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电能量计量系统设计方案
电能量计量系统设计方案
第一章绪论
1.1课题背景
电力交易市场化是我国市场经济体制发展的要求。
随着电网体制改革的深入和电力生产技术的进步,建立电量能计量系统,以提高电力系统管理自动化水平和经营效益水平己成大势所趋。
在电力营销系统和电网企业化运行管理中,电能量计量系统的作用更显重要,而这一作用在电力供应形势日益紧的情况下实施错峰用电管理及用户负荷管理中更显得重要。
要真正发挥电能量计量系统的作用,系统涉及的计量围将包括各种电压等级的变电站和电厂的电量结算关口计量点和网损、线损管理关口计量点;根据管理需要所需采集的用户电量结算关口计量点(所有的1OkV公用变和专用变);以及根据需要(如考虑母线平衡、变压器负荷平衡等)提出的各电量计量点。
电能量计量系统主要实现电厂上网、下网和联络线关口点电能量的计量,分时段存储、采集和处理,为结算和分析提供基本数据。
若为计量计费系统,则还包括对各种费率模型的支持和结算软件。
电能量计量系统的发展可以认为是系统架构及通信网络发展的有机结合。
能量计量系统已成为继SCADA,AGC功能之后电网调度自动化的又一个基本功能,并在电能作为商品走向市场的进程中发挥着重要的作用。
1.2国外的现状
上个世纪电能量计量系统的发展进程经历了两个阶段。
第一阶段(20世纪七、八十年代):
电能量的采集和统计处理仅作为SCADA/RTU中的一项功能。
由于受当时设备的能力限制,其采集精度、数据的可靠性、连续性均存在不少问题。
因此,只能作为SCADA系统监视电网运行工况之用,远未达到电能量计量和计费的要求。
当时电能量数据与常规的远动采用同一种通信规约,信息由同一台RTU通过同一通道进行传输,由主站系统按“冻结;读数;解冻”的方式统计与处理。
由于RTU的数据存贮方式、容量和远动通信规约都不支持按分钟///J、时定义的采集周期,大容量存贮和批次的数据传送,尤其是通道、主站系统或RTU本身发生故障或进行例行检修还会影响电能量数据的准确性、可靠性和连续性。
第二阶段(20世纪90年代至今)国外知名厂商如ABB,L&G,UTS等先后推出独立于原SCADA/RTU系统的电能量计量专用系统。
国也在20世纪90年代后期推出了自行研制的电能量计量系统例如PBS-2000,DF-6000等。
其特点是采用了独立的主站系统,专门的电量采集终端或电能量表,采用了专用通道(专线公用电信网、数据通信网等)、专用的通信规约例如IEC60870-5-102,TCP/IP等来进行电能量的采集,计算和统计考核,以适应电力市场“厂网分开,竞价上网”的商业化运作的需求。
与此同时,为了保证系统的高可靠性、安全性、准确性的要求,相关的高新技术例如Trucluster(群集)技术,三层体系结构及DCOM部件,COW,Internet/Intranet及Web浏览器,网络安全技术等相继得到应用。
目前国的电能量计量系统经过近20年的发展,已进入稳定成长阶段,网省级电网及主要城市的供电网均已配备电能量计量系统。
并有向区、县供电网发展的趋势,普及率正在逐年提高。
2003年,电网公司出台了相关规定,如(()一东电网计量自动化主站技术规书》、《电网公司电能计量数据传输通信规约第二版》,在这些文件的指导下,地区在2004年开始建设电能量计量系统。
至今为比,地区己实现了对城区所有变电站及各子公司所有用户电量结算关口计量点的电能量计量系统覆盖。
1.3发展趋势
电能量计量系统经过二一f一多年的发展,无论是网络的组成、结构还是功能、性能,都日趋完善,系统规模逐渐扩大。
今后的电能量计量系统的发展趋势主要体现在以下几个方面:
跨平台设计。
这里所说的“跨平台”主要是实现两个目标:
代码级的移植不需要或很少对代码进行修改就能从一种平台移植到另一种平台;其次混合系统联机运行时能够实现异构平台之INJ的数据交换。
