网络计量系统设计与应用

唐宇 TANG Yu；刘志宏 LIU Zhi-hong；胡冰 HU Bing；王晓换 WANG Xiao-huan；杜树帅 DU Shu-shuai；项立卫 XIANG Li-wei

（河南许继仪表有限公司，许昌461000）

0 引言

近些年来，随着工程建设行业转变发展方式，调整产业结构步伐的加快，施工企业对信息化建设的需求不断加强，信息技术及信息资源的应用已成为与材料和能源同等重要的战略资源。同时，世界各国都在为节能减排做贡献。节能减排也是我国的基本国策。

网络计量学是随着网络技术的发展而涌现的一个新的研究领域，在网络环境下网络计量学的产生是必然的，从网上获取信息成为一种必然。

通过网络计量，将用电信息采集网络延伸到户内设备上，大大扩展了用电信息采集范围。国家电网公司提出用电信息采集系统“全覆盖、全采集、全费控”的建设目标，基于网络计量的高级量测系统赋予“全覆盖、全采集”以崭新的内涵，不仅采集用户总用电量，而且采集每个电器设备的用电量；不仅覆盖全部电力用户，而且覆盖用户所有用电设备。通过网络计量装置和高级量测系统，为实现需求响应与互动用电提供了技术支撑。

网络计量的规划方案，具有技术前沿、技术研究和市场前瞻性，具备一定科研性质。

参照的主要标准有《DL/T 698 2010电能信息采集与管理系统标准》、《Q/GDW 1373-2013电力用户用电信息采集系统功能规范》、《Q/GDW 1379.4-2013电力用户用电信息采集系统检验技术规范》。

1 应用意义

网络计量可应用于采集到原始采集计算值，可以主动地上传网络设备。

它是一种基于网络计算的新型计量方法，在这种新型计量中，量测与计算分离，计算功能从分布于各用电节点的计量装置集中到网络，即采用“本地采样、远程计算”的方式进行电能计量。

网络计量的输入数据是计量对象的电流和电压序列。量测终端（去掉了计算功能的计量装置）将本地采样的电压电流序列发送到远程计算中心（计量主站），由计算中心进行集中计算和处理，生成各计量对象的计量数据。网络计量的计量对象可以是用户节点（如居民用户、工商用户等），也可以是单个设备节点（如空调、冰箱等），不受物理空间的局限；电能计算的时间尺度正如电能表本地计算那样，可以是日、时、分、秒，也可以是任意时间段。

采用网络计量，简化了计量装置，降低了软硬件复杂度，提高了可靠性，降低成本，方便维护；同时，网络计量可以提供更加丰富的用电信息，实现更加智能的用电监管。

2 总体架构

图1为网络计量系统总体架构，主要由网络计量设备、网络数据计算程序以及外部程序组成。网络计量设备主要是对用电设备进行采样计量，主动上传给计算主站的。网络数据计算程序主要功能是对原始采样数据进行计算，得出有效电压，电流，功率，电量数据，并响应数据请求。外部程序主要指请求数据及对网络计量设备进行操作的客户端。网络计量设备是基础，提供原始数据源；网络数据计算程序是核心，对原始数据进行计算。外部程序是展示层，获取计算后的数据。

2.1 主要构成说明

①网络计量。处理主动上传网络计量原始采集数据,数据保存在内存文件中。

数据请求

支持客户端对网络计算数据的请求，计量后台可以把计算结果转发给请求客户端。

②数据转发。转发对计量设备的操作。

2.2 关键数据流说明①网络计量设备与网络数据计算程序数据流。网络计量设备是客户端，计算程序是服务端，网络计量设备主动上传采集数据，供后台计算。②网络数据计算程序与外部程序。外部程序可以连接网络数据计算程序，通过TCP/IP方式获取计算数据，或者发送操作网络计量设备的数据包。

