电能计费系统数据采集性能分析及解决方案

崔正湃，丁恒春

（华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045）

由于电力体制改革和厂网分开，电能计量工作和电能计费系统工作日益受到各方的重视。为了满足电网企业之间、电网企业与发电企业之间的电量结算工作要求，各级电网公司都建设了电能计费系统［1—2］。

电能计费系统包括电能数据采集系统（前端系统）和电能数据应用系统（后台系统）［3］。前端系统的主要功能是完成电能数据的采集和处理，后台系统将采集的电能数据经过运算和处理，实现用户对电能数据的各类处理和用户所需的各类应用功能，如：电能结算、网损（线损）考核等。

随着电能计费系统的广泛应用，其故障也日渐增多。文献［4］以电能计量装置自身综合误差为主探讨了电能计费系统综合误差构成；文献［5］统计归纳了电能计费系统常见的故障原因，对厂站端设备（如：电能表、电能量远方终端）、传输信道以及设备电源故障等引起的电能计费系统故障进行了较为详细分析，同时说明主站系统故障主要表现为自动采集任务受阻。

从实际工作中发现，电能计费系统的电能数据应用系统出现故障的情况较少，影响电能计费系统正常运行的绝大部分故障都集中于电能数据采集系统，而这又与目前电能计费系统采集存储机制不够完善健全有关，因而建立科学合理的采集存储机制是保证电能数据正确完整的主要措施，也是保证电能计费系统稳定可靠运行的重要措施。

1 数据采集系统

1.1 采集对象

目前大多数网省电力公司调度中心计费系统采集的电能量数据主要包括正反向总电能量（有功/无功）、分时电能量、冻结电能值和负荷曲线等。其采集存储间隔分别为：正反向总电能5min；分时电能量5min；冻结电能值和负荷曲线1 d。

此外电能计费系统采集的其他数据还包括：最大需量数据，采集存储间隔为1 d；参量数据，采集存储间隔为1 d；失压、断相数据等，采集存储间隔为5min；电能表和远方终端的事件记录等，实时采集存储。

1.2 采集模式及问题

电能计费系统采集的电能量数据类型主要为底码值和负荷曲线。底码值是电能量远方终端周期性冻结并读取电能表的窗口值，冻结时间由终端的时钟决定。负荷曲线数据是电能表周期性冻结并带时标存储电能表的窗口值，该数值存储在电能表中由终端读取，冻结时间由电能表的时钟决定。负荷曲线数据在存储时又分为2种形式，底码和增量。底码是冻结时的电能表窗口值，增量是2次冻结周期之间的电能增加量。

在应用中对电能量数据存储和读取的实现方式各异，给应用带来一定困难。

模式1：部分终端采用0：00底码值加上增量形式的负荷曲线数据计算出底码值以满足主站采集要求。在此种方式下，终端参与了电能量的计算，已成为电能计量装置的一部分，而这并不是标准中规定的终端的功能。同时由于计算中引入的误差，可能造成23：55时底码大于次日0：00底码的现象出现。

模式2：部分终端周期性读取底码值并存储。当与电能表通信中断时为了保证数据的完整性，在通信恢复后会读取负荷曲线以获取通信中断期间的分时段数据。该方法在终端与电能表时钟同步情况下是可行的，一旦两者的时钟出现差异，带时标的数据会出现错位，数据的正确性和连续性无法保证。

1.3 其他数据采集及问题

系统采集传输的另外一类重要信息是事件记录。事件记录（包括终端和电能表事件）对于电能计费系统的运行维护和电能量结算都有着重要的作用。如：通过电源故障、通信故障等信息为判断设备运行状态并及时处理故障提供依据，而电能表的失压、断相等信息则为修正电能计量数据提供了一定的依据。

目前电能量远方终端与电能表通信规约以及与主站通信规约均不够完善，导致终端无法采集电能表全部事件记录，即使采集的事件记录也因为现行终端与主站通信规约对事件记录定义不全而无法上传，难以满足实际应用需求。

2 采集系统性能分析

2.1 每日0：00冻结值加负荷曲线模式

该模式的主要优点：数据的完整性比较好，不会因采集终端掉电、故障或RS485通信信道故障而产生无效或缺失数据。由于电能量数据采用电能表时标，与电能表历史数据完全一致，交易双方不会产生争议。

该模式的不足：电能量远方终端采集各电能表电能量数据进度可能不一致，给主站系统的采集和纠错处理带来较大困难；同时由于部分电能表负荷曲线与表底值在存储、进位、分辨率等方面并非完全一致，导致每日0：00冻结值加负荷曲线计算出的电能表底码值与电能表窗口示值并非完全一致。

2.2 每5min采集电能表底码值模式

该模式的主要优点：电能量远方终端采集存储电能表底码值，简单明了，终端与各电能表通信帧的长度相同，通信时间可控，不会相互干扰；终端采集各电能表的数据进度同步，主站系统数据采集和补采简单易行，通信效率较高。

该模式的不足：会因终端掉电、故障或RS485通信信道故障而产生无效或缺失数据。由于电能量数据采用终端时标，如果终端与电能表时间不同步，则采集的电能量数据与电能表历史数据会有时间上的偏差，交易双方可能对此存在争议。

