电能采集基础知识.docx
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电能采集基础知识
电能采集基础知识
集中式设计方案
概述
本设计方案按照省、市公司大集中的模式进行设计，按“一个平台、两级应用”的原则在省（直辖市）公司建设全省（直辖市）统一的电能信息采集与管理系统数据平台，各地市公司以工作站的方式接入系统。
逻辑结构
逻辑结构说明：
1）集中式电能信息采集与管理系统在逻辑方面分为采集层、通信层以及主站层三个层次。
其中主站层又分为前置采集、集中式电能信息采集与管理系统数据平台、省（直辖市）系统应用以及地市（供电局）系统应用几大部分。
在全省（直辖市）范围内建设一套系统主站，同时为省（直辖市）和地区供电局两级提供系统应用服务，并统一与营销内部系统和营销外部系统进行接口。
营销内部系统指SG186电力营销业务应用或现有营销信息管理系统，除此之外的系统称之为营销外部系统。
2）集中式电能信息采集与管理系统统一实现购电侧、供电侧、售电侧三个环节电能信息数据的采集与处理，构建完善的电能数据采集与管理数据平台。
3）集中式电能信息采集与管理系统统一接入系统主站与现场终端的所有通信信道（对于230MHz等专网信道还需进行组网设计和建设），并集中管理系统所有终端。
物理结构
物理结构说明：
电能信息采集与管理系统物理结构由采集对象、通信信道、系统主站等三部分组成，其中系统主站部分建议单独组网，与营销内部系统和营销外部系统以及公网信道采用防火墙进行安全隔离。
采集对象指安装在现场的采集终端及计量设备，主要包括厂站采集终端、专变采集终端、公变采集终端、低压集中抄表终端以及电能表计。
通信信道是指系统主站与采集终端的通信信道，主要包括GPRS、CDMA1X、230MHz专用无线、PSTN、ADSL以及光纤专网等。
集中式电能信息采集与管理系统在省（直辖市）公司侧建设一套主站，各地市公司（供电局）不单独建设主站，各地市公司（供电局）工作站通过电力公司内部专用的远程通信网络接入省（直辖市）公司主站。
主站网络的物理结构主要由数据服务器、磁盘阵列、应用服务器、前置服务器、WEB服务器、接口服务器、备份服务器、磁带库、省（直辖市）公司和地市公司（供电局）工作站以及相关的网络设备组成，详细的设备说明和配置在硬件设计及典型配置章节中进行说明。
软件架构
数据层
数据层实现海量信息的存储、访问，数据层一般通过大型关系数据库实现。
支撑层
支撑层提供全局通用的消息、安全、通信等组件支持，并实现本系统专用的业务服务子层，为应用层提供通用技术支撑，保证：
1）可靠高效的通信能力，满足应用需要的并发访问要求；
2）统一的安全管理；
3）标准的消息机制，满足组件间的可靠交互；
4）易于扩展的接口支持。
应用层
应用层实现具体业务逻辑，是本系统的核心层，根据系统的应用特点，应用层可分为采集子层与业务子层。
采集子层以各种通信方式接入各种类型终端设备，执行业务子层召测任务和控制命令，直接与远程设备通讯，负责读取、设置终端参数，采集终端数据，并对数据进行解析、处理，监视通信质量，管理通信资源。
业务子层利用支撑层提供的技术手段，实现电能信息采集与管理系统的业务功能，涵盖系统必须的基本功能和扩展功能，具体阐述见后续相关章节。
应用层应实现与其它系统的接口。
表现层
作为统一的采集平台，电能信息采集及管理系统在提供统一的数据存储、业务应用、操作规范的同时，根据专变采集、公变采集、厂站采集、低压集抄等不同业务领域的需求，提供不同的表现层：
1）功能丰富、操作专业的WindowsForm客户端；
2）免维护，易于操作的WebForm客户端。
功能结构
应用功能
软件部署
视系统规模和功能不同，软件中各组件应部署在相应的物理实体上。
数据层组件部署在数据库服务器上。
