基于互聯網的計量采集系統設計與應用

趙艷艷

（國網陜西省電力有限公司吳起縣供電分公司，陜西 延安 717600）

0 引 言

電力能源具備遠距離傳輸、綜合損耗低、轉換效率高等特點，是現階段工業生產和居民生活的主要能源供應形式。隨著科學技術的發展和工業制造自動化水平的提高，全社會對電力能源的自動化管理水平和先進程度提出更高的要求[1]。而電能計量采集工作是電力市場運營的基礎。電能是一種商品，與之相關的交易行為應受到市場監管。由于電能自身的特性，無法像傳統商品那樣先計費后消費，整個銷售和使用行為在同一時間完成[2]。電力能源計費的合理性直接關系著電力生產部門、銷售供應部門與用電客戶的經濟利益。

電能的計量依托于電能計量系統，常見的電能計量系統由電能表、電壓互感器、電流互感器、二次回路以及電能計量柜等附屬裝置組成[3]。電能計量采集系統可以更好地對某地點的電量進行采集、計算及管理，提高電能核算的效率。文章以互聯網技術為基礎設計電能計量采集系統，并分析其在實際中的應用，從而更好地滿足電力計量采集的具體需要。

1 電能計量采集系統的功能需求分析

1.1 電能計量采集特點

1.1.1 實時性

電能計量采集系統能夠實時監測電能的使用情況，并及時記錄和傳輸相關數據。借助電能計量采集系統記錄的數據，能源管理人員可實時獲取最新的能源使用信息，并做出相應的調整和決策[4]。

1.1.2 準確性

電能計量采集系統能提供高度準確的數據，確保對電能使用的準確監測和計量，避免不準確計量帶來的成本損失。

1.1.3 大規模部署和集中管理

電能計量采集系統可以在一定范圍內大規模部署，覆蓋多個能源消耗點。通過集中管理軟件對這些系統進行監控和控制，提高管理效率和能源利用率。

1.1.4 數據通信和遠程訪問

電能計量采集系統通常使用現代通信技術，如無線網絡或有線網絡，將采集的數據傳輸給集中管理系統。能源管理人員可以通過遠程訪問獲取實時數據，并進行數據分析和報告生成。

1.2 電能計量采集系統的主要功能

電能計量采集系統的主要功能是通過通信終端和采集軟件，將電能表的數據傳輸給主站體系，實現電能監測和管理[5]。具體來說，電能計量采集系統主要有以下功能。

1.2.1 數據采集

電能計量采集系統定時或按需從電能表讀取電能數據，包括電壓、電流、功率、功率因數以及電量等，并將數據通過通信網絡發送給主站體系。

1.2.2 數據存儲

主站體系接收到通信終端發送的數據后，對數據進行校驗、分析、處理，并將數據存儲在數據庫，供后續查詢和統計。

1.2.3 數據展示

主站體系提供多種方式來展示電能數據，包括圖形、表格、報表等，可以按照不同的維度和條件來查詢和分析電能數據，如按照時間、地點、用戶、用電類型等。電力數據統計分析過程如圖1 所示。

圖1 電力數據統計分析過程

2 電能計量采集系統設計的關鍵技術

2.1 硬件架構設計

電能計量采集裝置由電網高壓無線檢測設備和用電端的遠程監控模塊組成。高壓無線檢測設備采集高壓側電量數據，通過無線通信設備傳輸。用電稽查終端接收傳輸的數據，同時讀取電表數據。判斷竊電行為有2 種方式：直接方式是終端根據用電數據判斷是否存在竊電行為，并將結果發送給主站和用戶端；間接方式是終端將高壓側電量數據和電表數據發送給主站，由主站根據數據判斷是否存在竊電行為。

2.2 高壓無線檢測模塊設計

高壓無線檢測模塊是一種用于采集、處理及傳輸高壓側電能數據的設備，主要由采樣模塊、控制模塊、通信模塊以及電源模塊組成。

采樣模塊通過互感器將高壓側的電壓和電流轉換為可測量的低壓模擬量，對電能數據進行采集和簡單處理，以提取有效信息。控制模塊負責控制高壓無線檢測模塊的工作過程，按照預定的順序控制各個子模塊的啟動、運行及關閉，保證模塊的可靠運行。通信模塊將采樣模塊處理后的電能數據以無線通信的方式傳輸給遠程接收設備。電源模塊為整個高壓無線檢測模塊提供穩定的工作電源，保證模塊在不同環境下能夠持續、正常工作。通過這4 個子模塊的配合，實現對高壓系統電能數據的智能化采集和傳輸，為電網運行的監測與管理提供有效支持。

高壓檢測中的控制單元使用一種內置模數轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）的單片機，能夠簡化電路、降低成本。高壓無線檢測模塊的數據處理流程如圖2 所示。

