电能量数据采集与管理系统设计与实现定稿.docx
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电能量数据采集与管理系统设计与实现定稿
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专业学位（硕士）论文
论文题目：
电能量数据采集与管理系统的设计和实现
作者：
宋永生
专业：
软件工程
研究方向：
软件工程
指导教师：
骆斌教授海涛讲师
二〇〇九年6月26日
学号：
GM0732222
论文答辩日期：
2009年6月26日
指导教师：
（签字）
大学申请硕士学位论文
电能量数据采集与管理系统的设计和实现
学生：
宋永生
学科专业：
软件工程
研究方向：
软件工程
指导教师：
骆斌教授海涛讲师
摘要
电能量采集与管理系统，主要是用来实现对采集终端（变电站、大用户、配变终端、电厂等）的各种电能量相关参数及数据的自动采集，并通过对采集的原始数据进行统计、分析，根据区域网损、线损以及采集终端的运行状况的监控和主动上报的实时事项，找出电网中的主要电能损耗点，统计分析后的数据最终呈现给监视电网的值班人员，实现对所监控电网的监控，为电力企业的商业化运营提供决策支持。
在系统设计时，应充分考虑到不同用户的需求，采用软耦合和瘦客户化的设计思想，系统需要满足从省级电网到县级电网、发电厂、变电站、大用户等不同层次的需求；可用于实现输、配电网、用电网电能量的自动采集、统计、分析功能；也适用于大中城市中的公用配变监测系统，实现对配变终端的动态监测。
本文正是针对以上需求，深入研究了电能量采集与管理系统的设计方案与实现技术，对系统总体设计、技术要点、网络架构、功能设计等作出了阐述，详细介绍了系统设计目标、设计思想和原则、总体设计方案、组网方式及组成结构、软件模块功能组成、系统实现等容；并重点阐述了如何实现电能量的采集方式，给出了采集实现的详细设计方案；同时系统对电能量各个模块的功能进行了详细设计，并提出了详细的实现方案。
本文系统已应用于鞍钢现场，投运后，系统运行稳定，达到了预期效果，获得用户
认可。
关键词：
电能量；采集与管理系统；TMR；DL/T645
ABSTRACT
TheElectricalEnergyAcquisitionandManagementSystemisprimarilyusedfortherealizationofthecollectionterminal（substation,largeusers,distributiontransformerterminals,powerplants,etc.）ofainAnshanIronandSteelCompanyscene,thesystemwasstable,hadachievedtheanticipatedeffect,obtainedthecustomerapproval.
Keyword：
ElectricalEnergy；AcquisitionandManagement；TMR；DL/T645
第1章绪论
1.1课题背景
1.2电能量数据采集与管理系统研究现状
1.2.1同类产品
1.2.2发展趋势
1.3本文的工作
第2章相关技术概述
2.1通信协议
2.2DL/T645
2.2.1字节格式
2.2.2帧格式
2.3实现技术
2.4小结
第3章电能量数据采集与管理系统概述
3.1设计原则
3.2技术要求
3.3拓扑结构
3.4体系结构
3.5功能框架
3.6小结
第4章电能量数据采集与管理系统设计
4.1数据采集的分析与设计
4.1.1电能量数据采集特点
4.1.2电能量数据采集功能要求
4.1.3数据采集的设计
4.2统计计算的分析与设计
4.2.1功能要求
4.2.2分析设计
4.3业务操作的分析与设计
4.3.1电量分析功能设计
4.3.2线损分析功能设计
4.3.3日常业务操作设计
4.3.4图形分析功能设计
4.4系统管理的分析与设计
4.4.1功能需求
4.4.2分析与设计
4.5WEB报表的分析与设计
4.6参数管理的分析与设计
4.7小结
第5章电能量数据采集与管理系统的实现
5.1电能量数据采集的实现
5.1.1通讯参数设计实现
5.1.2规约库设计实现
5.1.3通讯设备库设计实现
5.2业务分析的实现
5.2.1电量分析实现
5.2.2线损分析实现
5.2.3日常业务操作实现
5.3.4图形分析功能实现
5.3系统管理的实现
5.4WEB报表的实现
5.5参数管理的实现
5.6小结
第6章总结
6.1本文总结
6.2今后的工作
