電能量采集系統(tǒng)在水電廠的應(yīng)用探討

（1.江西羅灣水電廠，江西 宜春 330600；2.南昌科晨電力試驗(yàn)研究有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

目前，電力系統(tǒng)的控制與管理正逐步走向智能化、集約化的道路。電廠作為一個(gè)發(fā)電企業(yè)，其經(jīng)濟(jì)效益好壞完全由上網(wǎng)電量體現(xiàn)，而傳統(tǒng)電能計(jì)量方式是人工定期抄表獲得發(fā)電量、上網(wǎng)電量等電能數(shù)據(jù)，并通過人工計(jì)算得出變損、廠用電率等重要生產(chǎn)指標(biāo)，這無疑給員工帶來了巨大的工作壓力，同時(shí)抄表時(shí)間差也給核算帶來誤差，而及時(shí)準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)相關(guān)電能數(shù)據(jù)并與電網(wǎng)公司進(jìn)行結(jié)算對電廠來說至關(guān)重要。電能量采集系統(tǒng)作為提供電廠上網(wǎng)、下網(wǎng)和關(guān)口點(diǎn)電能量的計(jì)量，分時(shí)段存儲(chǔ)、采集和處理，為結(jié)算和分析提供基本數(shù)據(jù)等功能的管理分析系統(tǒng)，能充分解決上述問題。并且能通過數(shù)據(jù)分析找到降低廠用電及變耗的方法。對目前正在推進(jìn)‘遠(yuǎn)程集控，少人值守’的電廠來說更有助于提高管理水平，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置

電能量采集系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由主站系統(tǒng)、分站系統(tǒng)、和通訊模塊三部分組成。主站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為分層式局域網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過光纖的方式與采集終端通訊，同時(shí)抄錄站端采集裝置的信息。數(shù)據(jù)傳輸支持主站召喚方式和終端主動(dòng)上報(bào)方式，終端將電量數(shù)據(jù)和時(shí)標(biāo)上傳至主站。主站可發(fā)廣播命令，同時(shí)完成終端統(tǒng)一對時(shí)、電能表數(shù)據(jù)凍結(jié)、電能表處理器復(fù)位等功能。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 電能量采集系統(tǒng)圖

1.1 主站系統(tǒng)

1.1.1 硬件部分

羅灣水電廠的電能量采集系統(tǒng)主站由采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、管理終端、WEB服務(wù)器、安全網(wǎng)關(guān)組成。

1）采集服務(wù)器是系統(tǒng)的主要組成部分，主要是獲取分站系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)并與電站時(shí)鐘系統(tǒng)對時(shí)，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用單機(jī)工作方式，主要作用是對采集服務(wù)器的數(shù)據(jù)按照需要寫入并保存在數(shù)據(jù)庫中，以備管理終端隨時(shí)查詢調(diào)用歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3）管理終端主要是通過對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，輸出相關(guān)分析報(bào)表。

4）WEB服務(wù)器是把內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出到外網(wǎng)中，以便外網(wǎng)能方便地獲得相關(guān)報(bào)表數(shù)據(jù)或調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

5）安全網(wǎng)關(guān)主要是保障內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)與外網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全，杜絕外部入侵到內(nèi)網(wǎng)。

1.1.2 軟件部分

系統(tǒng)軟件按三層瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server）及客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server）結(jié)構(gòu)、模塊化、分布式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)分離，采用DCOM、JAVA、J2EE進(jìn)行編寫。底層包括支持平臺(tái)（操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫訪問接口）及服務(wù)器模塊（軟總線、數(shù)據(jù)處理、前置通訊、事項(xiàng)服務(wù)等）；中間層具有訪問底層的統(tǒng)一接口；應(yīng)用層通過中間層對底層進(jìn)行訪問。系統(tǒng)模塊采用跨平臺(tái)設(shè)計(jì)，其中對重要模塊實(shí)現(xiàn)主輔備份。操作系統(tǒng)支持UNIX、Linux、Windows等主流操作系統(tǒng)，并根據(jù)需要采用B/S或C/S模式。數(shù)據(jù)庫普遍采用商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，支持oracle/Sybase/sql server/access，充分保證系統(tǒng)容量和計(jì)算能力。