遵循IEC61970/61968CIM标准。
IEC61970CIM/CIS是近几年IEC起草和讨论的标准,国电力自动化厂家和研究机构进行了积极研究和互操作试验,为系统间的数据交换提供了技术规。
图模库一体化设计。
该项功能在电力调度自动化系统已经开发成功并成功应用,降低了建立电网拓扑模型的复杂度,提高手工建模的准确性。
随着电能量系统的广泛应用,用户在档案录入和理论线损方面也提出了较高的要求,有必要开发和应用这项功能。
该项功能的开发有助以后为用户提供许多派生功能:
线路拓扑着色、终端数据与线路状态一致判断、自动旁路替代、理论线损计算等;同时为用户提供了另外一种参数和档案录入的方式,便于图形化的数据统计和查询。
与配网自动化系统一体化的设计。
前几年配网自动化系统的兴起和试点,为许多用户提供了电能量与配网进行一体化设计的想象空间,在许多地方已经呈现出台区监测、计量和就地无功补偿一体化的实现方式。
分层分布式设计。
采用结构分层、功能分布的系统构架,实现模块化的软件设计和基于软总线的“瘦客户”cis数据访问方式,提高系统开发的简易性和资源充分的共享性。
安全性。
满足《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》中规定关于电能量系统与其他相关系统安全互联的要求,快速的实现数据访问和发布。
1.4论文的研究容与章节安排
1.4.1论文的研究容
本人参与并完成的研究容包括:
(1)电能量计量系统的总体逻辑结构设计
通过全面的现场调研,根据地理位置、需求关系和功能要求进行综合考虑,本计量系统由三部分组成,即系统主机、通信网络和远端采集模块。
(2)电能量计量系统的主机群硬件结构设计
根据业务量和安全需求,为系统运行提供可靠的硬件主机配置。
(3)电能量计量系统通信网络部分的设计
通过对电能量计量系统网络需求的深入分析,按照计量系统网络要实现的功能进行网络通道的选型和设计。
(4)传输设备的软硬件调试
在设计好传输设备的硬件和软件后,对硬件和软件进行功能和性能的调试和测试。
1.4.2论文的章节安排
全文共五章,各章的容安排如下:
第一章为绪论部分,首先介绍电能量计量系统产生的背景,介绍国外电能量计量系统的现状及其发展趋势,最后提出本文的研究容。
第二章为电能量计量系统的设计方法,首先介绍了电能量计量系统的行业标准,然后说明了电能量计量系统设计原则,最后对计量系统的特点及要实现得功能进行了分析。
第三章对电能量计量系统常用设计方案的详细介绍。
第四章为电能量计量系统的详细设计,包括系统逻辑架构设计、系统主机架构设计和通信网络架构设计。
第五章为电能量计量系统不同通信技术的实施和比较分析。
第二章电能量计量系统的设计方法
2.1行业标准要求
2004年12月,中华人民国发展和改革委员会发布了《电能量计量系统设计技术规程》(DL/T5202-2004)。
该标准规定了电能计量系统设计技术要求,可指导系统规划设士十,电能量计量系统主站端、相关发电厂和变电所的工程设计。
该电力行业标准的及时推出,为电能量计量系统的设计提供了技术参照依据,为该电能量计量系统的顺利建设推广扫清了行业壁垒,加快了建设步伐。
2.1.1基本术语及定义
2.1.1.1关口电能量计量点
指发电企业、电网经营企业及用电企业之间通过电能结算的计量点(简称关口计量点)。
2.1.1.2电能量计量装置
该装置山电能量表计、电流互感器、电压互感器及他们之间的连接装置组成。
2.1.1.3电能量计量系统
由电能量计量表计、电能量远方终端(或传送装置),信息通道以及主站端计算机组成的系统的简称。
2.1.1.4电能量计量系统主站
主站端用于电能量计量接收和处理的、性能可靠、技术成熟、功能完善、相对独立的计算机系统。
2.1.1.5电能量远方终端
具有对电能量计量信息采集、数据处理、分时存储、长时间保存、远方传输等功能的设备。
