从智能电表获取电能质量数据的分析与应用

王 庆

（上海电力通信有限公司，上海 200025）

随着我国电网结构、负荷结构的变化，客户大多向高可靠性、优质供电需求方面转变，尤其是智能电网的推广应用，提高电网电能质量已成为保证电力系统安全、稳定运行和满足客户要求的迫切需要。电能质量监测系统需要多方面的数据来充实和完善自身的建设。目前，国内外电能质量监测系统，主要通过专用电能质量采集设备获取数据，尚未关注其他非专用电能质量设备中包含的电能质量数据，这些数据与电能质量监测系统中的数据无法共享，从而形成“信息孤岛”，造成数据资源浪费。本文结合上海电网电能质量监测系统的运行状况，探讨一种从智能电表系统获得电能质量数据的系统方案。

1 电能质量数据的监测现状

上海市电力公司研发的电网电能质量监测系统（PQMS），目前拥有301个电能质量监测点，电能质量监测中心通过安装在变电站的专用电能质量监测设备，直接获得电能质量数据。但是，由于专用电能质量监测设备成本高等原因，只有5%～15%的线路安装了专用监测设备。

近几年来，上海电网大力建设覆盖配电网的智能电表系统，给电网电能质量监测系统的拓展和完善带来了生机。智能电表安装在变电站中，主要收取线路的电能量数据。虽然智能电表系统并非专门为电能质量监测系统建设，但内含电压、电流、功率和谐波等电能质量数据，可供电能质量监测系统享用。因此，智能电表系统的数据接入，可使电能质量监测系统的监测范围得以扩充，而电能质量监测系统可以调用智能电表数据平台所提供的对外数据接口获得所需电能质量数据。

2 接口系统的构建

从上海智慧大都市的电网电能质量管理角度出发，按照国家电网建成“纵向贯通、横向集成”的一体化企业级信息集成平台的规划，对接口系统进行了整体架构的设计。通过分析业务特点、智能电表数据平台信息流量与电能质量管理系统的协同关系，设计出整个系统的架构。接口系统结构示意图如图1所示。

图1 接口系统构建图

由图1可看出，接口系统包括电能质量监测系统及与电能质量监测系统相连的智能电表数据平台，出于对安全的考虑，两个系统必须通过防火墙相连，数据库服务器不能直接与其他系统相连。

电能质量监测系统包括数据库服务器和接口服务器；其中数据库服务器与接口服务器相连，用于存储PQMS系统的数据。

智能电表数据平台包括数据库服务器和应用服务器，其中数据库服务器与应用服务器相连，用于存放智能电表数据平台系统的数据，应用服务器还对外提供数据接口，通过数据接口向其他系统提供数据。接口服务器通过智能电表平台应用服务器接口获得智能电表数据平台数据库所需PQMS的数据，并将该数据存储到PQMS数据库服务器中。

3 接口系统的特点

3.1 开发工具

当前流行的客户机／服务器模式工具有微软的Microsoft Visual Studio系列、Borland Delphi／C＋＋Builder和IBM Visual Age系列；在可视化方面，Borland Delphi／C＋＋Builder上和 Microsoft Visual Studio类似，但前者稳定性不如后者；IBM Visual Age系列的稳定性很好，但是可视化编程表现不佳；Microsoft Visual Studio在可视化、稳定性以及文档的丰富性都具有优势，对当前流行的客户机／服务器模式应用软件具有较好的支持，因此接口系统采用Microsoft Visual Studio 2010作为系统开发工具。

3.2 数据库

目前主流的大型数据库有IBM的DB2、Microsoft的SQL Server、Oracle的Oracle等，系统采用Oracle数据库，主要基于以下几个原因：

1）公司在多个项目均部署Oracle服务器，性能良好，在海量数据处理时具有较大的优势。

2）相对于DB2，开发人员对Oracle数据库熟悉度较高，降低了开发难度。

3）在操作系统方面，Oracle可以跨平台，而SQL Server只能在 Windows平台上中运行，难以做到跨系统操作。

4）Oracle具有最高认证级别标准的安全认证，SQL Server没有安全认证。

为了防止系统出现故障，产生数据丢失，数据库必须制订备份方案，系统在空闲时进行完全备份，系统繁忙时进行差异备份，由于数据比较重要，备份文件必须保存到多种介质和多个地点。备份硬件除了采用磁盘阵列外，还有1台虚拟磁带库，备份硬件放置到不同地点。

3.3 数据接口

智能电表系统提供3种对外接口规范，分别为COM接口规范、UIB总线服务接口规范和API接口规范。

1）COM接口规范读取数据速度一般，在Windows下能够提供对各种软件的支持。

2）UIB总线服务接口规范读取数据速度慢，能够提供跨平台的支持。

3）API接口规范读取速度最快，但只提供C＋＋语言的支持。

由于本方案的操作系统选定为Windows Server 2003，无需考虑其他平台，而且对速度有一定的要求，同时系统开发牵涉多种语言工具，所以接口系统选用COM接口规范。数据模块用于建立连接并注册智能电表数据平台，通过COM接口建立与智能电表数据平台的连接，发送注册信息，设置客户信息。

