基于互联网的计量采集系统设计与应用

赵艳艳

（国网陕西省电力有限公司吴起县供电分公司，陕西 延安 717600）

0 引 言

电力能源具备远距离传输、综合损耗低、转换效率高等特点，是现阶段工业生产和居民生活的主要能源供应形式。随着科学技术的发展和工业制造自动化水平的提高，全社会对电力能源的自动化管理水平和先进程度提出更高的要求[1]。而电能计量采集工作是电力市场运营的基础。电能是一种商品，与之相关的交易行为应受到市场监管。由于电能自身的特性，无法像传统商品那样先计费后消费，整个销售和使用行为在同一时间完成[2]。电力能源计费的合理性直接关系着电力生产部门、销售供应部门与用电客户的经济利益。

电能的计量依托于电能计量系统，常见的电能计量系统由电能表、电压互感器、电流互感器、二次回路以及电能计量柜等附属装置组成[3]。电能计量采集系统可以更好地对某地点的电量进行采集、计算及管理，提高电能核算的效率。文章以互联网技术为基础设计电能计量采集系统，并分析其在实际中的应用，从而更好地满足电力计量采集的具体需要。

1 电能计量采集系统的功能需求分析

1.1 电能计量采集特点

1.1.1 实时性

电能计量采集系统能够实时监测电能的使用情况，并及时记录和传输相关数据。借助电能计量采集系统记录的数据，能源管理人员可实时获取最新的能源使用信息，并做出相应的调整和决策[4]。

1.1.2 准确性

电能计量采集系统能提供高度准确的数据，确保对电能使用的准确监测和计量，避免不准确计量带来的成本损失。

1.1.3 大规模部署和集中管理

电能计量采集系统可以在一定范围内大规模部署，覆盖多个能源消耗点。通过集中管理软件对这些系统进行监控和控制，提高管理效率和能源利用率。

1.1.4 数据通信和远程访问

电能计量采集系统通常使用现代通信技术，如无线网络或有线网络，将采集的数据传输给集中管理系统。能源管理人员可以通过远程访问获取实时数据，并进行数据分析和报告生成。

1.2 电能计量采集系统的主要功能

电能计量采集系统的主要功能是通过通信终端和采集软件，将电能表的数据传输给主站体系，实现电能监测和管理[5]。具体来说，电能计量采集系统主要有以下功能。

1.2.1 数据采集

电能计量采集系统定时或按需从电能表读取电能数据，包括电压、电流、功率、功率因数以及电量等，并将数据通过通信网络发送给主站体系。

1.2.2 数据存储

主站体系接收到通信终端发送的数据后，对数据进行校验、分析、处理，并将数据存储在数据库，供后续查询和统计。

1.2.3 数据展示

主站体系提供多种方式来展示电能数据，包括图形、表格、报表等，可以按照不同的维度和条件来查询和分析电能数据，如按照时间、地点、用户、用电类型等。电力数据统计分析过程如图1 所示。

图1 电力数据统计分析过程

2 电能计量采集系统设计的关键技术

2.1 硬件架构设计

电能计量采集装置由电网高压无线检测设备和用电端的远程监控模块组成。高压无线检测设备采集高压侧电量数据，通过无线通信设备传输。用电稽查终端接收传输的数据，同时读取电表数据。判断窃电行为有2 种方式：直接方式是终端根据用电数据判断是否存在窃电行为，并将结果发送给主站和用户端；间接方式是终端将高压侧电量数据和电表数据发送给主站，由主站根据数据判断是否存在窃电行为。

2.2 高压无线检测模块设计

高压无线检测模块是一种用于采集、处理及传输高压侧电能数据的设备，主要由采样模块、控制模块、通信模块以及电源模块组成。

采样模块通过互感器将高压侧的电压和电流转换为可测量的低压模拟量，对电能数据进行采集和简单处理，以提取有效信息。控制模块负责控制高压无线检测模块的工作过程，按照预定的顺序控制各个子模块的启动、运行及关闭，保证模块的可靠运行。通信模块将采样模块处理后的电能数据以无线通信的方式传输给远程接收设备。电源模块为整个高压无线检测模块提供稳定的工作电源，保证模块在不同环境下能够持续、正常工作。通过这4 个子模块的配合，实现对高压系统电能数据的智能化采集和传输，为电网运行的监测与管理提供有效支持。

高压检测中的控制单元使用一种内置模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）的单片机，能够简化电路、降低成本。高压无线检测模块的数据处理流程如图2 所示。

