基于GPRS的电力需求侧管理系统设计与实现

张海林 夏传良

摘 要：分析近期供电企业用电管理需求，考虑系统通信特点与通信安全性，提出GPRS与APN相结合的通信方案，并根据该方案成功开发了一个电力需求侧管理系统。系统包括计量监测、负荷控制、数据统计分析、信息发布与参数配置等功能模块。其中计量监测模块可以远程监测电能计量装置运行信息，分析计量故障;负荷控制模块可以动态监测客户负荷，为电力需求侧管理提供准确、及时的负荷数据;数据统计分析模块可以进行线损分析及供电质量分析。应用结果表明，电力需求侧管理系统可以帮助管理人员及时、准确地获得电表数据，发现表计故障与窃电行为，提高用户用电质量。

关键词：电力需求侧管理;GPRS;防窃电;表计故障

0 引言

当前我国经济发展过程中面临着电力短缺问题。据有关部门统计，2018年中国全社会用电量为6.8万亿千瓦时，各省都有数百万千瓦时的电力缺口。要解决这一问题，需要努力增加电力供给并加强用电需求侧管理，其中增加电力供给受基础设施建设等因素影响，所以加强用电需求侧管理成为解决电力供给紧张的有效手段。

文献[1]分析电力需求侧管理的有效措施，提出在电力需求侧管理中引入错峰用电的实施步骤，包括制订合理的错峰用电方案、布置相关错峰用电预警机制、采取多种方式进行错峰用电等;文献[2]提出一个Roth-Erev算法以表征客户参与的不确定性，并测量出需求响应容量，基于需求响应的不确定性表征与调度模型，扩展了传统的蒙特卡洛模拟评估程序，仿真结果表明，引入需求响应可以提高整个电力系统发电电量的充足性;文献[3]分析工业生产中高电力负荷降低的问题，提出一种新的本地电力利用方式，但需要大容量电力系统的电力支持;文献[4]对多个自动化电力通信网络进行调查，总结组网现状，并介绍电力系统中无线网络技术的应用，分析不同无线通信网络组网的优缺点，得到了合适的无线网络组网方案;文献[5]阐述电力需求侧中客户响应度的概念，分析合肥供电公司通过技术手段提高需求侧管理水平和客户响应度，可以为电力需求侧的精细化管理提供参考依据;文献[6]提出一种新的基于机会约束的随机模型，用来管理目前的电力市场，并提出负荷损失概率指标，在模型优化过程中，将随机模型转化为利用随机变量的概率分布等效确定性模型，用来计算电力管理中的传输过程损失;文献[7]依托山东省电能管理系统业务和数据支撑平台建设了山东省电力需求侧管理系统，可以分析全省用电概况，使得有序用电管理更加精确;文献[8]分析在随机网络约束市场框架下一套全面的电力恢复计划，研究需求响应在计划中的应用潜力;文献[9]分析谐波含量高的电力客户用电现状及出现的问题，设计并实现了电力负荷快速采集系统，可以对企业设备的电能数据进行监测分析，实施需求侧管理;文献[10]认为新形势下电力需求侧管理工作的内涵更加丰富，对有序用电管理工作提出了新要求，各企业部门需要统筹协调，共同推动电力需求侧管理工作的开展;文献[11]提出一种可靠且可扩展的智能电网需求侧管理方法;文献[12]将互联网产品中的目标导向原则引入电力需求侧管理领域，提出并实现了面向社会用户和政府用户的用电分析与有序用电平台;文献[13]认为需求响应计划可以为高需求、高排放、用电可靠性、输电拥堵等许多电力系统问题提供解决方案，是电力需求侧管理的重要组成部分;文献[14]认为电力需求侧管理中的需求响应是一种市场前景广阔的技术，可以应对智能电网中日益复杂的有序用电管理状况;文献[15]提出电力需求侧管理是电力体制改革的重要组成部分，通过新形势下电力需求侧管理的组织框架、合作伙伴网络和现金流等角度入手，研究未来电力需求侧管理发展模式;文献[16]提出一种实现最优电力需求侧管理的精确多目标方法;文献[17]介绍一种使用家庭局域网系统降低峰值负荷的方法;文献[18]分析电力经济管理中管理人员素质不高、管理模式陈旧、售电定价不合理、区域电力供需矛盾等问题，并提出针对性对策;文献[19]分析我国电力需求响应评估现状，建立适合黄浦区的需求响应评估模型;文献[20]探讨电力需求侧管理的作用及电力需求响应方案实施;文献[21]认为在新形势下，电力需求侧管理的创新思路应该是在完善电价和用户奖励政策的同时推出约束性政策，以推动企业积极参与电力需求侧管理。

