基于GPRS的電力需求側管理系統設計與實現

張海林 夏傳良

摘 要：分析近期供電企業用電管理需求，考慮系統通信特點與通信安全性，提出GPRS與APN相結合的通信方案，并根據該方案成功開發了一個電力需求側管理系統。系統包括計量監測、負荷控制、數據統計分析、信息發布與參數配置等功能模塊。其中計量監測模塊可以遠程監測電能計量裝置運行信息，分析計量故障;負荷控制模塊可以動態監測客戶負荷，為電力需求側管理提供準確、及時的負荷數據;數據統計分析模塊可以進行線損分析及供電質量分析。應用結果表明，電力需求側管理系統可以幫助管理人員及時、準確地獲得電表數據，發現表計故障與竊電行為，提高用戶用電質量。

關鍵詞：電力需求側管理;GPRS;防竊電;表計故障

0 引言

當前我國經濟發展過程中面臨著電力短缺問題。據有關部門統計，2018年中國全社會用電量為6.8萬億千瓦時，各省都有數百萬千瓦時的電力缺口。要解決這一問題，需要努力增加電力供給并加強用電需求側管理，其中增加電力供給受基礎設施建設等因素影響，所以加強用電需求側管理成為解決電力供給緊張的有效手段。

文獻[1]分析電力需求側管理的有效措施，提出在電力需求側管理中引入錯峰用電的實施步驟，包括制訂合理的錯峰用電方案、布置相關錯峰用電預警機制、采取多種方式進行錯峰用電等;文獻[2]提出一個Roth-Erev算法以表征客戶參與的不確定性，并測量出需求響應容量，基于需求響應的不確定性表征與調度模型，擴展了傳統的蒙特卡洛模擬評估程序，仿真結果表明，引入需求響應可以提高整個電力系統發電電量的充足性;文獻[3]分析工業生產中高電力負荷降低的問題，提出一種新的本地電力利用方式，但需要大容量電力系統的電力支持;文獻[4]對多個自動化電力通信網絡進行調查，總結組網現狀，并介紹電力系統中無線網絡技術的應用，分析不同無線通信網絡組網的優缺點，得到了合適的無線網絡組網方案;文獻[5]闡述電力需求側中客戶響應度的概念，分析合肥供電公司通過技術手段提高需求側管理水平和客戶響應度，可以為電力需求側的精細化管理提供參考依據;文獻[6]提出一種新的基于機會約束的隨機模型，用來管理目前的電力市場，并提出負荷損失概率指標，在模型優化過程中，將隨機模型轉化為利用隨機變量的概率分布等效確定性模型，用來計算電力管理中的傳輸過程損失;文獻[7]依托山東省電能管理系統業務和數據支撐平臺建設了山東省電力需求側管理系統，可以分析全省用電概況，使得有序用電管理更加精確;文獻[8]分析在隨機網絡約束市場框架下一套全面的電力恢復計劃，研究需求響應在計劃中的應用潛力;文獻[9]分析諧波含量高的電力客戶用電現狀及出現的問題，設計并實現了電力負荷快速采集系統，可以對企業設備的電能數據進行監測分析，實施需求側管理;文獻[10]認為新形勢下電力需求側管理工作的內涵更加豐富，對有序用電管理工作提出了新要求，各企業部門需要統籌協調，共同推動電力需求側管理工作的開展;文獻[11]提出一種可靠且可擴展的智能電網需求側管理方法;文獻[12]將互聯網產品中的目標導向原則引入電力需求側管理領域，提出并實現了面向社會用戶和政府用戶的用電分析與有序用電平臺;文獻[13]認為需求響應計劃可以為高需求、高排放、用電可靠性、輸電擁堵等許多電力系統問題提供解決方案，是電力需求側管理的重要組成部分;文獻[14]認為電力需求側管理中的需求響應是一種市場前景廣闊的技術，可以應對智能電網中日益復雜的有序用電管理狀況;文獻[15]提出電力需求側管理是電力體制改革的重要組成部分，通過新形勢下電力需求側管理的組織框架、合作伙伴網絡和現金流等角度入手，研究未來電力需求側管理發展模式;文獻[16]提出一種實現最優電力需求側管理的精確多目標方法;文獻[17]介紹一種使用家庭局域網系統降低峰值負荷的方法;文獻[18]分析電力經濟管理中管理人員素質不高、管理模式陳舊、售電定價不合理、區域電力供需矛盾等問題，并提出針對性對策;文獻[19]分析我國電力需求響應評估現狀，建立適合黃浦區的需求響應評估模型;文獻[20]探討電力需求側管理的作用及電力需求響應方案實施;文獻[21]認為在新形勢下，電力需求側管理的創新思路應該是在完善電價和用戶獎勵政策的同時推出約束性政策，以推動企業積極參與電力需求側管理。