2.1.1.6电能量计量现场监视设备
在发电厂侧配置的,用于收集电厂上网电能量、发电机电能量、厂用电电能量等数据,完成打印报表以监督为目的的计算机装置。
2.1.2计量系统设计基本要求
1计量系统应具有计量属性,数据准确、完整、可靠、及时、,以保证电能量信息的唯一性和可信度。
2计量系统应是系统完整、性能可靠、技术成熟、功能能完善、独立的计算机系统。
3计量系统应具有分时段电能量自动采集,处理,传输,整理,统计,存储,档案管理,具有声光报警、旁路替代、保留原始电量数据不被修改等功能。
4依据电网的规模、地理分布、产权划分、经营机构设置等因素设置计量系统。
5计量系统必须具有可扩展性、开放性、良好的兼容性和易维护性。
6计量系统可依据重要性对某些部件采用双设备以提高冗余度。
当厂站端配有电能量远方终端时,该终端一般情况下不宜再采用双配置。
2.1.3计量系统设备功能及技术要求
1采用结构模块化、测量组合化、高精度电子型电能量计量表计。
2准确度等级围:
有功电能量:
0.2级:
无功电能量:
1.0级。
由供电能量:
0.5级:
无功电能量:
2.0级。
3满足方向性有功和无功电能量计量,或四象限无功电能量计量。
4在标称值的0.05%-120%的测量围,应保持准确度等级不变。
5应具有最大需量的测量和储存。
6输出:
可具有脉冲和数据接口两种输出形式,电能量输出为表底值
7脉冲以继电器触点输出时:
触点电压围为2.5X10'0次。
电能量输出为表底值。
DC(24-220)V,触点电流为lA,寿命为2.5*10*10次。
8当以数据通信方式输出时:
应为RS485或RS232接口,通信规约符合DL/T645标准。
9电能量计量表计应具有自检功能,能主动向主站和现场提供相应的报警信号输出,如TV(PT)失压、TA(CT)断线,电源失常、自检故障等。
10电能量计量表应配有标准光通信口,可由手持式电能量度如期读取电能量表数
据。
11电能量计量表应具有数据冻结命令的接收功能。
12电能量计量表应配有后备电池,最续工作时间应为35天以上,使用寿命为3年以上。
13电能量计量表具有积分周期,积分周期应为(1-60)min,由用户自选。
以1min为积分周期时,电能量计量表应能存储7天以上的数据。
14电能量计量表具有直接远传功能时,必须具备有各种通信规约的接口。
2.1.4主站端计算机要求
1主站端计算机系统应是一个分布式网络体系结构的开放式系统,所选用的硬件平台、网络、图形接口等模块应符合最新国际标准,易于硬件设备扩充和软件应用升级。
支持与其他LAN和WAN计算机网络及不同计算机厂商设备的互联。
2主站端计算机系统主要技术指标:
系统可用率>99.9%
平均无故障fl寸Ib」:
MTBF>20000h
系统运行寿命>10年
画下面响应时间<2s
时钟同步保持时钟误差 数据刷新周期可设置 CPU平均负荷率<_30%(主服务器),网络负荷率<25%。 特殊情况下: CPU平均负荷率<50%(主服务器),网络负荷率<40%. 3主站端计算机系统技术要求: (1)计算机系统主要设备应冗余配置,并能自动切换。 (2)具有采集、存储、处理厂站端电能量数据的功能,其数据库容量应满足发展需要。 (3)数据库应采用国际通用商业数据库。 原始数据(带时标)、各类统计数据、报表等应能在主设备上存储两年以上。 商业数据库中的原始数据库应有多个同事刷新的拷贝数据库,以适应不同的应用,保证数据的唯一性,确保原始数据的不可修改。 (4)应具有完善的数据库管理系统,能够自动备份数据。 有良好的人机交换界面。 (5)具有良好的档案管理功能,可以将当前数据和历史数据自动和手动存储到光盘等大容量存储设备上。 可根据需要,将历史数据恢复到在线系统上,进行数据分析等处理。 (6)数据库具有良好的安全性、可靠性和可维护性,对任何设备和数据操作均有记录存档。 (7)具有良好的人际交互界面,可以生成各种汉化的曲线、图形、报表并可打印输出。 (8)可随机和定时(周期可调)采集厂站电能量数据信息。 定时方式下: 在通道中断回复后,主站应能自动召唤通道中断期间缺失的全部电能量数据,确保数据库数据的完整性及连续性。 (9)支持拨号、专线及数据网络等通信方式 (10)可与使用不同通信规约的厂站(包括电能计量表、电能量远方终端)进行数据通信。 (11)可具有旁路代路自动登录功能。 (12)能自动索取或手动键入厂站端电能量表底码值。 (13)具有系统自检和通道运行监视功能,异常时发出报警并一记录。 (14)对从读卡器或便携式PC机读入的电能量数据信息,应能存储到数据库,同时做出标记。 (15)能够以手动方式对拷贝的原始电能量数据进行修改和替代值输入,均应有相应的标记。 (16)具有外部时钟接口,并可与厂站端对时。 (17)能够方便的与数据采集与监视控制系统SCADA、能量管理系统EMS、配电管理系统DMIS等系统通信,具有安全措施。 通信协议符合国际标准。 (18)软件系统应采用模块化的结构。 (19)配置符合POSIX标准最新版本操作系统。 (20)网络软件应支持灵活的网络结构,符合国际通用网络通信协议。 (21)具有良好的用户开发环境,支持用户开发自己的应用软件。 (22)应用软件必须满足功能要求,具有良好的响应速度和可扩充性。 4.主站端计算机系统硬件配置 前置部分: 该部分是由前置机、终端服务器、调制解调器(modem池)和数据通信机构成。 数据库服务器。 WEB服务器 系统维护工作站 网关服务器 网络: 主站网络采用的交换拓扑辅助设备: 系统同时配置激光打印机,全球定位系统GPS时钟,可读写光盘驱动器等。 与外部系统连接: 主站系统应能够通过系统和信息安全保护措施(如防火墙、移动代理、入侵检测等)及数据终端服务器与其他系统(DMIS网/电力广域数据网、上级和下级电能量计量系统、SCADA/EMS、电力市场技术支持系统)连接。 2.1.5通信要求 1电能量计量系统采用的通信信道,应适应专用通道(如微波、载波、光纤、扩频 和音频电缆等)、市话拨号通道或者数字式网络传输等多种通信方式。 2数据传送应有可靠的保护措施、纠错功能。 通道误码率在10一时,系统通信仍能正常工作。 3通信应采用DL/T719或DL/TT645通信规约和TCP/IP网络通信协议。 4主站端配置的MODEM应与厂站端相匹配。 5采用专用通道或拨号通道时,回路外侧应装设防止高电压串入得线路适配器。 2.2电能量计量系统特点分析 电能量计量系统与传统的SCADA系统有其相似之处,例如均由主站系统、厂站终端、通信系统等部分组成。 更有其自身的特点诸如分时电能计量、线损、网损计算、计费与考核、旁路代功能、精度和可靠性要求高等。 1)分时电能计量 由于电能在不同时段的电价不同,因此电能表或计量终端应支持电能量分时段累计、存储的功能,其他分周期通常为5-30min可调,最小Imin,与调度计划下发周期或交易时段相对应。 2)数据采集 为保证电量读取的同时性,系统须与电能表或计量终端定时同步,即具备与GPS时钟对时的功能。 时钟设置误差小于Is/日。 系统应支持自动重发功能,在通道中断时能保存数据,当通信恢复后,系统能以自动或召唤方式获取丢失的数据,以保证数据的完整性和连续性。 3)数据处理 万一发生数据丢失或数据无效时,允许用户以人工输入方式进行数据替代,可以单值也可批量输入。 输入替代值后,原始值在历史数据库中的位置不会改变,替代值仅作为原始值的派生数据,在数据库中替代值会打上一个不可擦除的标志,但可参与统计与分析。 鉴于电能量计量系统的数据处理结果涉及到费用结算,故要求系统应支持主校表数据互校和处理功能。 4)数据管理和信息服务 电能量计量系统与广大用户关系密切,直接面向各类用户,应支持基于WEB浏览技术的客户在网上查询业务。 其WEB服务器系统应支持安全隔离,建立数据从系统传送到WEB服务器的机制;提供数据库安全性管理。 