基于上述分析，本文提出面向供电企业的电力需求侧管理方案，并综合实现了数据采集、计量监测、负荷控制、电力数据统计分析、信息发布、供电质量分析、线损分析、防窃电、限电管理与报警管理等功能。

1 需求分析

电力需求侧管理系统包括计算机主站系统、通信系统、负荷管理终端等多个组成部分。本系统为供电企业提供用电分析、防窃电等用电需求侧管理的全面解决方案。

根据供电企业实际需求，该系统规划了以下功能：

（1）计量装置监测。远程监测电能计量装置运行信息，分析计量故障、窃电等信息，及时发现客户用电异常。

（2）负荷控制。动态监测用户负荷，为用电政策制定与执行提供准确、及时的负荷数据，可根据需要通知客户并进行自动拉闸控制，同时根据负荷情况采取消峰、填谷和移峰填谷等负荷控制手段。

（3）数据统计分析。包括线损分析与供电质量分析，对供电可靠性、电压合格率、谐波等进行监测分析，实现对各大客户计量点分時电量的统计、用电分析等。

（4）参数设置。设置系统运行所需的各种参数。

（5）信息发布。发布系统相关管理信息。

2 系统设计

2.1 通信设计

2.1.1 通信特点分析

电力需求侧管理系统主站计算机系统和远方采集终端之间的通信有下列特点：①通信间歇性。正常情况下，可能一天只通信一次或几次，也可能几天才通信一次，所以架设专门的光纤通信或其它有线通信通道都是不经济的;②突发通信。用电用户有异常用电行为，或者发生危及用电安全的情况时，需要立即通知有关人员，所以用电管理系统的通信具有突发性;③点多面广。一个供电企业对应成千上万个用电用户，即便是企事业单位一级的大用户也往往达到几百甚至上千个，架设专门的光纤通信或其它有线通信通道也是不可能的;④实时监视。为了实时监控用户用电行为，采集终端能向主站系统提供实时数据。

针对以上特点，对电力需求侧管理系统通信提出以下要求：

（1）效能费用比。在追求通信技术先进性的同时，还应考虑通信系统费用，选择费用与功能及技术先进性的最佳组合，追求最佳效能费用比。而且在计算通信系统费用时，除初期投资外，还应考虑将来的运行与维护费用。

（2）可扩充性。通信系统在能够满足目前需要的前提下，还应考虑将来增长的业务需要，因此规划时应考虑足够的容量以及系统开放性要求。

（3）通信实时性。实时监控功能要求通信系统满足实时性要求，因此选择合适的通信带宽以及通信网结构方式是相当重要的，如手机短消息的方式就不能满足通信实时性要求。

（4）通信能力。除数据上行外，还有控制命令下装，因此通信系统需要具有双向通信能力，以及半双工或全双工能力。

（5）使用与维护的便捷性。

基于以上因素选用GPRS通信，能发挥其在系统中的作用。GPRS具有高速传输、永久在线、按量计费及容易切换等优点，可以全面提升移动数据通信质量。

2.1.2 通信方案分析

（1）利用Internet公网的通信组织方案。针对大客户地理位置分散、采集点多、数据量少、实时性要求不高的特点，数据采集通信网络采用成熟的GPRS无线公网加以实现。利用Internet公网的通信组织方案，供电公司需要专门申请对外固定IP地址，整个连接经过Internet。