数据库存储根据系统规模可选择磁盘阵列或普通存储介质。
采集子层组件部署在前置服务器上。
根据系统规模不一，前置服务器可从单机到集群不等。
支撑层和业务功能子层一般部署在应用服务器上。
为保证应用服务器的并发处理能力，提高可靠性，应用服务器在逻辑上采用分布式设计，将任务平均分配到多个逻辑服务器上。
随着客户端的增加，任务量的增大，实际部署中可采用应用服务器集群共同完成对外服务。
接口组件一般部署在接口服务器上。
对于较小规模的系统，也可部署在应用服务器上。
分布式设计方案
概述
分布式设计方案按照分级管理的要求，从上而下分为一级主站和二级主站两个层次。
一级主站建设整个系统的数据应用平台，侧重于整体汇总管理分析；二级主站建设各自区域内的电能信息采集平台，实现实际的数据采集和控制运行。
分布式的电能信息采集与管理系统对应于管理上的分层管理模式，例如各网省公司的省市两级管理模式，在省公司部署一级主站，地（市）公司部署二级主站，构成“以省公司为核心，以地市为实体”的全省电能信息采集与管理系统。
在实际应用中分层管理的直辖市（市、区两级）也可采用本设计方案。
逻辑结构
物理结构
一级系统物理结构
二级系统物理结构
软件架构
功能结构
应用功能
一级主站应用功能
二级主站应用功能
软件部署
用户类型
大型专变用户（A类）
用电容量在100kVA及以上的专变用户。
中小型专变用户（B类）：
用电容量在100kVA以下的专变用户。
三相一般工商业用户（C类）
包括低压商业、小动力、办公等用电性质的非居民三相用电。
单相一般工商业用户（D类）
包括低压商业、小动力、办公等用电性质的非居民单相用电。
居民用户（E类）
用电性质为居民的用户。
公用配变考核计量点（F类）
即公用配变上的用于内部考核的计量点。
其它关口计量点的采集数据项、采集间隔、采集方式可参照执行。
采集终端
采集终端分类
电能信息采集终端设备按应用场合分为厂站采集终端、专变采集终端、公变采集终端、低压集中抄表终端（包括低压集中器、低压采集器）。
按功能分为有控制功能和无控制功能两大类终端。
按通信信道分为230MHz专用无线网、无线公网（GSM/GPRS、CDMA等）、电力线载波、有线网络、公共交换电话网以及其它信道几类终端。
厂站采集终端
厂站采集终端是应用在发电厂和变电站的电能信息采集终端，可以实现电能表信息的采集存储和电能表运行工况监测，以及供受电能量、母线平衡等统计管理，并对采集的信息进行管理和传输。
根据不同的需求，厂站采集终端可分为机架式厂站采集终端和壁挂式厂站采集终端。
厂站采集终端通过本地RS485、RS232、RS422、CS（电流环）或脉冲等方式与采集点监控设备（电表）进行通讯，采集、存储并处理采集点监测设备的电能量、运行状态等各项数据；通过PSTN、工业以太网、光纤、宽带等有线网络或者GPRS/CDMA、微波等无线网络上传数据给主站。
专变采集终端
专变采集终端是专变用户电能信息采集终端，实现对专变用户的电能信息采集，包括电能表数据抄读、电能计量设备工况和供电电能质量监测，以及客户用电负荷和电能量的监控，并对采集数据进行管理和传输。
专变采集终端一般适用于专变用户的用电现场的电能信息采集和现场用电管理，采集、存储并处理采集点的电能信息、运行状态等各项数据，并下发各种用电管理指令，并且通过本地RS485或脉冲等方式与用户用电监控设备进行通讯。
它通过230MHz、GPRS/CDMA等无线通道上传数据给主站或接收主站数据。
专变采集终端可分为控制型专变采集终端和非控制型专变采集终端两类。
公变采集终端
公变采集终端是公用配电变压器综合监测终端，实现公变侧电能信息采集，包括电能量数据采集，配电变压器和开关运行状态监测，供电电能质量监测，并对采集的数据实现管理和远程传输。
同时还可以集成计量、台区电压考核等功能。