用户在访问系统的数据库之前,必须先访问提供数据库接口的页面,以确定用户对该数据库访问的权限。 对不同权限的用户,提供相对应的数据页面、图形等查询围。 5)计费和考核 电能量计量系统的数据处理结果是计算电费的基础,因此系统还应支持有关计费的处理功能,例如系统应提供对各种计费规则、费率模型的建立和管理维护手段。 提供灵活、方便的费率及其结构的定义和处理手段并具有较强的报表处理和综合运算处理能力。 并能自动生成相应的报表和图形以提供方便直观的查询和显示。 2.3采集终端通信分析 终端需要提供5类数据: 实时召测数据、曲线数据、日数据、月数据、告警事件。 并应能满足以下5类数据的抄读及存储要求(按最少接入s块电能表) a实时召测数据: 正反向有功、无功,四象限无功; A,B,C各相电流、电压; A,B,C各相及总有功、无功功率; A,B,C各相及总功率因数 b曲线数据 正反向有功、无功,四象限无功,默认数据间隔为每巧分种一个数据,可通过主站设置数据间隔,保存最近60天以上的数据(采用终端时间,下同)。 A,B,C各相电流、电压曲线,默认数据间隔为每15分种一个数据,可通过主站设置数据间隔,保存最近60天以上数据。 A,B,C各相及总有功、无功功率曲线,默认数据阳」隔为每15分种一个数据,可通过主站设置数据间隔,保存最近60天以上数据。 A,B,C各相及总功率因数,默认数据间隔为每15分种一个数据,可通过主站设置数据间隔,保存最近60天以上数据。 c日数据: 正反向有功、无功,四象限无功,保存最近60天以上数据,默认为每日零点,可通过主站进行设置。 A,B,C各相电压的越下限、越上限累计时间、上、下限指标可通过主站设置,保存最近60天以上数据。 电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数的日最大、最小值及发生时问,保存最近60天以上数据。 A,B,C各相的失压时I'[1]和失压电量(正反向有功电量、正反向无功电量); d月数据: 正反向有功、无功,四象限无功(保存最近6个月以上数据,默认为每月月末零点,可通过主站进行设置)。 A,B,C各相电压的越下限、越上限累计时间、电压合格率(保存最近6个月以上数据)。 A,B,C各相的失压时间和失压电量(正反向有功电量、正反向无功电量)(保存最近6个月以上数据)。 最大需量及其发生时间(保存最近6个月以上数据)。 e告警事件 包括: 电压逆相序、欠电压、电流不平衡、400个告警事件。 电流反极性、终端停电、终端上电、过负荷、过电流、过电压、无功过补偿、无功欠补偿、谐波超标等。 终端要求能一记录超过 2.4电能量计量系统设计原则 2.4.1系统完整性原则 电能量计量系统应设计成一个独立完整的系统。 鉴于各级电力公司是以电能量作为其计费、考核、奖惩的主要依据,因此必须有一个独立完整的系统来保证电能量的采集、传送、处理过程的可靠性、唯一性、准确性和连续性。 2.4.2同时性要求 电能量采集对实时性要求不高,但对同时性要求较高。 相对SCADA系统而言,电能量计量系统只是一个准实时系统,冻结周期应满足分时段计量精度要求,一般设置为5-30min,最短为Imin。 其传送周期应满足结算和统计报表的要求,一般以小时计。 2.4.3精度要求 电能量采集精度要求高。 由于电能量是一个累计值,因此即使是微小的误差日积月 累后也会达到难以置信的程度,而对售电和用电双方来说,此累积值就是经济上的亏损,因此,计量精度的选择原则应是容量越大精度越高,大容量的电厂和输电线宜使用0.2级及以上的精度的电能表计。 2.4.4数据源唯一性原则 (1)关口点的设置要遵循唯一性原则,不能出现多数据来源的情况。 (2)为确保存储数据的唯一性,任何单位和个人不得随意修改原始数据,对本数据库的修改须经各方面同意并打上永久性标志。 (3)计费模型唯一性。 