该通信组织方案不需要与GPRS无线网络运营商协商，实现起来较为简单，但这种通信组织方案通过Internet公网实现，通信的私密性、安全性、可靠性得不到保障。在系统试验阶段可以采用这种通信组织方案。

（2）采用APN专线方式的通信组织方案。从系统安全性出发，应以APN（Access Point Name）专线方式与无线网络运营商连接。无线网络运营商为供电公司提供专门的APN接入点，各监控点的GPRS终端通过该APN接入点上网，无线网络运营商通过专用路由器与供电公司网络相连，由无线网络运营商协助供电公司在GPRS上建立VPN，并设置从GGSN到供电公司的GRE隧道。这种组网方式的优势为：终端与主站计算机可以看作一个内部局域网系统，保证从用户端到GGSN的服务质量。由于整个连接过程没有经过Internet公网，所以通信是绝对安全的，这也是本系统采用的通信方案。

2.2 系统功能设计

根据上述需求分析结果，为本系统设计功能模块如图1所示。

3 系统实现

3.1 系统开发平台

电力需求侧管理系统采用Visual studio开发工具、SQL Server数据库，在Windows 7平台上进行开发。电力需求侧管理系统硬件配置如下：

（1）数据库及应用服务器：负责数据处理与数据存储。

（2）通信服务器：负责与终端通信，应选用高档微机服务器。

（3）Web 服务器：负责对外发布大客户用电信息，如电量信息、负荷信息、错峰信息等。

（4）存储备份硬件：电力需求侧管理系统接入点非常多，且数据量大，随着系统的投入运行，数据量增长非常快，因此必须考虑数据的存储与备份系统。

（5）其它硬件：主要包括应用网络设备、PC 工作站、打印机、UPS 电源等。

3.2 系统编码实现

从逻辑上看，电力需求侧管理系统由5部分组成：客户机、服务器、前置机、短消息服务器和现场终端。这5部分之间的通信方式及编码时采用的Socket端口如图2所示。

4 系统应用

电力需求侧管理系统已在某地级市供电公司投入运行，该系统已成功实现用电参数监测、防窃电分析、负荷管理等功能。系统具有良好的开放性，可适应电力部门不同管理模式及未来业务发展需要，并能方便地构成以供电所为基础的集散式监测网络，或以供电公司为中心的辐射式监测网络。系统能够较好地适应更大规模监控网络需求，满足县—市—省各层次监控体系要求，且可根据供电部门业务发展要求开发各种增值服务系统。

4.1 計量监测

电力需求侧管理系统的负荷管理可以动态监测用户负荷，为用电管理提供准确、及时的负荷数据，还可查看用户的日负荷、月负荷等数据。

4.2 负荷控制

负荷控制可以表格及曲线的方式进行对比显示，同时给出了通过功率数据得到的积分电量和通过表码计算得到的日电量数据。日电量数据包括峰、谷、平、尖各时段电量，还给出了平均负荷率，以及与前一天相比的电量突变率。这些数据为分析客户用电情况提供了依据，可视负荷情况进行消峰、填谷、移峰填谷等操作，如图3所示。

4.3 线损分析

电力需求侧管理系统的线损分析模块可实现对实时或设定时间段输入电量、输出电量、损耗电量和线损率等线损指标的统计分析，以及超阈值报警等功能。

5 结语

本文开发了一个基于GPRS的电力需求侧管理系统，并介绍了系统功能分析、方案设计、编码实现及后续应用过程，从而对电力需求侧管理中的线损分析、表计故障、防窃电、谐波监测等问题有了更深入的认识。但该系统在电力需求响应方面尚存在不足，仅实现了消峰、填谷和移峰填谷等电力负荷控制方式，下一步将继续完善电力需求响应中的需求侧竞价、紧急需求响应等功能，实现基于需求响应的电力需求侧管理。

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（责任编辑：黄 健）