網絡計量系統設計與應用

唐宇 TANG Yu；劉志宏 LIU Zhi-hong；胡冰 HU Bing；王曉換 WANG Xiao-huan；杜樹帥 DU Shu-shuai；項立衛 XIANG Li-wei

（河南許繼儀表有限公司，許昌461000）

0 引言

近些年來，隨著工程建設行業轉變發展方式，調整產業結構步伐的加快，施工企業對信息化建設的需求不斷加強，信息技術及信息資源的應用已成為與材料和能源同等重要的戰略資源。同時，世界各國都在為節能減排做貢獻。節能減排也是我國的基本國策。

網絡計量學是隨著網絡技術的發展而涌現的一個新的研究領域，在網絡環境下網絡計量學的產生是必然的，從網上獲取信息成為一種必然。

通過網絡計量，將用電信息采集網絡延伸到戶內設備上，大大擴展了用電信息采集范圍。國家電網公司提出用電信息采集系統“全覆蓋、全采集、全費控”的建設目標，基于網絡計量的高級量測系統賦予“全覆蓋、全采集”以嶄新的內涵，不僅采集用戶總用電量，而且采集每個電器設備的用電量；不僅覆蓋全部電力用戶，而且覆蓋用戶所有用電設備。通過網絡計量裝置和高級量測系統，為實現需求響應與互動用電提供了技術支撐。

網絡計量的規劃方案，具有技術前沿、技術研究和市場前瞻性，具備一定科研性質。

參照的主要標準有《DL/T 698 2010電能信息采集與管理系統標準》、《Q/GDW 1373-2013電力用戶用電信息采集系統功能規范》、《Q/GDW 1379.4-2013電力用戶用電信息采集系統檢驗技術規范》。

1 應用意義

網絡計量可應用于采集到原始采集計算值，可以主動地上傳網絡設備。

它是一種基于網絡計算的新型計量方法，在這種新型計量中，量測與計算分離，計算功能從分布于各用電節點的計量裝置集中到網絡，即采用“本地采樣、遠程計算”的方式進行電能計量。

網絡計量的輸入數據是計量對象的電流和電壓序列。量測終端（去掉了計算功能的計量裝置）將本地采樣的電壓電流序列發送到遠程計算中心（計量主站），由計算中心進行集中計算和處理，生成各計量對象的計量數據。網絡計量的計量對象可以是用戶節點（如居民用戶、工商用戶等），也可以是單個設備節點（如空調、冰箱等），不受物理空間的局限；電能計算的時間尺度正如電能表本地計算那樣，可以是日、時、分、秒，也可以是任意時間段。

采用網絡計量，簡化了計量裝置，降低了軟硬件復雜度，提高了可靠性，降低成本，方便維護；同時，網絡計量可以提供更加豐富的用電信息，實現更加智能的用電監管。

2 總體架構

圖1為網絡計量系統總體架構，主要由網絡計量設備、網絡數據計算程序以及外部程序組成。網絡計量設備主要是對用電設備進行采樣計量，主動上傳給計算主站的。網絡數據計算程序主要功能是對原始采樣數據進行計算，得出有效電壓，電流，功率，電量數據，并響應數據請求。外部程序主要指請求數據及對網絡計量設備進行操作的客戶端。網絡計量設備是基礎，提供原始數據源；網絡數據計算程序是核心，對原始數據進行計算。外部程序是展示層，獲取計算后的數據。

2.1 主要構成說明

①網絡計量。處理主動上傳網絡計量原始采集數據,數據保存在內存文件中。

數據請求

支持客戶端對網絡計算數據的請求，計量后臺可以把計算結果轉發給請求客戶端。

②數據轉發。轉發對計量設備的操作。

2.2 關鍵數據流說明①網絡計量設備與網絡數據計算程序數據流。網絡計量設備是客戶端，計算程序是服務端，網絡計量設備主動上傳采集數據，供后臺計算。②網絡數據計算程序與外部程序。外部程序可以連接網絡數據計算程序，通過TCP/IP方式獲取計算數據，或者發送操作網絡計量設備的數據包。

圖1 系統總體架構

3 詳細設計

傳統的計量是通過智能電表計量芯片直接做計算，數據存儲在采集終端里。優點是數據在本地存儲，只要正常供電，就可以保證采集完整性，缺點是業務擴展不方便，成本相對較高。采用網絡計量的方式，只要保證數據可以穩定傳輸，就可以持續計算，優點是計算方便，降低計算成本，數據可以比較容易地擴充。