2.3 分时电量采集模式

目前，对分时电能量数据的采集和计算主要分为2种模式。

模式1是终端采集并上传各电能表的分时电量数据，优点在于如实反映电能表数据，不足之处是如果要进行费率时段调整，需工作人员到现场更改电能表相关设置，工作量较大。

模式2是在主站根据已设置的时段统计计算采集终端上传的5min电能量数据并形成分时电量数据，优点在于调整费率时段简单方便快捷，不足之处是如果电能表时间与系统时间不同步，则系统采集的电量数据与电能表历史数据会有时间上的偏差。

3 解决方案

3.1 采集和存储机制

确定科学合理的采集存储机制是保证电能量数据完整正确的主要措施。综合考虑应用需求和目前电能量远方终端、电能表的技术条件，提出如下切实可行的解决方案。

电能表存储底码形式的负荷曲线，电能量远方终端直接读取负荷曲线上传至主站，由后台计算生成各种应用所需的数据，这样可以保证数据的同源性和唯一性，也可以避免因中间计算环节而引入误差。同时还可以利用带时标的电能表负荷曲线计算得到电能表分时电量。

对用作关口计量的电能表要求其必须可以存储底码形式的负荷曲线，且存储容量应满足有关要求。

3.2 时间同步

实际应用中应保持电能量远方终端与电能表时钟同步，进而保证全系统电能量数据的同时性。

采用终端读取电能表负荷曲线方式可以保证电能量数据的连续性和完整性，但其同时性取决于每个电能表的时钟准确度。采用终端每5min读取电能表底码值方式，采集过程简单，通信效率较高，但电能量数据采用终端时标，其同时性取决于每个终端时钟的准确性。

DL/T 743—2001《电能量远方终端》中未对终端的时间性能提出要求，而目前终端的守时能力普遍不强，因此必须依靠外部时间源对其可靠授时。

电能量远方终端通常都具有2种时间同步信号接收能力：接收时间同步系统的同步信号（如：GPS授时）和接收主站对时报文。考虑到主站系统通过报文对终端对时存在一定的网络延时，甚至网络阻塞情况，因此建议具备条件的终端均通过站内GPS系统授时，通过GPS授时方式可以达到秒级的同步精度，可以满足计费系统应用需求。

尽管DL/T 614—2007《多功能电能表》对电能表的时钟精度和守时能力做出明确规定（电能表日计时误差应不超过0.5 s/d），但实际应用中仍需定期对电能表进行时间同步。如：终端定期查询电能表的时间状态，发现偏差过大后就对电能表进行对时（但应避免在零点附近进行时间同步），并对同步前的数据设置无效标志以便主站识别。同时，为了避免频繁对时造成电能表数据混乱，应设置时间偏差阈值，并保证每天至多对时一次。

3.3 完善通信规约

由于事件记录需由终端向主站传送，因此终端必须完成以下工作：

（1）电能量远方终端应完整地实现与电能表通信，以便采集电能表的全部事件记录。DL/T 645—2007《多功能电能表通信协议》中对电能表相关事件进行了较为全面定义，但目前采集终端的通信规约不够完善，大部分电能表事件无法采集并上传。因此电能量远方终端下行规约亟需补充完善，这是保证电能表的重要事件能够及时采集并传输至主站的前提。

（2）完善上行规约，保证重要事件及时上传。电能量远方终端与主站的通信协议普遍采用DL/T 719—2000《远动设备及系统》等相关标准，而该系列标准对事件记录定义不够全面，特别是电能表的事件记录较少，不能满足实际应用需要，因此也需对此部分通信协议进行补充完善。

4 结论

本文讨论了目前电能计费系统常见的数据采集存储模式，比较了其优缺点，并给出了解决方案，实际应用中应着重注意以下几方面问题：

（1）电能计费系统建设初期应首先确定计费系统的采集方式，并据此进行系统规划设计，同时规范入网的电能量远方终端的电能数据采集、存储及计算方式。

（2）网省电力公司调度中心或电力科学研究院应通过开展诸如入网选型试验等，完善对电能量远方终端功能测试，特别应加强对终端在数据采集、存储等方面进行测试，完善相关测试方法、测试步骤。DL/T 743—2001《电能量远方终端》对此类细节未作明确规定。

（3）网省调度中心应补充完善电能计费系统的通信规约，特别是电能量远方终端在事件记录方面的下行规约和上行规约，保证电能表重要事件记录能够及时采集传输。

（4）加强对终端和电能表时钟准确性管理，保证主站系统、采集终端和电能表时钟一致性。

目前针对电能计费系统采集方式的探讨以及相关文献较少，本文针对目前电能计费系统常见的采集方式提出有效的解决方案，为进一步提高系统应用水平和可靠性提供借鉴。

［1］ 张勇，傅金羽，徐正山，等.华北电网一体化电能量计量计费系统设计和实现［J］.电力系统自动化，2009，33（22）：57-60.

［2］ 龙爱群，崔仁涛，徐军，等.电能量远程计量系统及其综合应用环境［J］.电网技术，2005，29（3）：81-84.

［3］ 孟碧波，曾伟民.关于电能采集与计费系统的探讨［J］.电力系统自动化.1998，22（11）：70-73.

［4］ 刘志坦，谭志强.电网电能计费系统的综合误差及减少综合误差的方法［J］.继电器，2001，29（4）：23-25.

［5］ 邢金峰，习新魁，吴晓云.电能量计费系统常见故障原因分析及处理措施［J］.河北电力技术，2010，29（1）：47-49.