電力負(fù)荷管理系統(tǒng)中前置系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1 引言

前置系統(tǒng)是電力負(fù)荷管理系統(tǒng)的前端，是連接采集終端與主站服務(wù)器的紐帶，擔(dān)任著上傳下達(dá)的重要角色，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的采集工作。由于負(fù)荷管理系統(tǒng)直接管理著用戶動(dòng)力且具有終端數(shù)量多，分布廣，數(shù)據(jù)類型多樣， 終端數(shù)量增長(zhǎng)快等特點(diǎn)，所以對(duì)前置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性，可維護(hù)性，可擴(kuò)充性提出很高的要求。

2 負(fù)荷管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)

電力負(fù)荷管理主要是面向用戶側(cè)的管理，而電力用戶又具有種類、數(shù)量繁多，地域分散的特點(diǎn)，這就決定了電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集具有以下特點(diǎn)：

(1) 系統(tǒng)需要采集的終端數(shù)量非常大。目前，一般大型城市500KVA以上的大用戶就有千戶以上，中小型城市也有500戶左右，如果考慮到100KVA以上的用戶及其自然增長(zhǎng),公用配變臺(tái)區(qū)的接入,躉售縣的接管,以及一個(gè)用戶存在多回路，多變壓器，多表計(jì)量的情況,即使作為中小型規(guī)模的城市,未來5年內(nèi)系統(tǒng)需要接入的終端數(shù)量都會(huì)超過5000臺(tái)的水平。

(2) 采集器安裝的地理位置復(fù)雜。系統(tǒng)終端自然分布在城市的每個(gè)角落,安裝點(diǎn)位置有室內(nèi)(地下室、配電房)、室外、電線桿上、變壓器旁等，同時(shí)包括溫度、濕度、電氣干擾等環(huán)境影響也各不相同,這都給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集帶來了很大的影響。

(3) 系統(tǒng)需采集的數(shù)據(jù)類型多樣。一般按數(shù)據(jù)性質(zhì)分有電量(含分時(shí),有無功,個(gè)別存在正反向、凍結(jié)值)、瞬時(shí)值(電流、電壓、功率、功率因數(shù)等)、統(tǒng)計(jì)量(電壓合格率、不平衡率等)、報(bào)警事件等,按采集周期和應(yīng)用需要有小時(shí)數(shù)據(jù)(甚至更小間隔數(shù)據(jù))、日數(shù)據(jù)和月數(shù)據(jù)。

(4) 盡管每個(gè)終端的數(shù)據(jù)采集量不多,但作為整個(gè)系統(tǒng)卻需要在1~2小時(shí)內(nèi)對(duì)所有采集終端完成一次輪詢，為在高峰時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)荷變化情況,還需要15分鐘進(jìn)行1次全系統(tǒng)的功率總加,對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提出了很高的要求。

3 前置機(jī)系統(tǒng)需滿足的要求

電力負(fù)荷管理系統(tǒng)將管轄范圍內(nèi)的各電力用戶的實(shí)時(shí)用電信息,全面、準(zhǔn)確、可靠地通過遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備采集,經(jīng)電力系統(tǒng)專用通道傳遞至管理主站系統(tǒng)。管理主站系統(tǒng)對(duì)采集來的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行加工處理,為電網(wǎng)調(diào)度人員提供各種功能和應(yīng)用同時(shí)為電力用戶提供用電信息，進(jìn)行用電指導(dǎo)。前置機(jī)系統(tǒng)是主站系統(tǒng)的重要子系統(tǒng),是各廠(站)遠(yuǎn)動(dòng)信息進(jìn)入主站系統(tǒng)的把門關(guān),或者說是用戶負(fù)荷實(shí)時(shí)信息進(jìn)入主站系統(tǒng)的咽喉,也是信息交換的瓶頸。為此,前置機(jī)系統(tǒng)的功能與作用至關(guān)重要。若這一功能失效,或運(yùn)行不穩(wěn)定、不可靠,整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)成為無源之水。所以對(duì)前置系統(tǒng)提出了以下要求：

(1) 可靠性。整個(gè)系統(tǒng)要考慮冗余配置，不論是傳輸通道，還是通信接收設(shè)備以及前置機(jī)均要考慮預(yù)留一定的資源做為備用，當(dāng)某些設(shè)備故障時(shí)保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。 同時(shí)還要實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障所在，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)無縫切換，防止數(shù)據(jù)丟失。

(2) 可擴(kuò)充性。當(dāng)前，電力用戶的增長(zhǎng)速度之快給負(fù)荷管理系統(tǒng)的擴(kuò)充性提出的更高的要求。除了在硬件配置安裝時(shí)要考慮一定的擴(kuò)充能力，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)更要考慮實(shí)現(xiàn)采集設(shè)備的靈活添加，保證當(dāng)輪詢的終端設(shè)備增多時(shí)數(shù)據(jù)采集的速度和質(zhì)量。