公变采集终端一般适用于公用配电变压器侧的电能信息采集和设备监测。
其通过本地RS485方式与公变台区总表进行通讯，采集、存储并处理电能表的电能量、运行状态等各项数据，同时根据各地不同的实际情况需要，公变采集终端要能因地制宜地实现与交流采样装置、低压集中器等智能设备的通信，满足功能扩展的要求。
公变采集终端通过GPRS/CDMA等无线通道上传数据给主站或接收主站数据。
公变采集终端是否带自动无功补偿控制功能和兼具低压集抄集中器功能，在实际应用中根据具体情况确定。
低压集中抄表终端
低压集中抄表终端包括低压集中器和低压采集器两种设备。
低压集中器是一个配电区域电能信息采集和控制的设备。
它通过信道对其管辖的低压采集器和各类电能表的信息进行采集、处理、存储和控制，并通过远程信道与主站交换数据。
它具有与手持设备交换数据的能力，以下简称为集中器。
低压采集器是用于采集和处理多个客户电能表电能信息，并通过信道与集中器交换数据的设备，以下简称为采集器。
采集器的基本功能是实现集中器对电能表数据的抄收。
安装设计要求
电能信息采集终端的安装在遵循《计量装置典型设计》中的相关要求外，根据各类型终端的安装实际情况和使用范围，还需要考虑以下安装设计要求：
●厂站采集终端安装在发电厂或者变电站内，普遍上本地通信采取485通信方式，远程通信采取光纤、PSTN等有线通信方式，485通信线要求有有效的屏蔽层，并采取总线方式来接入电表；厂站采集终端在安装时一般要求有专门的配套屏柜来安放，特别是机架式厂站采集终端，必须考虑专门的配套屏柜。
●无线专网和无线公网的专变采集终端、公变采集终端以及低压集中器，在安装时要着重考虑无线远程通信信号弱小的问题，如果无线信号强度达不到正常通信的要求，安装设计时要考虑增加安装外置天线来增强信号，对无线公网来说，有条件的话可以要求提供无线通信的运营商来增强无线基站的通信覆盖面和覆盖强度。
对于增加或者延长接收无线信号的天线的情况，天线的选择和安装也需要注意考虑各项因素，对于公变，外置天线尽量选择螺杆式天线，并且有条件的话，天线底座固定在计量箱中为好；天线长度选择一般不要超过10m，超过10m的外置天线，需要增加中继信号放大器，不然，信号衰减较严重，达不到信号强度要求。
●在沿海等特殊地带，专变、公变采集终端和低压集中器、采集器的安装要考虑防尘、防盐等因素。
采集数据类型
●电能量数据：
总电能示值、各费率电能示值、总电能量、各费率电能量、最大需量；
●交流模拟量：
电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数；
●电能质量越限统计数据：
电压、电流、功率、功率因数、谐波等越限统计数据；
●工况情况：
采集终端及计量设备的工况信息；
●事件记录数据：
终端和电能表记录的事件记录数据；
●其他数据：
费控信息等。
采集数据模型
按照电力用户性质和营销业务需要，可以将电力用户划分为六种类型，并分别定义不同类型的采集要求，采集数据项和采集数据最小间隔。
●大型专变用户（A类）：
用电容量在100kVA及以上的专变用户。
●中小型专变用户（B类）：
用电容量在100kVA以下的专变用户。
●三相一般工商业用户（C类）：
包括低压商业、小动力、办公等用电性质的非居民三相用户。
●单相一般工商业用户（D类）：
包括低压商业、小动力、办公等用电性质的非居民单相用户。
●居民用户（E类）：
用电性质为居民的用户。
●公用配变考核计量点（F类）：
即公用配变上的用于内部考核的计量点。
远程通信
远程通信是指采集终端和系统主站之间的数据通信。
可分为专网通信及公网通信。
专网通信
专网信道是电力系统为满足自身通信需要而建设维护的专用信道，可分为230M无线专网及光纤专网两大类。