参考文献
致谢
图表目录
图2.1传输序列图
图2.2帧格式
图2.3控制码格式
图3.1系统典型拓扑结构
图3.2体系结构
图3.3功能框架图
表4.1采集模块基本功能表
图4.1采集模块数据流关系图
图4.2电量自动计算的主流程图
图4.3旁路时电量计算处理
图4.4线路基础电量计算流程图
图4.5线路旁路电量计算流程图
图4.6线路电量计算流程图
图4.7对象电量计算的流程图
图4.8权限管理模块的结构设计图
图4.9权限管理模块程序流程图
图5.1规约类库设计图
图5.2规约基类
图5.3问答规约类
图5.4通讯设备类库设计图
图5.5设备参数设置类
图5.5通信设备基类
图5.6串口通信设备类
图5.7拨号通信设备类
图5.8电量分析实现界面
图5.9线损分析实现界面
图5.10日常业务操作实现界面
图5.11图形分析实现界面
图5.12系统管理实现界面
图5.13报表管理实现界面
图5.14参数管理实现界面
专业名词
DSM电量需求侧管理
TMR电能量计量系统
RTU数据采集远方终端
ERTU电能量数据采集远方终端
PT电压互感器
CT电流互感器
SCADA数据采集和监视系统
DMIS调度管理信息系统
MIS管理信息系统
DMS配网管理系统
EMS能量管理系统
第1章绪论
1.1课题背景
电力需求侧管理（PowerDemandSideManagement，简称DSM）[国家发展和改革委员会,2004]是指通过提高终端用电效率和优化用电方式，在完成同样用电功能的同时减少电量消耗和电力需求，达到节约能源和保护环境，实现低成本电力服务所进行的用电管理活动。
电力需求侧管理发源于
美国。
1973年第一次世界石油危机爆发后，燃料价格飞涨，美国能源界意识到单纯依靠能源供应很难满足不断增长的能源需求，还应该考虑需求侧的节约。
电力需求侧管理正是适应这一变化而兴起的新的能源管理方法。
这期间，美国建立了同时将供应方和需求方两种资源，作为一个整体进行综合资源规划（IRP）的新理念，对供电方案和节电方案进行技术筛选和成本效益分析，形成综合规划方案。
第二次石油危机爆发后，更多国家开始重视电力需求侧管理的研究和应用，目前已逐渐扩散到加拿大、欧盟国家、日本、巴西等30多个国家和地区。
20世纪90年代初，电力需求侧管理被引入我国。
1996年—2000年间，各省（区、市）先后开展了多种电力需求侧管理示项目，取得了一定的经验。
2002年以来，随着电力供需紧，电力需求侧管理进一步得到了全社会的普遍关注。
电力需求侧管理在我国进入了一个较快发展的时期，国家有关政府部门及部分省级政府出台了很多关于电力需求侧管理的政策，对实施有序用电、提高能效、缓解电力供需矛盾发挥了积极的作用。
电能采集与管理系统是电力需求侧管理的重要组成部分，为电力需求侧管理提供了强有力的技术支持。
随着电力法的实施和电力工业的体制改革，电网的运营和管理正逐步走向商业化。
在市场经济体制下，各电网中发电、供电、用电各方形成了以经济条款为纽带的新型运作模式，以传统行政手段为主的经营方式被打破，经济考核成为电网运行管理的主要手段。
同时，由于电力生产和使用的特殊性，其价格取决于电力系统运行中的诸多因素。
经济增长与电力需求，是分析一个国家经济运行状况的两个重要指标；国际上的一些研究机构，通过分析实际用电量来判断经济增长状况。
近20年来，我国GDP（GrossDomesticProduct，国生产总值）与电力需求均保持了高增长。
随着我国社会主义市场经济的发展和“一户一表”工程的开展，用户用电表计数量增幅较大，这也使得电能表计的抄表工作量加大了。
传统的电费抄收方式是按月人工抄表，存在中间环节多，工作量大，实时性差，计算差错率高等弊端。
由少抄、漏抄和错抄造成的“线损”直接影响了电力部门的经济效益，造成了国家电力资源的大量流失。
电能量数据采集与管理系统的建设是随着电力商业化运营的开展、电厂出现多元化投资主体而开始的；为了提高供电部门的生产效率和效益，提高供电部门的自动化管理水平，实现电表电量数据的采集和管理全过程计算机网络管理系统。
同时还应满足用电检查、电费催交及电压合格率等工作的计算机管理的需要。
以达到提高抄表工作的工作效率，减少差错，规工作，加强对用户的管理。
现电力部门大力开发抄表系统软件，使用户用电管理达到系统化、规化、自动化、统一化。
电能量数据采集与管理系统是集计算机、数字通信等多项高技术于一体的抄表系统[肖鲲等,2002]，具有抄收速度快，计算精度高，抄表同时性好，可直接与计费计算机联网等突出优点。