基于上述分析，本文提出面向供電企業的電力需求側管理方案，并綜合實現了數據采集、計量監測、負荷控制、電力數據統計分析、信息發布、供電質量分析、線損分析、防竊電、限電管理與報警管理等功能。

1 需求分析

電力需求側管理系統包括計算機主站系統、通信系統、負荷管理終端等多個組成部分。本系統為供電企業提供用電分析、防竊電等用電需求側管理的全面解決方案。

根據供電企業實際需求，該系統規劃了以下功能：

（1）計量裝置監測。遠程監測電能計量裝置運行信息，分析計量故障、竊電等信息，及時發現客戶用電異常。

（2）負荷控制。動態監測用戶負荷，為用電政策制定與執行提供準確、及時的負荷數據，可根據需要通知客戶并進行自動拉閘控制，同時根據負荷情況采取消峰、填谷和移峰填谷等負荷控制手段。

（3）數據統計分析。包括線損分析與供電質量分析，對供電可靠性、電壓合格率、諧波等進行監測分析，實現對各大客戶計量點分時電量的統計、用電分析等。

（4）參數設置。設置系統運行所需的各種參數。

（5）信息發布。發布系統相關管理信息。

2 系統設計

2.1 通信設計

2.1.1 通信特點分析

電力需求側管理系統主站計算機系統和遠方采集終端之間的通信有下列特點：①通信間歇性。正常情況下，可能一天只通信一次或幾次，也可能幾天才通信一次，所以架設專門的光纖通信或其它有線通信通道都是不經濟的;②突發通信。用電用戶有異常用電行為，或者發生危及用電安全的情況時，需要立即通知有關人員，所以用電管理系統的通信具有突發性;③點多面廣。一個供電企業對應成千上萬個用電用戶，即便是企事業單位一級的大用戶也往往達到幾百甚至上千個，架設專門的光纖通信或其它有線通信通道也是不可能的;④實時監視。為了實時監控用戶用電行為，采集終端能向主站系統提供實時數據。

針對以上特點，對電力需求側管理系統通信提出以下要求：

（1）效能費用比。在追求通信技術先進性的同時，還應考慮通信系統費用，選擇費用與功能及技術先進性的最佳組合，追求最佳效能費用比。而且在計算通信系統費用時，除初期投資外，還應考慮將來的運行與維護費用。

（2）可擴充性。通信系統在能夠滿足目前需要的前提下，還應考慮將來增長的業務需要，因此規劃時應考慮足夠的容量以及系統開放性要求。

（3）通信實時性。實時監控功能要求通信系統滿足實時性要求，因此選擇合適的通信帶寬以及通信網結構方式是相當重要的，如手機短消息的方式就不能滿足通信實時性要求。

（4）通信能力。除數據上行外，還有控制命令下裝，因此通信系統需要具有雙向通信能力，以及半雙工或全雙工能力。

（5）使用與維護的便捷性。

基于以上因素選用GPRS通信，能發揮其在系統中的作用。GPRS具有高速傳輸、永久在線、按量計費及容易切換等優點，可以全面提升移動數據通信質量。

2.1.2 通信方案分析

（1）利用Internet公網的通信組織方案。針對大客戶地理位置分散、采集點多、數據量少、實時性要求不高的特點，數據采集通信網絡采用成熟的GPRS無線公網加以實現。利用Internet公網的通信組織方案，供電公司需要專門申請對外固定IP地址，整個連接經過Internet。