230MHz无线通信是国家无委会批准的电力负荷管理系统专用频点，其中有15组双工频点和10组单工频点用于电力负荷管理系统230M频段内的专用频点通信，也称为230M无线专网。
光纤专网是指依据电力通信规划而建设的以光纤为信道的一种内部通信网络。
分类及特点
分类
特点
230M无线专网
接入方式
直接接入主站
终端直接与主站电台通信，通信环节少，效率高
经中继站（分站）接入
终端首先与中继站（分站）电台通信，中继站（分站）再通过倒频、微波、光纤等与主站通信，通信环节较多，效率低，但覆盖的范围广
调制方式
FSK
比特速率1200bps，调制速率1200bps
MSK
比特速率2400bps，调制速率2400bps
PSK
比特速率4800bps，调制速率2400bps
GMSK
比特速率9600bps，调制速率9600bps
频点类型
双工频点
以全双工方式工作，能够同时收发数据
单工频点
以单工方式工作，收发不能同时进行；终端自动转发功能配置较方便
光纤专网
安全分区
II区
电力生产的安全分区，但不具备控制功能，使用调度数据网络，在线运行。
Ⅳ区
实现电力信息管理和办公自动化功能，使用电力数据通信网络，业务系统的访问界面主要为桌面终端。
通信方式
Ethernet通信方式
厂站的采集终端采用光纤通道接入设备提供的网络接口与主站系统通信。
具有实时性强，可靠性高的特点。
RS-232专线方式
厂站的采集终端采用光纤通道接入设备提供的RS-232口与主站系统通信。
具有安全性高，可靠性的特点，但需要占用厂站的通信资源。
E1方式
2M接口，采用波分复用技术和时分复用技术实现数字通信、数据交换及电话业务的信息传输；具有高速率、长距离以及高稳定性等优点。
适用范围
专网通信
适用范围
230M无线专网
230M无线组网适用于地势相对平坦的地区，对于丘陵地区及山区，可采用中继组网方式。
在组网时，主站、中继站（分站）应采用双机双天馈热备模式，并具有切换功能。
宜对大容量专变用户的电能信息采集和控制。
光纤专网
根据厂站通信资源的具体配置情况选择网络通信方式或RS-232专线方式。
组网方式
230MHz无线组网方式
●单信道无线组网
拥有一组双工频点的单信道无线组网技术，采用一点多址的应答式通讯方式，是无线电力负荷管理系统最常见的组网方式之一。
一般主控电台采用双机双天馈热备模式，并能自动及手动切换主控电台直接与各终端用户实现通信联络，示意图图如下：
●双信道或多信道无线电组网
系统规模达到一定数量时需要采用双信道或多信道同时工作，从而缩短巡测时间，满足实际使用要求。
在多信道系统中频率的选用必须解决系统的互调干扰和同频干扰的问题。
集中控制管理模式最大优点是可采用频率复用技术，增加信道数量。
同时多信道集中管理，保证了边远用户通信覆盖的重叠区域，使这些用户有更多的选择余地，避免和减少了盲点。
多信道系统可以采用双工、单工频点实现混合组网。
●中继组网
主要有倒频中继组网、光纤中继组网、微波中继组网、网络中继组网、扩频中继组网等，可在实际使用中加以选择。
光纤专网接入方式
●网络通信方式
采用网络通信方式进行厂站电能信息采集的接入方式，主要两种方式主站采用TCP/IP等网络协议和子站的采集终端进行通信，称为网络接入方式。
●RS-232专线方式
RS-232专线方式的接入方式示意图如图：
公网通信
分类及特点
公网信道是相对于电力系统自身建设的专用信道而言的，它指的是使用或租用通信运营商建设的公共通信资源。
公网信道可分为无线、有线两大类，常用的公网信道类型见下表：
分类
信道类型
特点
无线公网信道
GPRS
GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。
特点如下：
1、传输速率高，理论最高值171.2Kbps，实际应用接近56KModem的速度；