电能量数据采集与管理系统的实施应用可以缓解抄表人员的劳动强度，降低抄表误差和便于计算线损，是提高电力营业管理自动化水平的重要技术手段；它既可用于工业抄表、农业网线损管理，亦可用于居民用户抄表。
电能量数据采集与管理系统是电力市场运营的基础，它直接关系到交易各方的利益，是交易结算的依据。
通过现场手工抄表或远方自动抄表等方式，将电能计量点的电能表读数送到电能计量结算部门进行统计处理，形成对各有关单位的电能购销统计数据，通过相应的处理，计算出各个用电单位的购销电能量费用，完成电费的结算，是电量采集的最终目的。
因此，为适应商业化运营的需要，建设一个能自动完成电量考核及结算功能的电量采集与管理系统是十分必要的。
1.2电能量数据采集与管理系统研究现状
1.2.1同类产品介绍
目前国同类产品包括DF6100电能计量计费自动化系统、EAC计量自动化系统、CASE2000、山大电能量采集系统4种产品。
DF6100电能计量计费自动化系统，为东方电子公司研发，其主要技术性能及特点：
采用开放的支撑平台技术具有分布式运行管理环境,采用大型商业数据库作为历史数据库,实时数据库采用客户/服务器技术和SQL访问技术；图形界面采用OpenGL技术,界面友好；实现系统故障的实时报警功能，采用网络平台技术;具有双前置自动切换，进程守护等功能;有一定的扩充性能;提供分线、分段、分压分析线损；可以与负控、MIS、SCADA系统接口。
EAC计量自动化系统，为科立公司研发，其主要技术性能及特点：
为开放式系统，允许用户进行二次开发，可以按设定的计费模型统计计费，采集可以定时、即时抄录站端数据，具有分时行度、分时电量、分时负荷查询功能；电量信息查询系统平台，具有报表与各类工况监视图形输出，具有线损管理，实时电价系统，需求侧分析功能等。
CASE2000，为威胜公司研发，其主要技术性能及特点：
采用SQL商用数据库，图形界面友好，具有定时即时抄录站端数据功能，提供比较方便的档案管理，提供WEB浏览功能。
山大电能量采集系统，为山大积成电子公司研发，其主要技术性能及特点：
采用SQL商用数据库，具有定时即时抄录站端数据功能，提供用户界面和各种实现数据，提供WEB浏览，支持采集双通道，采用双数据库。
1.2.2发展趋势
随着计算机领域计算机硬件技术、通信技术、数据库技术、Internet技术的发展，有采用如下新技术的趋势：
（1）中间件技术
所谓中间件，就是位于操作系统和应用软件之间的一个软件层，它向各种应用软件提供服务，使不同的应用进程能在屏蔽平台差异的情况下，通过网络相互通信。
中间件技术能使系统配置灵活，专注于业务逻辑处理，也为跨平台运行奠定基础。
（2）可视化技术
随着计算机技术的发展，可视化技术的应用，可以将传统的用数字、表格等方式表达的离线信息，转换为通过先进的图形技术、显示技术表达的图形信息，直观易懂，也更人性化。
（3）与SCADA/DMS/EMS一体化
由于电能量采集系统和SCADA采用了一些相同的技术，在技术层面上有很多的共性，易于实现一体化。
一体化后管理也将有诸多的方便，可以减少维护的工作量和复杂度，减少维护人员。
（4）Internet信息服务技术
基于TCP/IP技术的B/S浏览，使得查看系统信息便利化，是当今技术的发展潮流。
1.3本文的工作
本文将分章节详细说明电能量数据采集与管理系统的设计方法和实现方案。
组织结构如下：
第1章绪论部分介绍了市场需求及发展趋势，并对电能量数据采集与管理系统功能进行简单介绍。
第2章基础部分介绍了系统采用通信规约及系统的实现技术。
第3章概述部分说明系统的设计原则、技术要求、典型拓扑结构、体系结构及功能框架。
第4章设计部分，讲述系统特点、功能及处理流程，并提出实现方案。
第5章实现部分，讲述了电能量采集的实现方式，并给出了系统主要模块运行效果图。
第6章结束语，总结系统特性、达到的目标及今后的工作。
第2章相关技术概述
2.1通信协议
电能量数据采集与管理系统，是比较成熟的系统，目前应用也比较广泛。
多功能电能表，是由测量单元和数据处理单元等组成，除计量有功、无功电能量外，还具有分时、测量需量等两种以上功能，并能显示、存储和输出数据的电能表。
数据终端设备是由数据源、数据宿或两者组成的设备。
电能量数据采集与管理系统通过数据链路层从电能计量表和数据终端设备上收集数据。
电能量数据采集与管理系统与电能计量表计通讯采用的规约为DL/T645，与电能计量终端通讯采用的规约为IEC-60870-5-102。
系统目前实现了这两种规约。
IEC-60870-5-102标准和DL/T654-2007标准都是主—从结构的问答式规约，即主站端为启动端，电能计量数据终端设备位于计数站，始终为从动站，主站对各终端执行主从问答方式通讯。
