社，2003.

［3］ W．Richard Stevens，Bill Fenner．UNIX Network Programming［M］．北京:机械工业出版社，2004.

［4］ DL/T 890.301—2004，能量管理系统应用程序接口 (EMS－API)第301篇:公共信息模型 (CIM)基础［S］．

［5］ 萨师煊．数据库系统概念 ［M］．北京:高等教育出版社，2000．