图2 高压无线检测模块的数据处理流程

采样单元上电后进行采集、处理、保持采样数据；通信设备将处理后的数据进行无线传输；远程监控设备接收传输的数据并考虑传输延迟后进行解析处理。通过内置ADC 的单片机实现数据从采集、传输到接收的流程处理，为电网的监测与管理提供支持。

文章采用一种无磁性空心线圈结构的互感器。与传统互感器不同的是，这种结构的互感器线圈不使用磁性材料，而是采用空心无磁导体，可避免由磁性材料带来的残留磁感应、饱和等问题，从而改善互感器的性能。无磁性空心线圈互感器具有反应速度快、测量范围宽、抗外部电磁干扰能力强等优点，尤其适用于大电流测量场合，可提供安全稳定的输出，准确采集电流数据，为电能计量提供支持。

2.3 用户用电远程监测单元设计

反窃电装置中的用电远程监控单元利用RS-485接口实时读取电表数据，同时通过无线方式获取检测装置采集的供电侧数据。将两者进行对比分析，根据用电数据判断是否存在窃电行为。该方式具有数据量大、判断准确度高、分析响应速度快等优点，既能访问电表获取用户端的实际用电详情，又能通过无线网络获得供电侧的电量参数。通过数据对比分析用电异常情况，及时发现窃电等行为，为电力系统的规范化运营提供保障。

2.4 主站系统设计

主站系统由计算机网络、数据库服务器以及系统管理软件等组成，可实现对用电数据的集中接收与保存、用电异常情况的识别处理、报警信息的自动生成与发送等功能。它能通过网络接口接收各监测设备采集的用电数据，并存储在数据库服务器，然后利用管理软件分析这些用电数据，判断是否存在异常用电行为，及时进行处理。同时，管理软件可以配置异常用电的识别规则。在检测到用电异常时，自动生成报警信息，并以邮件、短信等形式发送给相关负责人。通过这种集中化的系统管理，可以高效监测区域内的用电情况，防范窃电等行为的发生。

2.5 基于IEC102 规约的采集程序设计

2.5.1 通信规约

为保证数据的稳定采集与传输，常用IEC102 通信规约。开发一个基于IEC102 规约的软件采集系统，实现对各类智能电表的采集控制，并与数据库系统、主站系统进行数据接口对接，实现采集数据的存储与解析处理。通过自定义开发基于IEC102 规约的采集软件，不仅可以降低系统成本，还可以按照实际需要定制数据采集流程，对于保证系统的灵活可控性和高效稳定运行具有重要意义。

2.5.2 基于IEC102 规约的采集程序开发

系统改造过程中，采用Socket 协议与IEC102 规约相结合的方式实现主站和采集终端之间的数据通信。利用多线程编程技术开发采集程序，加入数据校验机制，实现对各类智能电表数据的快速、准确、自动化采集工作。通过数据库存储与发布模块，自动存储并发布采集的数据，供主站系统使用。利用软件接口实现对主站系统的无缝对接。这种改造可提高整个系统的功能性、稳定性以及自动化水平，既实现基于IEC102 规约的定制采集控制，又利用软件编程优化数据处理流程，在保证采集质量的前提下，实现快速响应和灵活扩展。

3 基于互联网的电能计量采集系统的应用分析

电能计量采集系统用于实时监测和记录电能消耗，在能源管理和电力监控领域具有广泛的应用。

3.1 能源管理

电能计量采集系统可帮助电力企业管理能源。利用系统实时监测和记录电能使用情况，提供详细的能源消耗数据，可以帮助用户了解能源使用模式和高耗能设备，从而制定有效的节能策略，并监控其实施效果。

3.2 故障检测和预警

电能计量采集系统可实时监测电力设备的运行状态，采集电压、电流、功率等参数。通过对这些参数的监测和分析，检测设备故障并及时发出警报，避免设备损坏或电力中断。

3.3 负荷管理和优化

电能计量采集系统可监测电力系统的负荷情况，包括峰值负荷和负荷分布，对于电力系统的规划和管理非常重要。结合负荷分布情况，电力公司能合理分配电力资源、优化电力供应方案，减少能源浪费，并降低系统过载的风险。

4 结 论

电能计量采集系统在我国已经得到广泛应用，工作程序和原理相对复杂，对计量精度的要求也比较高。文章以互联网技术为基础，重点对硬件架构、高压无线检测模块、用户用电远程监测单元以及主站系统等进行设计，并基于IEC102 规约设计采集程序。通过电能计量采集系统的应用，有效帮助电力公司优化资源配置，提高相关人员的工作效率。