本系統采用標準C++架構開發而成，具備如下特征：①可擴展性和易維護性。采用多層架構和相關的設計模式，改變某一層的實現技術，其他層不需改變，并且有利于系統的調試和測試。②通用性和開發的高效性。由于本框架的分層結構和統一的各層之間存在接口，開發團隊可以并行開發，提高開發的效率。

網絡計量系統功能劃分如下：

3.1 數據計算

由網絡計算中心計算的數據項有：

電壓：A相電壓，B相電壓，C相電壓。

電流：A相電流，B相電流，C相電流。

功率數據：有功功率（P，A，B，C）、無功功率（Q，A，B，C）、視在功率（總，A，B，C）。

電能數據：正向有功總電能（PAP），正向無功總電能（PRP）、反向有功總電能（RAP）、反向無功總電能（RRP）。

各數據項計算公式如下：

電壓電流相關計算公式

U（A）=sqrt（∑m2/n），m為采樣的電壓或者電流值，n為采樣值個數。

舉例說明：假如采樣數據為 A 相:U1，I1，U2，I2，U3，I3，U4，I4

U(A)=sqrt((U1*U1+U2*U2+U3*U3+U4*U4)/4)

U(A)=sqrt((I1*I1+I2*I2+I3*I3+I4*I4)/4)

B，C項電壓或者電流同以上算法。

功率相關計算公式：

P（有功功率）=（∑U*I）/n（電壓 * 電流之累加和除以計算的個數）

Q（無功功率）=電壓*電流偏移四分之1的累加和除以計算的個數

如果計算出來的P和Q大于等于零，則表示是正向功率，否則就是反向功率。

假如采樣數據為 A 相:U1，I1，U2，I2，U3，I3，U4，I4

那么 P（A 相）=（U1*I1+U2*I2+U3*I3+U4*I4）/4

那么 Q（A 相）=（U1*I4+U2*I1+U3*I2+U4*I3）/4

V（視在A）=UA有效*IA有效

P（總）=P（A）+P（B）+P（C）

Q（總）=Q（A）+Q（B）+Q（C）

V（總）=V（A）+V（B）+V（C）

電能相關計算公式

正向有功總電能PAP=P*Δt。其中P為Δt時間內的平均正向有功功率（反向公式類似）。

正向無功總電能RAP=Q*Δt。其中Q為Δt時間內的平均正向無功功率（反向公式類似）。

采用平均功率乘以時間主要是為防止上傳的數據發生丟包情況，提高計量的精度；或者防止多包發生的情況。

上述的PAP和RAP是一段時間內的電能量，在實際應用中，需要計算總累積電能量，也就是常用的電能表碼（底度），也就是系統運行到當前時間的電能累積量。

在計算累積電量時，實際上需記錄上次的累積量PAP（上）和累積時刻T（上），在每次接收到終端的瞬時電壓、瞬時電流和相角后，先算出P（有功功率），然后再計算出有功總電能。

3.2 數據轉發

轉發客戶端對網絡計量設備的控制命令。

3.3 數據請求

響應客戶端對計算數據的召測。

4 性能指標

4.1 可用性指標

①保證7×24小時不間斷穩定運行；②服務器日常CPU平均負荷小于65%，忙時小于85%；③服務器日常內存平均使用率小于60%，最大并發時小于80%。

4.2 可靠性指標

①系統可用率不小于99.9%；②系統平均故障時間不超過10分鐘。

4.3 響應實時性指標

系統在最大并發用戶數條件下,滿足以下響應實時性指標要求：①實時數據響應時間≤3秒；②90%頁面切換響應時間≤3秒。

5 應用價值

目前，該系統已經在現場投入使用?？偣步尤胗?00塊左右的測量儀，后臺對每塊進行計算電壓、電流、電量等數據，并發送給測量儀進行顯示。同時保存電量，為其它電力應用提供數據。該系統從總體上節省了大量的人力、物力。普通電表如果每塊按300左右的價格計算的話，那么200塊就需要6000塊的成本；采用網絡計量，硬件成本只有原來的三之一左右，只需要2000左右或者更少的成本，大大節省了預算開支。此外，網絡計量無需人工抄表，數據全部自動上傳到服務器上、保存，其它應用可以直接從服務器上獲取相應數據，減少了人力成本。

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