1.1.3 系統(tǒng)軟件模塊

1）軟總線模塊。提供構(gòu)筑在TCP/IP通信協(xié)議基礎(chǔ)上的一整套系統(tǒng)內(nèi)跨平臺(tái)通信解決方案，實(shí)現(xiàn)按名字定位的網(wǎng)絡(luò)透明通信及屏蔽底層的具體通信細(xì)節(jié)。同時(shí)提供用戶管理機(jī)制，為上層模塊的開發(fā)提供更多的方便。

2）控制臺(tái)模塊。主控臺(tái)是基于軟總線模塊建立的，它是整個(gè)系統(tǒng)的主界面，為管理本機(jī)上運(yùn)行的各個(gè)模塊提供了統(tǒng)一入口，具有友好的操作界面，便于用戶管理，易于維護(hù)系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

3）前置通信模塊。主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)設(shè)置的自動(dòng)采集策略采集遠(yuǎn)方終端數(shù)據(jù)，事項(xiàng)數(shù)據(jù)通過軟總線發(fā)送到事項(xiàng)服務(wù)器，由事項(xiàng)服務(wù)器統(tǒng)一處理。

4）Web應(yīng)用模塊是綜合電能量采集系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的瀏覽器界面。采用Web方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本的人機(jī)對話，在客戶端實(shí)現(xiàn)免安裝和維護(hù)。

5）事項(xiàng)管理模塊。分事項(xiàng)服務(wù)器和事項(xiàng)查看器，其中事項(xiàng)服務(wù)器負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)內(nèi)各模塊發(fā)送的事項(xiàng)，并實(shí)現(xiàn)保存、轉(zhuǎn)發(fā)功能。

6）圖形化人機(jī)會(huì)話模塊。繪制和顯示各類示意圖。

7）數(shù)據(jù)處理模塊。用于接收前置通信模塊采集的原始數(shù)據(jù)。并存入數(shù)據(jù)庫。一般來說，電表的電能量原始數(shù)據(jù)主要有窗口值和負(fù)荷曲線，在次基礎(chǔ)上同時(shí)考慮換表、換電流互感器以及旁路替代等操作實(shí)現(xiàn)計(jì)量點(diǎn)電量的分時(shí)段、日、月、年等統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)的電量數(shù)據(jù)是所有其他高層應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此電量數(shù)據(jù)的正確性關(guān)系到高層應(yīng)用的正確性，是一個(gè)比較重要的模塊。

1.2 分站系統(tǒng)

分站系統(tǒng)由采集終端設(shè)備及表計(jì)組成。采集終端設(shè)備采用IEC870-5-102規(guī)約、CDT規(guī)約與主站通訊，并支持接口規(guī)范的任何主站（其工作原理如圖2所示），支持接入主流表計(jì)。其主要功能是采集、存儲(chǔ)電能表的數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)營狀況，通過不同的通信方式按照一定的通信協(xié)議與主站交換信息。

圖2 電能量采集終端工作原理

主要有以下功能：

1）電能量采集功能：通過RS485口，采集電能表的各種類型電能數(shù)據(jù)、總最大需量及總最大需量發(fā)生時(shí)間、瞬時(shí)量數(shù)據(jù)、失壓數(shù)據(jù)、斷相數(shù)據(jù)、考核數(shù)據(jù)（僅限東方電能表）、電表狀態(tài)字（僅限東方電能表）等。

2）歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能：長久保存采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及采集器自身生成的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，掉電數(shù)據(jù)不丟失。具有防誤寫措施，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3）時(shí)鐘及校時(shí)功能：具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷，時(shí)鐘可由主站定期校準(zhǔn)，以保證時(shí)鐘的統(tǒng)一和準(zhǔn)確，同時(shí)終端也可對表計(jì)校時(shí)。