2、支持永久在线；
3、与话音业务共用信道，通讯链路饱和时数据通信会受话音业务干扰；
4、资源相对丰富，覆盖地域广；
5、适合大规模应用；
CDMA1X
CDMA1X是一种基于CDMA码分多址通信业务，面向用户可提供移动分组的IP连接。
特点如下：
1、传输速率高，理论最高值307.2Kbps，实际应用峰值速率高达153.6Kbps，传输速度优于GPRS；
2、支持远方唤醒；
3、专用载频和信道，不与话音共用信道，网络稳定，不易受干扰；
4、资源相对较少，覆盖地域逊于GPRS；
5、适合较大规模应用；
SMS
SMS是最早的短消息服务标准。
特点如下：
1、必须经过短信中心转发，当短信中心繁忙时，通讯延时明显，实时性弱于GPRS/CDMA1X。
短信中心能判断接收端是否开机，当接收端关机时短信中心会暂时保存信息；
2、短信的长度有限制，纯文本为160字节，二进制非文本为140字节；
有线公网信道
ADSL
ADSL（非对称数字用户线环路）是一种利用频分复用技术实现数据高速传输的通信方式，是目前主流的宽带接入方式。
特点如下：
1、传输速率高，上行≤1Mbps，下行≤9Mbps；
2、专用数据通道，能为用户提供动态或静态的IP地址，提供安全的数据传输通道；
3、安装方便，只要有电话线路的环境都可以方便安装；但有的宽带运营商提供的ADSL接入服务需要铺设专用网线或同轴电缆；
4、资费相对较高；
PSTN拨号
通过公用电话网络，使用调制解调技术完成数据传输，是传统的数据传输方式。
特点如下：
1、传输速率较低，连接速度较慢；
2、安装方便，电话线连接Modem就可使用；
3、即用即拨，在使用时随时创建，使用完毕后挂断连接；
4、按时间、次数计费；
适用范围
分类
信道类型
适用业务
地理环境
使用建议
无线公网信道
GPRS
实时性要求高的业务，如：
控制、实时采集等
无线公共网络覆盖完整且无线信号优良的城市、乡镇等
主信道优选
CDMA1X
同上
同上
主信道优选
SMS
1、实时性要求稍低的业务，如：
定时采集；
2、文本通知、提示、告警等业务；
同上
备用信道
主站端建议使用短信专线
有线公网信道
ADSL
1、实时性要求高的业务，如：
控制、实时采集等；
2、传输速率要求高的业务；
无线公网无法覆盖的盲点区，如城市高层建筑的地下室
无线公网无法覆盖，传输速率要求高时优选
PSTN拨号
1、传输速率要求稍低的业务；
2、不需要一直在线的业务，如：
小型厂站采集；
只要有普通电话线即可，对地理环境无特殊要求
无线公网无法覆盖，传输速率要求低时优选
接入方式
统一接入
以省（直辖市）公司为单位，与移动运营商共同组建独立的虚拟专网APN/VPN，建立统一的通信网关，全省（直辖市）范围内所有终端都通过统一通信网关接入。
统一通信网关位于停火区（DMZ），通过防火墙和路由器与移动运营商专线对接，对内则通过防火墙与主站系统隔离，主站发出的下行报文通过统一通信网关直接发给处于虚拟专网隧道内的终端，终端发出的上行报文止于统一通信网关，然后由统一通信网关转发给主站系统。
统一通信网关可通过硬件设备实现，也可通过运行在服务器上的软件实现。
分布接入
分布接入以地市公司为单位组建通信网关，技术原理与统一接入类似。
本地通信
本地通信是指采集终端和用户电能计量装置之间的数据通信。
对于不同电能信息采集应用，本地通信的差异很大。
专变、公变的电能信息采集的本地通信通常采用RS485总线，相对比较简单；居民电能信息采集的本地通信相对比较复杂，多种通信方式同时共存。
本地通信分为低压电力线载波、RS485总线及微功率无线等通信方式，其中微功率无线指使用433MHz/470MHz频率、发射功率小于等于20mW的无线射频通信，也称为小无线。
分类及特点
分类
特点
有线通信
