智能化村鎮戶用電管理系統

潘艷，趙鳳展，楊仁剛，朱坤

（中國農業大學信息與電氣工程學院，北京100083）

隨著技術的進步、電力市場的開展以及當代發輸配用一體化智能電網（Smart Grid）的研發和不斷更新換代，由智能電表、采集、數據通信、處理和應用等環節所組成的用電管理系統，在加強需方用電管理、支持供方市場營銷管理、節能降耗、優化電網運行等方面日益發揮作用[1-2]。農村電網是國家電網的重要組成部分，如何把農網建設成比較堅強且智能化水平較高的供電網絡，更好地滿足社會主義新農村建設和新能源發展的需要，是一項艱巨而光榮的任務；加快建設以堅強為基礎、智能為特征的新型農網，是新時期農村電網建設面臨的目標和挑戰，也是實現農網與各級電網協調發展的必然要求[3]。本文以智能農網臺區配變為考核單元，通過分析智能農網信息化、智能化建設要求，設計了智能化村鎮戶用電管理系統，該系統除了實現電網用電監控、用電信息管理等功能以外，還具有雙向互動服務、用戶多樣化服務等高級應用功能，為智能農網的建設提供了重要參考價值。

1 系統總體設計

1.1 系統物理架構

智能化村鎮戶用電管理系統的物理架構由三部分組成：數據采集層、通信層、主站層。系統物理架構如圖1所示。

數據采集層主要指集中器、無線通信轉換器、采集器、智能電表等現場電能信息采集和監控設備，實現數據的采集和主站下發命令的執行，其功能包括三遙、數據采集、交流采樣等。通信層是聯結主站和電能信息采集設備的多種通信方式，包括光纖、有線電話、230 MHz、GPRS/CDMA等。公網通信通過部署防火墻和虛擬專網下的認證機制，阻擋非法用戶的入侵。主站層是對電能信息進行統一存儲、集中管理、對任務請求統一管理和調度的計算機系統，由其實現命令下發、終端管理、數據分析、系統維護等功能，關鍵設備采用冗余配置[5]。

圖1 系統物理架構圖Fig.1 System physical architecture diagram

智能家居單元以數字化和網絡技術為基礎，將各種分布式能源、家用電器和家用數字信息設備等有機整合為一體，通過有線或無線的方式連接傳送到智能雙向計量電表，為用電管理提供數據來源。

智能雙向表計（智能電表）作為用戶自動化智能終端，是用電管理系統實現對智能家居單元監測和控制的核心儀表，是電網和客戶互聯的樞紐。它是一種可編程的電表，其基本功能除用于記錄電能量外，還可以實現以下功能：雙向通信；網絡預購電；分布式電源雙向供電模式下雙向獨立計量；動態浮動電價的快速響應，快速切換，電價實時結算等功能；監視電能質量；通過智能插座實現對智能家電的控制；能根據需求側響應要求來限制負荷。智能電表采集的主要數據類型有：

1）電能量數據。新能源總發電量、用戶新能源和電網用電量、用戶饋電電量、各智能電器用電量等。

2）交流模擬量。電壓、電流、有功功率、無功功率等。

3）工況數據。智能電器開關狀態、用電狀況信息，終端及計量設備工況信息。

4）事件記錄數據。電壓電流越上下限記錄、表計設備故障記錄、設備停電及來電時間記錄等。

1.2 系統軟件架構

系統采用J2EE架構中的Struts架構技術。Struts框架是Apache基金會Jakarta項目組的一個開源項目，它采用MVC三層模式，為Web應用開發者提供很好的幫助。MVC三層結構即邏輯算法模型層、控制層、基于Web瀏覽器的人機界面顯示層[6-7]。系統的軟件框架如圖2所示。

圖2 系統軟件框架圖Fig.2 System software framework map

模型層文件是除了控制層Action文件后其余的.java文件，項目的所有算法都在模型層文件中實現，模型層文件主要是由java語言的set、get方法構成的，模型層從控制層中獲得調用方法的參數進行計算。在計算時首先要從數據庫中讀取數據，然后再對數據進行計算求解，最后將計算結果再返回給控制層文件。