(3) 可維護(hù)性。系統(tǒng)要能實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備，各通道的運(yùn)行狀況并能顯示出來供維護(hù)人員參考。能自動(dòng)的對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行比較選擇最佳負(fù)載分配方案，保證設(shè)備資源的充分利用，選擇性能最優(yōu)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的手動(dòng)切換

(4) 實(shí)時(shí)性。負(fù)荷管理系統(tǒng)雖然對(duì)數(shù)據(jù)的即時(shí)性并沒有很高的要求，但由于其終端數(shù)量多，由于資源的限制，其輪詢所有終端所需時(shí)間就相對(duì)較長(zhǎng)，這樣就很難滿足實(shí)際需要。隨著用戶數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的主備運(yùn)行方式無法滿足要求，必須采用一種新的運(yùn)行模式將任務(wù)分散到幾臺(tái)前置機(jī)去共同完成。

4 傳統(tǒng)的前置系統(tǒng)運(yùn)行模式

為了提高數(shù)據(jù)通信的可靠性,傳統(tǒng)上，采用雙前置機(jī)互為備用,采取整機(jī)切換方式。在正常情況下,所有來自RTU的信息都經(jīng)值班前置機(jī)處理后發(fā)送至后臺(tái),當(dāng)值班前置機(jī)發(fā)生故障后,備用機(jī)就自動(dòng)轉(zhuǎn)入值班狀態(tài)。對(duì)于雙前置機(jī)、雙通道系統(tǒng)其傳統(tǒng)運(yùn)行切換方式有以下三種。

方式一：主備運(yùn)行方式硬交叉。

系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)值班機(jī)A接收主通道a1上行報(bào)文，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)來自主站服務(wù)器的下行報(bào)文，備機(jī)B接收備通道a2上行報(bào)文，截?cái)嘞滦袌?bào)文的傳輸。當(dāng)通道a1故障時(shí)，值班主機(jī)控制通道切換裝置動(dòng)作，備通道a2成為主通道與值班機(jī)通信，備機(jī)B與通道a1 連接，接收通道a1傳輸報(bào)文(a1成為備通道)。當(dāng)值班機(jī)A故障時(shí)， B機(jī)自舉成為值班主機(jī)，控制通道切換裝置動(dòng)作，B機(jī)與主通道a2通信，進(jìn)行上下行報(bào)文的傳輸，A機(jī)成為備機(jī)只接收備通道a1上行報(bào)文，截?cái)嘞滦袌?bào)文的傳輸。(切換示意圖如圖1所示)

圖1 主備運(yùn)行硬交叉示意圖

這種切換方式的優(yōu)點(diǎn)是前置機(jī)處理的數(shù)據(jù)量相對(duì)較少。始終保持值班機(jī)接主通道，備機(jī)接備用通道，連接方式清晰，可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視。缺點(diǎn)是切換過程較繁鎖。

方式二：主備運(yùn)行方式硬切換

系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)值班機(jī)A和備機(jī)B均接收主通道a1上行報(bào)文，同時(shí)值班機(jī)A通過主通道a1轉(zhuǎn)發(fā)來自主站服務(wù)器的下行報(bào)文。當(dāng)通道a1故障時(shí)，切換裝置動(dòng)作，備通道a2成為主通道與兩臺(tái)前置機(jī)通信，此時(shí)主備前置機(jī)均接收主通道a2上行報(bào)文。當(dāng)值班機(jī)A故障時(shí)，B機(jī)自舉成為值班主機(jī)，與主通道a2通信。A機(jī)成為備機(jī)只接收主通道a2上行報(bào)文，截?cái)嘞滦袌?bào)文的傳輸(切換示意圖如圖2所示)。

這種切換方式的優(yōu)點(diǎn)是前置機(jī)處理的數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，資源耗費(fèi)較少，切換過程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是前置機(jī)只接收一個(gè)通道的上傳數(shù)據(jù)，若通道故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分報(bào)文丟失。

圖2 主備運(yùn)行硬切換示意圖

方式三：主備運(yùn)行軟切換

系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)值班機(jī)A及備機(jī)B均接收主通道a1及備用通道a2的上行報(bào)文，值班機(jī)A同時(shí)通過主通道a1轉(zhuǎn)發(fā)來自主站服務(wù)器的下行報(bào)文，備機(jī)B不進(jìn)行下行報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)通道a1故障時(shí)，備通道a2成為主通道，值班機(jī)A通過通道a2進(jìn)行上下行報(bào)文的傳輸。當(dāng)值班機(jī)A故障時(shí)，B機(jī)自舉成為值班主機(jī)，通過主通道a2進(jìn)行上下行報(bào)文的傳輸，A機(jī)成為備機(jī)只接收主備通道的上行報(bào)文，截?cái)嘞滦袌?bào)文的傳輸。(切換示意圖如圖3所示)

圖3 主備運(yùn)行軟切換示意圖

這種切換方式的優(yōu)點(diǎn)是主前置機(jī)同時(shí)接收主備通道的上行報(bào)文，可同時(shí)監(jiān)視兩個(gè)通道的運(yùn)行性能，切換方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是各前置機(jī)要同時(shí)處理各通道的傳輸數(shù)據(jù)，資源消耗較大。