該通信組織方案不需要與GPRS無線網絡運營商協商，實現起來較為簡單，但這種通信組織方案通過Internet公網實現，通信的私密性、安全性、可靠性得不到保障。在系統試驗階段可以采用這種通信組織方案。

（2）采用APN專線方式的通信組織方案。從系統安全性出發，應以APN（Access Point Name）專線方式與無線網絡運營商連接。無線網絡運營商為供電公司提供專門的APN接入點，各監控點的GPRS終端通過該APN接入點上網，無線網絡運營商通過專用路由器與供電公司網絡相連，由無線網絡運營商協助供電公司在GPRS上建立VPN，并設置從GGSN到供電公司的GRE隧道。這種組網方式的優勢為：終端與主站計算機可以看作一個內部局域網系統，保證從用戶端到GGSN的服務質量。由于整個連接過程沒有經過Internet公網，所以通信是絕對安全的，這也是本系統采用的通信方案。

2.2 系統功能設計

根據上述需求分析結果，為本系統設計功能模塊如圖1所示。

3 系統實現

3.1 系統開發平臺

電力需求側管理系統采用Visual studio開發工具、SQL Server數據庫，在Windows 7平臺上進行開發。電力需求側管理系統硬件配置如下：

（1）數據庫及應用服務器：負責數據處理與數據存儲。

（2）通信服務器：負責與終端通信，應選用高檔微機服務器。

（3）Web 服務器：負責對外發布大客戶用電信息，如電量信息、負荷信息、錯峰信息等。

（4）存儲備份硬件：電力需求側管理系統接入點非常多，且數據量大，隨著系統的投入運行，數據量增長非常快，因此必須考慮數據的存儲與備份系統。

（5）其它硬件：主要包括應用網絡設備、PC 工作站、打印機、UPS 電源等。

3.2 系統編碼實現

從邏輯上看，電力需求側管理系統由5部分組成：客戶機、服務器、前置機、短消息服務器和現場終端。這5部分之間的通信方式及編碼時采用的Socket端口如圖2所示。

4 系統應用

電力需求側管理系統已在某地級市供電公司投入運行，該系統已成功實現用電參數監測、防竊電分析、負荷管理等功能。系統具有良好的開放性，可適應電力部門不同管理模式及未來業務發展需要，并能方便地構成以供電所為基礎的集散式監測網絡，或以供電公司為中心的輻射式監測網絡。系統能夠較好地適應更大規模監控網絡需求，滿足縣—市—省各層次監控體系要求，且可根據供電部門業務發展要求開發各種增值服務系統。

4.1 計量監測

電力需求側管理系統的負荷管理可以動態監測用戶負荷，為用電管理提供準確、及時的負荷數據，還可查看用戶的日負荷、月負荷等數據。

4.2 負荷控制

負荷控制可以表格及曲線的方式進行對比顯示，同時給出了通過功率數據得到的積分電量和通過表碼計算得到的日電量數據。日電量數據包括峰、谷、平、尖各時段電量，還給出了平均負荷率，以及與前一天相比的電量突變率。這些數據為分析客戶用電情況提供了依據，可視負荷情況進行消峰、填谷、移峰填谷等操作，如圖3所示。

4.3 線損分析

電力需求側管理系統的線損分析模塊可實現對實時或設定時間段輸入電量、輸出電量、損耗電量和線損率等線損指標的統計分析，以及超閾值報警等功能。

5 結語

本文開發了一個基于GPRS的電力需求側管理系統，并介紹了系統功能分析、方案設計、編碼實現及后續應用過程，從而對電力需求側管理中的線損分析、表計故障、防竊電、諧波監測等問題有了更深入的認識。但該系統在電力需求響應方面尚存在不足，僅實現了消峰、填谷和移峰填谷等電力負荷控制方式，下一步將繼續完善電力需求響應中的需求側競價、緊急需求響應等功能，實現基于需求響應的電力需求側管理。

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（責任編輯：黃 健）