圖2 高壓無線檢測模塊的數據處理流程

采樣單元上電后進行采集、處理、保持采樣數據；通信設備將處理后的數據進行無線傳輸；遠程監控設備接收傳輸的數據并考慮傳輸延遲后進行解析處理。通過內置ADC 的單片機實現數據從采集、傳輸到接收的流程處理，為電網的監測與管理提供支持。

文章采用一種無磁性空心線圈結構的互感器。與傳統互感器不同的是，這種結構的互感器線圈不使用磁性材料，而是采用空心無磁導體，可避免由磁性材料帶來的殘留磁感應、飽和等問題，從而改善互感器的性能。無磁性空心線圈互感器具有反應速度快、測量范圍寬、抗外部電磁干擾能力強等優點，尤其適用于大電流測量場合，可提供安全穩定的輸出，準確采集電流數據，為電能計量提供支持。

2.3 用戶用電遠程監測單元設計

反竊電裝置中的用電遠程監控單元利用RS-485接口實時讀取電表數據，同時通過無線方式獲取檢測裝置采集的供電側數據。將兩者進行對比分析，根據用電數據判斷是否存在竊電行為。該方式具有數據量大、判斷準確度高、分析響應速度快等優點，既能訪問電表獲取用戶端的實際用電詳情，又能通過無線網絡獲得供電側的電量參數。通過數據對比分析用電異常情況，及時發現竊電等行為，為電力系統的規范化運營提供保障。

2.4 主站系統設計

主站系統由計算機網絡、數據庫服務器以及系統管理軟件等組成，可實現對用電數據的集中接收與保存、用電異常情況的識別處理、報警信息的自動生成與發送等功能。它能通過網絡接口接收各監測設備采集的用電數據，并存儲在數據庫服務器，然后利用管理軟件分析這些用電數據，判斷是否存在異常用電行為，及時進行處理。同時，管理軟件可以配置異常用電的識別規則。在檢測到用電異常時，自動生成報警信息，并以郵件、短信等形式發送給相關負責人。通過這種集中化的系統管理，可以高效監測區域內的用電情況，防范竊電等行為的發生。

2.5 基于IEC102 規約的采集程序設計

2.5.1 通信規約

為保證數據的穩定采集與傳輸，常用IEC102 通信規約。開發一個基于IEC102 規約的軟件采集系統，實現對各類智能電表的采集控制，并與數據庫系統、主站系統進行數據接口對接，實現采集數據的存儲與解析處理。通過自定義開發基于IEC102 規約的采集軟件，不僅可以降低系統成本，還可以按照實際需要定制數據采集流程，對于保證系統的靈活可控性和高效穩定運行具有重要意義。

2.5.2 基于IEC102 規約的采集程序開發

系統改造過程中，采用Socket 協議與IEC102 規約相結合的方式實現主站和采集終端之間的數據通信。利用多線程編程技術開發采集程序，加入數據校驗機制，實現對各類智能電表數據的快速、準確、自動化采集工作。通過數據庫存儲與發布模塊，自動存儲并發布采集的數據，供主站系統使用。利用軟件接口實現對主站系統的無縫對接。這種改造可提高整個系統的功能性、穩定性以及自動化水平，既實現基于IEC102 規約的定制采集控制，又利用軟件編程優化數據處理流程，在保證采集質量的前提下，實現快速響應和靈活擴展。

3 基于互聯網的電能計量采集系統的應用分析

電能計量采集系統用于實時監測和記錄電能消耗，在能源管理和電力監控領域具有廣泛的應用。

3.1 能源管理

電能計量采集系統可幫助電力企業管理能源。利用系統實時監測和記錄電能使用情況，提供詳細的能源消耗數據，可以幫助用戶了解能源使用模式和高耗能設備，從而制定有效的節能策略，并監控其實施效果。

3.2 故障檢測和預警

電能計量采集系統可實時監測電力設備的運行狀態，采集電壓、電流、功率等參數。通過對這些參數的監測和分析，檢測設備故障并及時發出警報，避免設備損壞或電力中斷。

3.3 負荷管理和優化

電能計量采集系統可監測電力系統的負荷情況，包括峰值負荷和負荷分布，對于電力系統的規劃和管理非常重要。結合負荷分布情況，電力公司能合理分配電力資源、優化電力供應方案，減少能源浪費，并降低系統過載的風險。

4 結 論

電能計量采集系統在我國已經得到廣泛應用，工作程序和原理相對復雜，對計量精度的要求也比較高。文章以互聯網技術為基礎，重點對硬件架構、高壓無線檢測模塊、用戶用電遠程監測單元以及主站系統等進行設計，并基于IEC102 規約設計采集程序。通過電能計量采集系統的應用，有效幫助電力公司優化資源配置，提高相關人員的工作效率。