4）異常記錄性能：自身運(yùn)行工況記錄（開關(guān)機(jī)時(shí)間等）、通訊異常記錄、參數(shù)修改記錄、參數(shù)錯(cuò)誤記錄、電能量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤記錄、所有異常記錄均可向主站傳輸。

5）通訊功能：滿足DLT-645多功能電能表通訊規(guī)約。

6）數(shù)據(jù)處理：能夠?qū)Ω髀冯娔鼙淼臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，分時(shí)段、日統(tǒng)計(jì)各路電能量數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，時(shí)段及間隔可根據(jù)需要設(shè)定；記錄和處理電能終端的各種事項(xiàng)。

7）人機(jī)界面：可設(shè)置和顯示各路電能表的窗口值，電表的滿度值、電表的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)和每度電的脈沖數(shù)；可觀察各種數(shù)據(jù)信息、參數(shù)和狀態(tài)，可當(dāng)?shù)卦O(shè)置、修改參數(shù)，校對時(shí)鐘；可查詢當(dāng)前某一路的電壓、電流值及查看當(dāng)前遙測數(shù)據(jù)；可監(jiān)視各路串口的通信狀態(tài)及通信參數(shù)。具有安全訪問措施，可設(shè)密碼，鍵盤鎖定，禁止非法操作。

8）自恢復(fù)：具有看門狗電路，可使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)，具有自檢和自恢復(fù)功能。

表計(jì)包括5塊智能關(guān)口表，用于核算上網(wǎng)電量，3塊智能表用于統(tǒng)計(jì)機(jī)組發(fā)電量，2塊智能表用于變損，2塊智能表用于廠用電計(jì)量。表計(jì)都具有精確的分時(shí)計(jì)量三相正反向有功電能、四象限無功電能以及需量功能；精密實(shí)時(shí)測量三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等；監(jiān)測并記錄失壓、失流、斷相等事件。

2 主站系統(tǒng)處理軟件功能

羅灣水電廠采用的是東方電子的DF6100軟件系統(tǒng)，具有開放的數(shù)據(jù)庫，友善的人機(jī)界面，方便各系統(tǒng)的訪問。目前實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1）采用樹型結(jié)構(gòu)管理和構(gòu)造電廠設(shè)備，并能對定時(shí)采集方案、通道、電能量采集終端、計(jì)量點(diǎn)和信息體地址等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)。

2）完成換表日志、旁路事件、人工追補(bǔ)電量、置入電量及表碼修改等引起的電量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性。

3）實(shí)現(xiàn)計(jì)量點(diǎn)原始數(shù)據(jù)、計(jì)量點(diǎn)電量、考核對象電量和線損（不平衡）分析數(shù)據(jù)瀏覽和分析，并通過表格和圖形（曲線、棒圖、餅圖）顯示以供其管理部門瀏覽查詢。

4）對水電廠用電率、變損率、發(fā)電耗水率等指標(biāo)進(jìn)行分析。

5）可以針對水電廠自身的需求設(shè)置自定義報(bào)表。

3 目前使用情況

3.1 提高了工作效率

自動(dòng)抄表系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的人工抄表，節(jié)約了大量人力成本。且系統(tǒng)的實(shí)施適應(yīng)目前“遠(yuǎn)程集控、少人值守”的趨勢，在值班人員減少的情況下保證了工作正常執(zhí)行，提高了工作效率，消除了因視線環(huán)境等因素造成的人工抄表漏抄、誤算、估算等現(xiàn)象。

3.2 提高了企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平

通過計(jì)算機(jī)對采集數(shù)據(jù)的分析處理，能實(shí)時(shí)地給相關(guān)人員提供所需要的計(jì)算數(shù)據(jù)，通過日報(bào)表能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。有助于管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并分析原因，并對線路及設(shè)備隱患及時(shí)處理，減少電量損失。利用機(jī)組發(fā)電量和電廠上網(wǎng)電量進(jìn)行綜合比較分析，從而實(shí)現(xiàn)對電廠變損的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和分析，為提高電廠發(fā)電效率，減低損耗提供了重要的技術(shù)支撐。