控制層文件是在Action文件中首先得到配置文件中表單的數據，并賦給變量，然后調用模型層文件中的方法，并將結果返回給配置文件，再由配置文件指定路徑返回給Web頁面。

視圖層文件是.jsp文件，該層的文件主要是供用戶選擇瀏覽以及返回結果的頁面。其中返回圖形結果的頁面可以互相調用，具有一定的共同性，其他頁面也可以互相借鑒。視圖層文件主要是應用Dreamweaver 8編輯的，較為方便，并可以不斷完善，變化空間較大。

配置文件由web.xm l和struts-config.xml組成，用于配置Struts系統中各個模塊之間的交互。

2 開發平臺搭建

系統硬件環境：前置采集服務器，Web服務器，應用服務器，數據庫服務器，路由器，防火墻，通信設備等。

服務器軟件環境：Windows 2000以上操作系統，CPU主頻在1 GHz或以上，內存為512 M或以上，并且硬盤有10 G以上可存儲空間，顯示器分辨率1 280×800。系統軟件平臺如下。

1） 框 架 ：Struts2。 2） 開發工具：Dreamweaver，MyEclipse8，SQLserver2008，eXtremeComponents。3）開發語言：java，js，html，xml，SQL。

4）數據庫：Microsoft SQL Server 2008。5）服務器：Tomcat 6.0。

3 系統功能設計

村鎮戶用電管理系統基于分布式的多層架構技術，總體功能上分為3個部分：電網監控、雙向互動、用戶服務多樣化。系統功能結構如圖3示。

圖3 系統功能結構Fig.3 Functional structure of the system

3.1 電網監控

系統對所管轄臺區用戶設備運行狀況進行監測和數據管理，主要包括以下模塊：電網實時數據監測，電量統計分析，負荷分析和預測，歷史數據曲線查詢，電網負荷控制，電能質量監測。

1）實時數據監測。自動或定時采集各類型電力用戶的電力計量點的供電數據，將每個計量點的數據通過實時曲線、報表、圖形等方式顯示在網絡平臺上。電力部門可以直觀地查看每一個用戶的實時用電信息，并將這些數據傳到后臺數據庫，作為電量統計和電費結算的依據。

2）用電信息管理。通過柱狀圖、餅狀圖、表格等形式，顯示智能用戶和普通居民用戶的用電信息。普通居民用戶管理可以查詢每個用戶的日、月、年用電量，智能用戶用電管理可以查詢用戶供用電及電能質量狀況，為電網調度提供直觀的數據依據。圖4為普通居民用戶用電量統計界面，圖5為智能用戶用電管理界面。

圖4 普通用戶用電量統計Fig.4 Electricity consumption statistics of ordinary users

圖5 智能用戶用電管理Fig.5 Power management of intelligent users

3）負荷分析和預測。綜合分析各類型用戶的日負荷曲線、分時電量及最高、最低負荷等關鍵數據，作為電網調控的依據，同時根據用電統計數據進行負荷預測，制定電力供需平衡方案。

4）歷史數據查詢。對電壓、電流、功率等參量的日曲線、月曲線、年曲線統計，按月、年統計電壓電流極大值和極小值，為電力決策提供依據。

5）電網負荷控制。供電部門根據所采集的電力數據，結合有序用電方案，對所在臺區用電設備進行調控。當用戶負荷超過限值時，以電話或者短信形式提醒用戶降低負荷運行；若長時間處于超負荷狀態，則根據有序供電方案進行負荷切除。

2.5 兩組產婦產后42 d母乳喂養率及產后并發癥發生率比較 觀察組母乳喂養率明顯高于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。觀察組產婦產后乳腺炎發生率明顯低于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。觀察組子宮收縮不良發生率也低于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。觀察組產婦子宮脫垂、尿失禁發生率比較，差異無統計學意義(P>0.05)。見表5。

6）電能質量監測。電壓合格率、功率因數合格率、供電可靠性、諧波的監測分析。

3.2 雙向互動服務

雙向互動服務是指隨著現代化的信息技術、通信技術、計算機技術的發展,智能電網側與用戶側之間能夠實現電力流、信息流及業務流的雙向互動,使電力用戶享受到智能化、多樣化的優質服務；同時，又能夠提高供電部門對電力用戶的有效管理與控制能力,改善供電質量與服務[8-10]。