以上三種前置系統(tǒng)運(yùn)行方式均為主備運(yùn)行方式是較傳統(tǒng)的運(yùn)行切換方式，由于其控制過程簡(jiǎn)單、明了,易于實(shí)現(xiàn)，所以至今在許多自動(dòng)化系統(tǒng)中仍在采用，但這種運(yùn)行方式也存在著諸多缺點(diǎn)：

a雖然有兩臺(tái)前置機(jī)，但只有值班主機(jī)在真正工作，備用機(jī)的資源沒有很好的利用，造成資源浪費(fèi)。

b對(duì)于終端數(shù)量多的系統(tǒng)(如：負(fù)荷管理系統(tǒng))，主機(jī)輪詢所有端口的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，很難滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。

c當(dāng)前置機(jī)上有某些端口發(fā)生故障時(shí)，相應(yīng)的報(bào)文就會(huì)丟失。

d當(dāng)遠(yuǎn)動(dòng)廠站增加數(shù)量較大時(shí)，只能依靠增加串口數(shù)量來進(jìn)行擴(kuò)充，不能通過靈活地增加前置機(jī)數(shù)量來達(dá)到擴(kuò)充要求，擴(kuò)充能力受到極大限制。

5 前置系統(tǒng)的運(yùn)行模式

新型前置系統(tǒng)不再單一地將各種設(shè)備劃分為主用和備用，設(shè)備的數(shù)量也不局限為兩臺(tái)，可以任意擴(kuò)展為多臺(tái)。運(yùn)行切換模式不是簡(jiǎn)單地在主備間切換，而是細(xì)化到端口切換。這種運(yùn)行模式能克服以往數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺陷，讓每一個(gè)設(shè)備都發(fā)揮作用并且被監(jiān)視，系統(tǒng)冗余配置的雙機(jī)或多機(jī)(雙設(shè)備或多設(shè)備)，稱為A，B，C……機(jī)(或A，B，C……設(shè)備)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前置機(jī)為雙機(jī)或多機(jī)配置(視終端數(shù)量而定)。無論遠(yuǎn)動(dòng)終端的傳輸方式是單通道或多通道都將其均衡地與各前置機(jī)相連，同時(shí)每臺(tái)前置機(jī)預(yù)留一定數(shù)量的端口做為備用。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，與RTU的主通道相連的前置機(jī)(下稱RTU值班前置機(jī))控制其主備通道的切換,由前置系統(tǒng)駐留在后臺(tái)機(jī)上的監(jiān)視進(jìn)程控制前置機(jī)端口的切換。系統(tǒng)示意圖如下：

當(dāng)各設(shè)備均工作正常時(shí)，各前置機(jī)將其運(yùn)

行性能(如：CPU占用率，內(nèi)存占用率等)送往后臺(tái)機(jī)監(jiān)視進(jìn)程,監(jiān)視進(jìn)程比較各前置機(jī)性能狀況進(jìn)行合理的端口切換，使各前置機(jī)的性能均衡，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的動(dòng)態(tài)分配，達(dá)到真正意義上的負(fù)載均衡。某一RTU的值班前置機(jī)統(tǒng)計(jì)通道的誤碼率和投退狀態(tài)選擇較好的通道作為傳輸主通道其它通道作為備用通道。當(dāng)RTU的值班機(jī)和RTU通信故障時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行通道切換或前置機(jī)值班端口的切換。當(dāng)某一前置機(jī)發(fā)生故障時(shí)，此前置機(jī)上所有的值班端口都被切換到其它正常的前置機(jī)上。

新型的前置采集系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：

a實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備及通道性能，動(dòng)態(tài)切換端口及通道，實(shí)現(xiàn)真正意義上的負(fù)載均衡。

b取消主備概念，所有設(shè)備均參與運(yùn)行，充分利用資源，提高了運(yùn)行效率，很好地滿足了實(shí)時(shí)性要求。值班方式細(xì)化到端口，使系統(tǒng)運(yùn)行更靈活。

c不再局限于雙機(jī)運(yùn)行方式，隨著終端數(shù)量增多，系統(tǒng)可“積木式”添加前置機(jī)數(shù)量， 打破傳統(tǒng)模式的擴(kuò)充限制。

d系統(tǒng)運(yùn)行靈活，不僅能應(yīng)用于負(fù)荷管理系統(tǒng)(LMS)，同時(shí)也能滿足數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、電能量管理系統(tǒng)(EMS)、電能計(jì)量系統(tǒng)(TMR)、集控系統(tǒng)的需求，滿足系統(tǒng)一體化要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

新型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模式具有更加靈活，合理的運(yùn)行切換方式，不僅滿足了負(fù)荷管理系統(tǒng)可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)充性要求，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，它為實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化系統(tǒng)一體化奠定了良好的基礎(chǔ)。

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