简述电能量采集系统的设计与实现

康 胜

（山西省运城供电分公司电能计量中心，山西 运城044000）

1 系统设计思想

本文拟设计的系统利用分布对象技术及多层分布式事务处理结构，其表现形式以WEB为主，从而可以使多个部门的人员共同参与系统的数据管理与维护，系统的整体性能得到提高，而网络和数据库的负担有所降低，真正实现全分布式结构，可在网上进行随意布署应用，大大提高了系统的适用性、安全性以及伸缩性。其逻辑结构图如图1所示。

2 电能量自动采集终端

2.1 整体设计

电能量自动采集终端不仅可以采集到电子式电表的电量数据、失压断相以及瞬时量数据，还能够采集到遥信量及脉冲表；和主站系统的通信用拨号、网络通信以及专线的方式来实现；可以实现对本地及远端的参数下装、远程诊断及自诊断和自动恢复等多项功能。硬件设计方面，所采用的是进口工控主板、液晶显示屏以及专用的通信板，双电源冗余供电，具有软硬件控制的自恢复功能和防雷保护等，从而保证了系统的可靠性。系统结构采用壁挂式，没有安装地点的限制，和主站通信时网络、拨号及专线等多个通信方式同时存在，这些均使得系统的灵活性大大提高。

图1 系统逻辑结构图

软件设计方面，采集终端适用于各个电压等级的变电所、发电厂及计量关口和大用户电量数据的采集等。所有型号的采集终端都能够通过本地的维护口以及主站系统和相关的远程维护软件进行设置，其具备很强的显示功能、采集功能以及存储功能和远传通信功能［1］。

2.2 通信规约

在电能量采集系统中，数据通信系统是最关键的环节，在此着重介绍。

（1）规约结构

电能量采集设备和主站的通信规约采用的是IEC60870－5－102标准，即电力系统电能累计量配套标准，其对于系统的物理层和链路层，以及应用层等均作了具体的规定与定义。IEC60870－5规约是以增强性能结构的三层参模型为基础的，其物理层采用ITU－T建议，该建议在其所要求的介质上提供无记忆传输及二进制对称［2］；数个链路传输规则组成了链路层，这其中的链路传输规则均采用明确的链路规约控制信息，其作为链路用户数据为应用服务数据单元而服务。而应用层中在介于源与宿间传输的应用数据单元内包含了一组应用功能，在该规约标准中，应用层并未采用明确的应用规约控制信息，而是将其隐含于所采用的链路服务类型以及应用服务数据单元的数据单元标识域内。

（2）帧格式

信息组织传输的方法是以帧的方式来进行的，其格式为FTI.2异步字节传输格式，该帧格式又分为两种，即可变帧长及固定帧长。其中主站和子站间的数据传输利用FTI.2可变帧长格式来实现，可变帧长帧格式主要用于控制站向着电能累计量数据终端的数据传输，或者电能累计量数据终端向着控制站的数据传输。该格式帧由几部分组成：有4个字节长度的报文头；数据、控制及地址所组成的信息实体；结束字符；校验码等。启动字符为固定的68H，可以采用最大帧长Lmax＝250来维护数据的完整性，而结束字符则是固定的16H。这种帧格式在线路上进行传输时，其顺序由第一启动字符开始，直至结束字符，由低到高依次传送。此外，还有以下相关的传输规定：线路的空闲状态必须是二进制1；每个字符均有一个启动位二进制0，八位信息位及一位偶校验位和一位停止位；各字符间不用进行线路空闲间隔；两帧间的线路空闲间隔至少33位；帧校验为不考虑溢出位的控制、地址以及用户数据区八位位组算术和；需要接受校验。

另外一种FTI.2固定帧长帧格式则主要用于主站向子站询问报文或者子站回答主站确认报文，固定帧长帧格式则主要用于控制站向着电能累计量数据端所传送的询问帧，或者由电能累计量数据终端传送至控制站的确认帧。其传输规定和上述可变帧长比较接近，每个字符在线路中的传输顺序为依次出现在线路上，即低位先发顺序。其还有如下传输规定：线路空闲状态必须是二进制1；每个字符均有一个启动位二进制0，八位信息位及一位偶校验位和一位停止位；各字符间不用进行线路空闲间隔；两帧间的线路空闲间隔至少33位；帧校验为不考虑溢出位的控制、地址以及用户数据区八位位组的算术和；此种帧无帧长；需接受校验。单个的字符ESH的主要作用则是电能累计量数据终端传输肯定或否定等确认帧至控制站。