下面以DL/T645-2007标准规约为例，说明系统与电能计量数据终端设备进行规约通信的方式。
2.2DL/T645
系统采用的与多功能电表通信协议为DL/T645-2007标准，该标准时在DL/T645-1997《多功能电能表通信规约》修改而来，主要为统一和规多功能电能表与数据终端设备进行数据交换时的物理连接和协议[DL/T645,2007]。
DL/T645-2007标准采用RS-485标准串行电气接口，支持多点连接。
DL/T645-2007标准为主—从结构的半双工通信方式，手持单元或其他数据终端为主站，多功能电表为从站，是一种问答式规约。
每个多功能电表均有各自的地址编码。
通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制。
每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、数据域长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符7个域组成，每部分由若干字节组成。
支持标准通信速率为600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps。
下面简要介绍一下DL/T645-2007通信协议的字节格式、帧格式，更加详细的帧格式说明请参阅[DL/T645,2007]。
2.2.1字节格式
每字节含8位二进制码，传输时加上一个起始位（0）、一个偶校验位和一个停止位
（1），共11位，如图2.1传输序列图所示。
D0是字节的最低有效位，D7是字节的最高有效位。
先传低位，后传高位。
EMBEDVisio.Drawing.11
图2.1传输序列图
2.2.2帧格式
帧是传送信息的基本单元。
帧格式图2.2帧格式所示。
说明代码
帧起始符68H
地址域A0
A1
A2
A3
A4
A5
帧起始符68H
控制码C
数据域长度L
数据域DATA
校验码CS
结束符16H
图2.2帧格式
帧起始符68H。
标识一帧信息的开始，值68H=01101000B。
地址域由A0~A5。
地址域由6个字节构成，每字节2位BCD码，
地址长度可达12位十进制书，每块表具有唯一的通信地址，且与物理层信道无关。
当使用的地址码长度不足6字节时，高位用“0”补足。
控制码C。
格式如图2.3控制码格式所示。
EMBEDVisio.Drawing.11
图2.3控制码格式
数据域长度L。
L为数据域的字节数，读数据时L≤200，写数据时L≤50，L=0时表示无数据域。
数据域DATA。
数据域包括数据标识、密码、操作者代码、数据、帧序号等，其结构随控制码的能功能而改变。
传输时发送按字节进行加33H处理，接收方按字节减33H处
理。
校验码CS。
校验码从第一个帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模256的和，即各字节二进制算术和，不计超过256的溢出值。
结束符16H。
标识一帧的结束，值16H=00010110B
2.3实现技术
考虑到该应用的需求及现有的技术条件，在实现上为最大化利用现有技术资源，通用数据库访问接口及网络访问中间件采用已有调度SCADA系统的实现，与SCADA共用统一的网络数据库库平台，实现网络管理、网络通信、数据存储、数据采集跨平台，同时实现数据与调度系统可以共网，实现数据的共享。
客户端管理界面的设计
采用Windows的风格标准控件进行设计；框架是MFC多文档的结构，外观采用树形浏览导航及标签分页栏的方式实现；功能模块采用插件式实现，能够动态加载，灵活配置。
报表模块采用FormulaOne组件实现，FormulaOne是一种类此与华表和EXCEL的表格控件，该组件是采用JAVA实现的，具有良好的跨平台特性。
通信协议采用DL/T645-2007与IEC-60870-5-102两种规约，实现与电能量数据终端通信。
2.4小结
本章介绍了系统实现的基础知识与实现技术，讲解了系统采用的两种通信协议标准。
系
统组成结构为多文档结构，各个功能模块采用的插件技术实现，即插即用灵活配置。
第3章电能量数据采集与管理系统概述
3.1设计原则
电能量数据采集与管理系统考虑到不同用户的需求，要求具有跨平台，跨数据库及功能变动性的特点，在设计时需要遵循以下设计原则：
遵循开放式设计标准，硬件规模和软件应用可随实际系统的需求灵活构建。
采用中间件网络平台来实现网络管理和数据库的访问。