低压电力线载波
利用低压电力线载波数据双向传输，无需另外铺设通讯线路，安装方便、适应性好，存在信号衰减大、噪声源多且干扰强、受负载特性影响大等问题。
RS485总线
信号传输可靠性高、双向传输，需敷设RS485线路，存在安装调试复杂、容易遭到人为破坏等问题。
无线通信
微功率无线
双向传输、功耗低、自组网、安装方便，不需单独铺设通讯线路，信号易受障碍物阻挡。
适用范围
分类
适用范围
使用建议
低压电力线载波
电能表位置较分散、布线较困难、用电负载特性变化较小的台区
农村公变台区供电区域、别墅区、已建城市公寓小区
RS485总线
电能表位置集中、用电负载特性变化较大的台区
城市新建公寓小区
微功率无线通信方式
电能表位置集中、用电负载特性变化较大的台区
已建城市公寓小区，也可与RS485或低压载波组合使用
组网方式
有线通信组网方式
目前，采用低压电力线载波和RS485总线通信的有线通信组网方式主要包括：
载波和RS485总线及两者混合组网，其中载波抄表方式主要是指用户电能计量装置采用计量单元和低压电力线载波通信单元一体化设计，通过低压电力线链路直接与集中器进行数据交换；混合方式是指采集终端通过RS485总线定时（或实时）地采集一个或多个电能计量仪表的数据，并通过低压电力线载波与集中器进行数据交换。
载波和混合组网方式示意图如下：
无线通信组网方式
由集中器、采集器、电能表等组成。
集中器配置有微功率无线接口，与带有微功率无线接口的采集器实现通讯，采集器放于表箱内，并通过RS485与电能表建立通信。
集中器也可与带有微功率无线接口的电能表直接通信。
计量箱分类
河南省电力公司电能采集系统采用的计量箱分为：
A型、B型、C型、D型和E型。
A型计量箱
该型计量箱用于高供低计专变客户。
箱内安装开关，预留互感器、表计、采集终端位置。
按开关的通流容量分为A-200型（开关通流容量200A，用于100KVA以下的高供低计专变客户）、A-400型（开关通流容量400A，用于200KVA以下的高供低计专变客户）、A-630型（开关通流容量630A，用于200KVA—315KVA的高供低计专变客户）。
B型计量箱
该型计量箱用于高供低计公变客户。
箱内预留互感器、表计、采集终端的位置，按变压器容量分为B-200型（用于100KVA以下的高供低计公变）、B-400型（用于200KVA以下的高供低计公变）、B-630型（用于200KVA—315KVA的高供低计公变）。
C型计量箱
该型计量箱用于三相普通低压（0.4KV及以下）动力客户。
箱内安装开关，预留表计、采集终端的位置。
按开关的通流容量分为C-100型（开关通流容量100A），C-200型（开关通流容量200A），C-200型计量箱可安装互感器。
D型计量箱
用于开关、互感器外接，仅更换计量箱的高供高计客户和配网线路联络计量点（10KV及以上）。
E居民表箱
该型计量箱用于居民户表低压计量，表箱由进线单元、计量单元和出线单元组成，计量单元内预留表计和采集器的位置。
采集终端分类
河南省电力公司电能采集系统采用的采集终端分为：
I型、II型、III型和IV型。
I型采集终端
用于专变客户的电能量信息采集、预付费控制，按电压等级分为I-100型、I-220型，分别用于高供高计专变户和高供低计专变户。
II型采集终端
带集中器功能的公变采集终端，用于公变计量点电能量信息采集，按电压等级分为II-100型、II-220型，分别用于高供高计和高供低计公变户。
III型采集终端
也叫采集器，用于低压三相动力户和单相居民用户的电能量信息采集和低压三相动力户的预付费控制。
IV型采集终端
用于变电站、配电所的电能量信息采集即场站终端。
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