（3）链路传输规则

在用户间数据传输利用本标准时，增加了链路层，其主要作用是为了实现对高层所需传输服务功能的控制、接收与执行，将传输成败与否向高层报告，并且对传输线路及工作站的工作状态进行实时观察［3］。本标准所有用的窗口是尺寸为1的非平衡方式传输的链路传输规则，由控制站触发一次传输服务至电能累计量数据终端，要么成功完成，要么产生差错报告，然后才可以进行下一传输服务；如果在传输的过程中发送－确认、请求－响应等传输服务受到了干扰，则利用等待－超时－重发的方法再发送下一帧，在该过程中传输服务发送－确认以及请求－响应是由一系列的对话要素组成，这种对话要素在请求站与响应站之间是不可分割的。服务原语和传输过程要素：数据的通信是通过服务原语和通信站间的链路传输规则进行描述的；服务原语是介于服务用户与链路层间的界面传送［4］。图2所示的是无差错传输过程，而且说明了基本链路服务的服务原语与传输过程间的关系。

图2 基本链路服务的服务原语和传输过程之间关系

由图2中可以看出，如果接收站检验出传输差错，在接收到受干扰的请求帧或者发送帧后并未作应答，因为没有收到所期望的响应帧或者确认帧，所以启动站超时重发；反之假如受干扰的响应帧或者确认帧被启动站接收，则此帧被舍弃。

2.3 数据采集

数据来源以及数据采集通道有以下几种：第一，主站和电量采集设备的通信方法为电话拨号、专线以及网络等多种方法共同存在，互为热备用。按照一定的组网方法把终端服务器分别配置于各个子公司，各子公司间利用专线或者拨号的方法实现和采集终端的通信；而终端服务器又利用TCP网络和系统相连接。第二，用户可以通过画面对整个通信过程：通信状态、系统缓冲以及参数与报文等进行监视，而且有事件记录通信失败的次数与对应时间。第三，采用双机切换，即系统的双数据采集前置机在正常运行状态下一主一辅，互为热备用，均衡负载；如果其中一台出现故障，另外一台也可以正常完成任务；可以按照运行的实际状况自动切换主备机，也可以进行人工切换。第四，通道切换，对于专线通信方式来说，系统支持双通道且互为热备用；而对于拨号通信，各通道自动均衡负载，如果通信失败则自行切换通信通道。第五，自动补采及定时获取，如果用户有相关的权限，则定时获取的时间可以由用户自行设置与修改，按照准实时要求，采集间隔通常使用一个小时，而系统同样以一个小时的时间间隔刷新系统中的重要电量、线损率及平衡率等数据；可以对未存库或者出现异常的数据进行定时检测，并自动补召这些数据［5］；同样的，用户可以按照相关权限对数据补召的时间与次数做相应设置与修改。第六，随机获取，系统提供相应的人工获取界面，任意选择一定时间段未存盘计量点以及未统计计量点均可显示出来，并且获取所选择时间段时未存盘计量点数据。第七，人工补采历史数据，可以选择某个或者多个变电站所有计量点或者部分计量点，选定时间段后获取历史数据；一些无法直接取得的设备的数据，可以利用笔记本间接获取。第八，设置抄表信息，用户可以根据权限设置和修改是否需要采集厂站采集设备、各计量点电能量、各电表非电能量等信息数据。第九，一些厂站或者表计无法抄录，系统通过不同的方式发出警报，提醒值班人员人工抄录；当系统恢复正常运行时可以自动补测未抄录到的信息，从而保证了信息的连续性及完整性。

3 结 语

本系统通过合理的硬件组成及软件支持，可以较好地实现采集与分析处理所采集到的电能量数据，使其实用性、可靠性以及精确性均得到了大幅度提高。系统建成后能够实现对电量采集装置数据的自动获取、统计及计算、生成及打印报表等功能，从而有效地解放了大量的人力物力，提高了电力企业的工作效率及综合业务能力，为增供降损的落实提供了有力的依据。不过本系统各模块间是否可以得到很好的整合，会对系统性能产生直接的影响，而一些潜在问题需要在后续使用中逐渐完善。

［1］高 威，葛永涛，刘芝俊.浅谈电能量采集管理自动化系统的设计［J］.微机发展，2007，（8）：57－58.

［2］黄晓明.黑龙江省电能采集系统设计与实现［J］.科技信息，2008，（15）：301－302.

［3］方悦昕，郝玉东.发电厂电能量采集管理系统的设计［J］.商丘职业技术学院学报，2008，（5）：73－76.

［4］张友生，李 雄.软件开发模型研究综述［J］.计算机工程与应用，2006，42（3）：33－34.

［5］章 欣，孟 静，邵 源.电能信息采集系统标准体系建设［C］.2007中国电机工程学会电力系统自动化专委会供用电管理自动化学科组（分专委会）二届三次会议论文集，2007.