1）信息互動。①發布國家電網信息，了解國家電網動態。②發布動態電價和電力供需平衡信息，制定最經濟性用電策略，實現削峰填谷，引導用戶改變用能方式，減少電費支出。③用戶通過web頁面接收電網發送的停電通知、欠費信息和供需平衡信息、電壓合格率等電能質量信息，享受到供電優質服務。

2）分布式能源監控。電力部門監視用戶分布式能源負荷曲線、電能量曲線，對分布式能源各項發電指標分時段和定時進行數據統計。實時監測分布式發電的電能質量，當電能質量未達國家標準時，發布治理方案，幫助用戶改善發電質量。同時，用戶可以實時監控分布式能源運行狀況，并通過控制選擇供電電源，決定發電量流向，圖6所示智能用戶電源控制。

3）發電管理。供電部門根據發電預測制定發電計劃，召喚用戶接入或退出分布式電源，制定有客戶參與需方響應的補償結算機制。系統設定饋電協議簽訂接口，用戶通過與供電部門簽訂協議實施饋電操作。

圖6 智能用戶電源控制Fig.6 Power control of intelligent users

5）家庭用電智能化管理。供電部門可以根據用戶的需求，結合系統負荷特性進行分析，給用戶提供用電方案。用戶也可以根據需求自己對用電方案進行修改，自動下載至智能用電終端。圖7為智能家居控制頁面，將智能家居分為重要負荷和一般負荷兩類，根據家用電器的功率等參數，通過數學模型計算出家用電器的最佳用電時段、經濟用電方案。用戶根據家電的最佳用電時段和經濟用電策略，選擇對家電的手動操作控制或設置自動運行，以達到經濟用電的目的。

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

3.3 用戶多樣化服務

智能化村鎮戶用電管理系統提供了三大平臺作為電力部門和用戶溝通的紐帶：客戶服務管理，客戶繳費管理，95598客戶服務。只有當最大限度滿足客戶需求，提高產品服務品質和增加客戶滿意程度，企業才能增強核心競爭力，在激烈的市場競爭中具備競爭優勢[11]。

1）客戶服務管理。在系統網絡平臺基礎之上，實現業務受理、業務咨詢、資費查詢、票據打印、故障報修、客戶意見、用電知識普及、欠費催繳、市場調查、客戶回訪、信息發布等業務功能。并針對客戶服務中心的業務特點，為電力客戶服務中心的管理工作提供支持和依據。

2）客戶繳費管理。通過提供營業網點、電話、網上繳費以及銀行和其他代收網點等客戶繳費渠道，保證電費繳費信息的準確性與實時性，以達到方便客戶繳費，減少欠費余額，確保電費資金安全的目的。同時提供水費和燃氣費的繳費鏈接。

3）95598客戶服務。95598客戶服務平臺是電力部門對外服務的重要“窗口”，以營銷管理模塊、電能信息實時采集模塊，以及配網管理系統、辦公自動化系統等為依托，通過電話、傳真、因特網站、短信等手段，實現營業廳、電話、網站三維一體的客戶服務平臺。

3.4 系統維護

建立和維護系統相關信息，主要完成對部門信息、站線信息、臺區信息、用戶信息及權限的維護管理。

3.5 設備管理

對數據采集層的表計進行管理，包括集中器、采集器和智能電表，可以增加、刪除、修改和查詢各表計的設備編號、安裝地址和日期、程序版本、生產廠家等信息。

4 總結

智能化村鎮戶用電管理系統實現了電力銷售各個環節用電信息的監測、監控、集成和綜合應用。關鍵技術主要表現在幾個方面：涵蓋了各種類型的智能化的終端設備監測；實現了對所有客戶的用電信息采集、分布式能源的使用和管理，雙向互動、用戶多樣化服務等高級應用功能。該系統為用戶和電網企業架起了溝通的橋梁，將電力系統智能化發展又提高到一個新的階段。隨著國家電網智能化的發展，智能化村鎮戶用電管理系統還會不斷完善。將新技術、新思路融入到系統中，更加有效地為用戶和企業服務。

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