3.3 需要改進(jìn)的地方

由于經(jīng)費(fèi)限制，羅灣水電廠電能量采集系統(tǒng)采用較為簡單配置，只部署了單數(shù)據(jù)服務(wù)器及單網(wǎng)絡(luò)，這種配置存在著可靠性不高的情況，最佳方案是采用主備二臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器、二臺(tái)采集服務(wù)器，采用主備雙網(wǎng)系統(tǒng)，避免單機(jī)故障影響系統(tǒng)運(yùn)行。

4 運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及解決方法

1）機(jī)組表計(jì)無數(shù)據(jù)傳輸。

現(xiàn)象：查詢機(jī)組表計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不變，報(bào)表中機(jī)組數(shù)據(jù)也不改變。

分析：由于機(jī)組表計(jì)是用光纖與電能量采集終端連接，需通過485光電模塊轉(zhuǎn)換，檢查發(fā)現(xiàn)模塊工作不正常。

處理：替換485光電模塊，數(shù)據(jù)正常。

2）通訊不正常，時(shí)通時(shí)不通。

現(xiàn)象：采集器數(shù)據(jù)不完整或主站終端報(bào)表數(shù)據(jù)不全或錯(cuò)誤。

分析1：網(wǎng)絡(luò)電纜布線不合理。

處理：RS485網(wǎng)絡(luò)電纜必須使用雙絞線，且用一條雙絞線電纜作總線，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來，從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長度應(yīng)盡量短，信號通道單一連續(xù)。

分析2：線路阻抗不匹配。

處理：短距離線路可以不需要考慮阻抗，但如果長

距離則必須匹配相應(yīng)線路阻抗。

分析3：現(xiàn)場的電磁干擾嚴(yán)重，造成一些區(qū)域電磁信號強(qiáng)，但收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，嚴(yán)重的電磁干擾會(huì)產(chǎn)生共模干擾，造成此范圍內(nèi)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)工作不正常。影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

如圖3所示：當(dāng)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓VCM就會(huì)達(dá)到VCM=VOS+VGPD，超出正常工作范圍。

圖3 共模干擾原理圖

處理：RS485通訊設(shè)備之間也需要共地，以屏蔽外界電磁干擾。

3）數(shù)據(jù)庫不正常。

現(xiàn)象：System.Data.SqlClient.SqlException:在建立與服務(wù)器的連接時(shí)出錯(cuò)。

分析：由于電腦死機(jī)強(qiáng)制啟動(dòng)，懷疑SQL服務(wù)沒啟動(dòng)。

處理：啟動(dòng)SQL Server配置管理器。

展開SQL Server 2005網(wǎng)絡(luò)配置。

選擇“MSSQLSERVER協(xié)議”。

右鍵單擊TCP/IP，并選擇“啟用”。

選擇“SQL Server 2005服務(wù)”。

右鍵單擊 SQL Server（MSSQLSERVER），并選擇“重新啟動(dòng)”。

4）新?lián)Q的表計(jì)無數(shù)據(jù)。

現(xiàn)象：無法獲取到新表計(jì)數(shù)據(jù)，查看通訊狀態(tài)為斷。

分析：電能量采集終端中根據(jù)電能表地址訪問電能表，只有地址有且正確才能通訊正常。

處理：把表計(jì)上的地址準(zhǔn)確輸入到電能量采集終端。

5 結(jié)語

羅灣水電廠電能量采集系統(tǒng)改造后投入運(yùn)行已有一年多，從目前使用情況表明，該系統(tǒng)具備有良好的人機(jī)界面、功能全面、運(yùn)行人員使用簡單，能滿足羅灣水電廠“無人值班”（少人值守）的要求。電能量采集系統(tǒng)的成功改造，使羅灣水電廠管理與決策能力得到進(jìn)一步提高。