支持多厂家的计算机软、硬件平台，各种电度表，电能采集装置。
支持多种通信方式及通信协议。
设计对象化、功能分布化、软件模块化，根据不同的
应用对象需求，系统功能可以灵活构造。
具有良好的开放性，能与其它系统方便地集成。
具有良好的扩充性能。
具有友好的人机界面。
坚持安全、可靠、先进、稳定的原则，确保系统的稳定可靠运行，确保计量系统的可靠性、准确性、公正性。
3.2技术要求
电能量数据采集与管理系统具有容量、性能、及时性的要求，在设计时必须考虑满足如下要求[6]：
系统容量：
厂站数目≥200，关口采集点数目≥5000，数据容量原则上只受硬盘容量限制，例如数据库72G硬盘空间可以存储12000个采集数据量（包括正/反向有功、无功分时段数据）
3年的15分钟密度数据（包括原始数据、派生数据、统计结果数据、报表等）及其索引。
数据精度：
等于电表抄读数据精度。
系统时钟误差：
<0.1s。
主站与厂站端时钟误差<0.5s。
通讯误码率小于10-4时可以保证系统正常通讯。
系统可用率：
99.99%。
系统平均无故障时间（MTBF）≥20000h。
系统运行寿命≥15年。
用户画面调用时间≤2s。
主备设备切换时间≤15s。
负荷率正常情况下：
在线服务器CPU平均负荷率≤25%，数据采集装置CPU负荷率≤25%，用户工作站CPU负荷率≤25%，
网络负荷率≤10%；局部故障情况下：
在线服务器CPU平均负荷率≤45%，数据采集装置CPU负荷率≤50%，用户工作站CPU负荷率≤50%，网络负荷率≤25%；
联机检索数据平均响应时间≤3s。
3.3拓扑结构
EMBEDVisio.Drawing.6
图3.1系统典型拓扑结构
图3.1系统典型拓扑结构，主要体现系统的C/S网络模型、双网冗余配置、双服务器热备用、数据透明访问。
Client/Server网络模型。
如果每一个应用都和相应的服务器建立一个，客户机和服务器之间的链路会非常之
多，最后服务器将不堪重负从而降低系统性能甚至于使系统瘫痪。
我们设计的网络模型中，每一台客户机都有一个网络服务程序，由它负责从服务器字典中获取服务器逻辑位置的信息并建立链路，而客户机的每一个应用只和本地的网络服务程序打交道。
从图中可以看出，每一客户机和服务器之间只有一条数据链路。
这是一个两级结构的Client/Server网络模型。
客户机本地网络服务器程序是所有本地客户应用的Server端，相对于整个系统它又是系统Server的Client端。
两级结构的Client/Server网络模型，不但减少了
Server和Client之间的网络链路的数量，同时也使网络管理变得容易。
双网冗余配置。
系统中预先将网络中的数据信息流分为两种，一种是控制流，一种是数据流，A网、B网通过两套网络设备，组成两套独立的网络，系统正常运行时A网为控制流通道，负责命令、、事项、信息的传输及网络状态的监控；B网为数据流通道，负责数据的传输处理；在数据传输之前，网络平台判断该数据流的属性，决定通过那一个网段的端口进行数据的传送，这样在预先的判断中就能够决定数据的流程方向。
控制命令与数据信息的分离，充分体现快慢数据的意义，紧急
需要处理的命令占用A网快速通道，一般的数据信息由B网慢速通道传输；另外当B网网络负荷重的情况下，还可以由A网传输一部分数据，实现A网分流数据，均衡负载的作用。
冗余配置主要体现在故障时：
A网故障时，B网自动切换为命令、数据通道，负责承担网络所有命令及数据信息传输；相应B网故障时，命令及数据信息由A网承担。
双服务器热备用。
主要目的实现一台服务器故障，进行无缝服务器的切换。
系统运行时两台或多台服务器有主次之分，只有一台处于值班状态，另一台则处于备用状态。
两台服务器都要进行各自的数据处理，但是只有值班服务器响应
客户机的数据请求。
当值班服务器发生故障后，根据网络状态，自动切换到备用服务器上，实现无缝服务器切换。
图中数据服务器及前置采集服务器都采用了这种双服务器热备用方式。
数据透明访问。
如果两台服务器之间的数据是严格一致的，理论上客户机可以登录到任一台服务上和服务器建立数据链路。
但是用户对数据的访问应是透明的，我们是指定客户机总登录到值班机，其登录过程可描述如下：
客户机从服务器字典里获取服务器逻辑位置信息；
根据服务器逻辑位置信息与主服务器建立数据链路；
服务器收到请求后，判断自己是值班还是备用。
若是备用，即
拒绝连接。
若是值班，在进行身份检查后同意；
客户机的连接请求被拒绝后马上从服务器字典里取得另一服务器逻辑位置信息，重复第
（2）步；
和服务
升级会员 