图1 系统总体架构

3 详细设计

传统的计量是通过智能电表计量芯片直接做计算，数据存储在采集终端里。优点是数据在本地存储，只要正常供电，就可以保证采集完整性，缺点是业务扩展不方便，成本相对较高。采用网络计量的方式，只要保证数据可以稳定传输，就可以持续计算，优点是计算方便，降低计算成本，数据可以比较容易地扩充。

本系统采用标准C++架构开发而成，具备如下特征：①可扩展性和易维护性。采用多层架构和相关的设计模式，改变某一层的实现技术，其他层不需改变，并且有利于系统的调试和测试。②通用性和开发的高效性。由于本框架的分层结构和统一的各层之间存在接口，开发团队可以并行开发，提高开发的效率。

网络计量系统功能划分如下：

3.1 数据计算

由网络计算中心计算的数据项有：

电压：A相电压，B相电压，C相电压。

电流：A相电流，B相电流，C相电流。

功率数据：有功功率（P，A，B，C）、无功功率（Q，A，B，C）、视在功率（总，A，B，C）。

电能数据：正向有功总电能（PAP），正向无功总电能（PRP）、反向有功总电能（RAP）、反向无功总电能（RRP）。

各数据项计算公式如下：

电压电流相关计算公式

U（A）=sqrt（∑m2/n），m为采样的电压或者电流值，n为采样值个数。

举例说明：假如采样数据为 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项电压或者电流同以上算法。

功率相关计算公式：

P（有功功率）=（∑U*I）/n（电压 * 电流之累加和除以计算的个数）

Q（无功功率）=电压*电流偏移四分之1的累加和除以计算的个数

如果计算出来的P和Q大于等于零，则表示是正向功率，否则就是反向功率。

假如采样数据为 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（视在A）=UA有效*IA有效

P（总）=P（A）+P（B）+P（C）

Q（总）=Q（A）+Q（B）+Q（C）

V（总）=V（A）+V（B）+V（C）

电能相关计算公式

正向有功总电能PAP=P*Δt。其中P为Δt时间内的平均正向有功功率（反向公式类似）。

正向无功总电能RAP=Q*Δt。其中Q为Δt时间内的平均正向无功功率（反向公式类似）。

采用平均功率乘以时间主要是为防止上传的数据发生丢包情况，提高计量的精度；或者防止多包发生的情况。

上述的PAP和RAP是一段时间内的电能量，在实际应用中，需要计算总累积电能量，也就是常用的电能表码（底度），也就是系统运行到当前时间的电能累积量。

在计算累积电量时，实际上需记录上次的累积量PAP（上）和累积时刻T（上），在每次接收到终端的瞬时电压、瞬时电流和相角后，先算出P（有功功率），然后再计算出有功总电能。

3.2 数据转发

转发客户端对网络计量设备的控制命令。

3.3 数据请求

响应客户端对计算数据的召测。

4 性能指标

4.1 可用性指标

①保证7×24小时不间断稳定运行；②服务器日常CPU平均负荷小于65%，忙时小于85%；③服务器日常内存平均使用率小于60%，最大并发时小于80%。

4.2 可靠性指标

①系统可用率不小于99.9%；②系统平均故障时间不超过10分钟。

4.3 响应实时性指标

系统在最大并发用户数条件下,满足以下响应实时性指标要求：①实时数据响应时间≤3秒；②90%页面切换响应时间≤3秒。

5 应用价值

目前，该系统已经在现场投入使用。总共接入有200块左右的测量仪，后台对每块进行计算电压、电流、电量等数据，并发送给测量仪进行显示。同时保存电量，为其它电力应用提供数据。该系统从总体上节省了大量的人力、物力。普通电表如果每块按300左右的价格计算的话，那么200块就需要6000块的成本；采用网络计量，硬件成本只有原来的三之一左右，只需要2000左右或者更少的成本，大大节省了预算开支。此外，网络计量无需人工抄表，数据全部自动上传到服务器上、保存，其它应用可以直接从服务器上获取相应数据，减少了人力成本。

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