3.4 数据管理

数据管理模块的主要功能为读取、更新所需智能电表平台中的电站、线路等基础信息及各线路测量的电能质量数据。首先初始化系统，获得预设系统参数信息，根据智能电表提供的对外数据服务中的接口建立与智能电表数据库平台的连接，发送请求，获得智能电表系统中电站的编号、电站名称、所属单位、电压等级、地址、行政区域等信息，线路的编号、类型、名称、所属电站、电压等级、型号、额定容量、额定电压、设备位置、电压互感器、电流互感器等信息，这些信息存入数据库中，然后用获得的线路编号集作为参数发送给智能电表系统，获取所需线路的三相电压、电流、功率、功率因数、谐波、频率等电能质量数据信息，数据存放在内存中，供数据转换模块进行转换。

3.5 数据转换模块

IEEE P1159.3／D9中为电能质量数据传输制定了标准数据格式，即PQDIF国际化标准，PQDIF采用平面文件结构，该结构由一组相关的记录组成，每个记录又由一组元素组成，这些元素从物理层和逻辑层定义该记录内容［1］。PQDIF作为一种标准规范，有利于电能质量监测系统的标准化发展，因此上海电能质量监测系统亦采用PQDIF标准作为数据传输规范，数据转换模块依照PQDIF结构定义，提取从数据管理模块中获得的电能质量数据，封装成标准的数据格式信息。电能质量监测系统把PQDIF文件作为标准数据源，读取文件中包含的数据存入数据库中。

4 构建接口系统需要解决的问题

1）基础数据自动更新 电能质量系统包含的电站、线路等基础信息来源于智能电表系统，二者的信息应当完全一致，智能电表设备会不定期的发生变化，因此基础信息更新不能采用人工方式，而采用定时自动更新的方式，当增加新的智能电表设备时，系统能自动收取新设备信息，实现数据同步。

2）系统的扩展性 由于电力公司线路不断在增加，智能电表数据平台数据库系统提供的数据类型也会随之增加，在设计时必须考虑到系统的扩展性，每个接口服务器具有唯一的ID号，当接口服务器收取数据时间过长，无法满足性能时，只需增加一台新的接口服务器，系统会根据现有的ID号进行资源调整，平衡系统负荷。系统建立一个数据类型表，当智能电表数据平台增加新的数据类型时，数据类型表相应增加该数据类型。

3）数据转换及共享 不同系统均采用自定义格式，系统之间数据不兼容是产生“信息孤岛”的原因，智能电表系统虽然对外提供了数据接口，但该数据接口仍属系统自定义格式，每个需要获得智能电表系统数据的系统都要为此接口单独设计一个接口软件。数据转换模块把接收的数据转换成符合IEEE标准的通用电能质量数据格式（PQDIF规范），数据导入PQMS数据库中，同时该数据也对外开放，任何符合PQDIF规范的系统均可以读取数据。采用PQDIF规范，废除点对点之间的数据交换，实现了与其他系统数据共享，这也是消除“信息孤岛”的关键。

4）系统的安全性 系统必须遵循电力信息系统常规安全内容。另外，系统不能影响电能质量监测系统和智能电表系统正常运行，因此本系统采用独立的PQMS数据库服务器，必要时可建立数据库集群，与PQMS原有的主数据库服务器分开；对智能电表系统只进行读操作，不进行写操作，从而最大程度减少了对现有系统的影响。

5 接口系统的运行

系统运行初期的问题表现在两个方面。

1）CPU和内存负载很低，但系统收取数据速度较慢。解决方法是采用多线程的方式提高资源使用效率，但经研究发现，智能电表系统提供的接口只支持单线程方式，无法使用多线程。因此本系统采用多进程的方式，每个进程运行一个线程收取数据，大大加快了收取数据速度。

2）接口服务器频繁收取数据，对智能电表系统产生一定负荷，影响智能电表系统操作人员的正常运维。

由于电能质量监测系统主要是对电网各项电能质量指标进行统计分析，允许数据滞后24～48h，因此系统调整只在非工作时间收取数据，工作时间接口服务器进入休眠状态，从而降低了对智能电表系统运维人员的影响。目前，系统已成功上线，至今已有一年多，运行稳定。

6 结语

智能电网对电能质量监测提出了更高的要求，需要数量庞大的监测设备，海量的监测数据、状态参数，因此，电能质量监测管理系统必须是一个完善的、可扩充的、标准的信息平台，真实、准确地监测电网电能质量。通过其他系统获得电能质量数据借以发展自身的规模和水平是一个发展的趋势。而该系统将智能电表数据平台中的电能质量数据统一到一个监测系统数据库平台中，利用电网原有的非电能质量信息网络资源，实现了智能电表数据平台与电能质量监测系统数据库的无缝连接，成功解决了国内外电能质量监测网的“信息孤岛”问题，扩大了电能质量监测系统监测的幅度和范围，节省投资，满足电网电能质量监督管理的要求，同时，该系统经验也可推广到其他系统的电能质量数据获取。

［1］IEEE Std 1159.3D.Recommened Practice for the Transfer of Power Quality Data［S］.