对计费系统来说,其计费模型必须严格按合同执行,任何一方不得单方面修改。 2.4.5软件高可靠性原则 除了配置上要求系统各个环节具有高可用率,能独立运行外,针对系统的特点,软件设计应考虑以下要求: (1)安全性。 采用成熟的应用软件,实现快速平稳的故障恢复过程,还应采用适当加密防护措施,保证数据和系统的安全,防止黑客的攻击。 (2)连续性。 能适应全年365天,每天24h的全续运转,系统可用率达到99.5%以上。 (3)开放性。 应用程序开发平台应符合IEC-61970标准,平台包括操作系统,历史数据库,进程管理,网络通信,图形报表管理等,其应用编程接口均应充分开放,支持第三方应用软件在系统上的集成。 2.4.6计费关口点设置原则 (1)电厂上网电能量应设置计费关口点; (2)下网电能量应设置计费关口点(用于负荷预测一计算和某些考核功能); (3)跨省、区电能量应交易设置计费关口点(一般设置在联络线的两侧); (4)过网电能量应设置计费关口点,单独计算过网费的子网、线路及变电站应设置相应的计费关口点; (5)直供(或允许直接从市场上购买)用户(或零售商、配电公司)应设置计费关口点; (6)按实际需要可设置无功电能量计费关口点。 2.5本章小结 本章介绍了电能量计量系统的部分相关行业标准,通过对系统特点及采集终端数据通信需求分析,提出了若干电能量计量系统的设计原则,从而为地区电能量计量系统的设计提供依据。 第三章电能量计量系统常用设计方案 3.1与EMS/SCADA的接入方案 3.1.1统一平台模式 电能量计量系统与EMS/SCADA系统运行在统一的软件平台,网络、图形、数据库等均应兼容统一的接口标准和通信协议、相同的软件设备和维护管理工具,报表、特别是部分硬件和通道资源可以共享(例如前置系统和通道设备),从而降低投资或运行维护费用。 统一接口标准可保证两个系统之间的数据一致性,能直接互访数据而无须中间转换,既提高了访问效率,又保证了系统之间的安全性。 统一平台模式的电能量计量系统的结构图如图3-l。 图3-1统一平台模式的电能量计量系统结构图 3.1.2互联模式 电能量计量系统与已有的EMS/SCADA系统互为独立系统,可以是不同的软硬件平台,相互之间通过网桥或路由器联结,称为互联模型。 这种模式下各系统相对独立运行,属于松散联结,各自可有自己的软硬件平台和通信协议,只是通过网桥或路由器交换信息。 结构图见图4-2。 图3-2互联模式模型 3.1.3两种模式的比较 统一平台模式(例如省网)和互联模式(例如省网)各有特点,用户需根据自己的实际情况予以选择。 如果电能量计量系统的制造厂商与原有的EMS/SCADA或发电侧电力市场的供应商是同一厂商或可以相互兼容,且将来维护管理工作是由同一部门(例调度所自动化科)的人员来承担,则采用统一平台模式是合理的选择。 这样可以实现最大限度的资源共享,降低投资成本和支持维护费用,对维护管理人员较少的用户尤为适用。 如果电能量计时系统的制造厂商与原EMS/SCADA或发电侧电力市场的供应商不是同一厂商,且不能互相兼容,或将来维护管理工作是由两个不同的部门(例供用电科与自动化科)分别承担,则采用互联模式较为合适。 这样有利于划分专业围,有一个较明确的界面分工,有利于维护和管理。 这种模式对维护管理人员较充裕的用户较为适用。 随着电力生产的发展,很多地区也从同一平台模式转变到互联模式上了。 目一前地区采用的是互联模式。 3.2终端(表计)接入方式 3.2.1电能表直接接入方式 电能表置MODEM,经公用交换网直接接入主站系统(例如华东电网电能量计量系统),或由RS485/RS232C串口与数据网络连接,将信息接入主站系统(例如西北电网电能量计量系统)。 如图3-3所示。 图3-3电能表直接接入方式 3.2.2计量终端接入方式 电能表以
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