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        電表開發新思維:智能電表與"儀器云"融合技術的應用
        發表日期:2018-02-11 12:53   文章編輯:Eastar    瀏覽次數:6357
         

        電表開發新思維:智能電表與"儀器云"融合技術的應用

         

        中國現代電網量測技術平臺

        張春暉

         

        2017525

         

        1,采用"儀器云"高精度計算的智能電表遠程在線檢測系統開發應用正當時!

         

        1)傳統的智能電表遠程在線檢測系統技術發展進程

         

        ?2002年,吉林省電科院發布:?多路三相電能表遠程微機檢測系統的開發?。

         

        ?隨后,2004年由華中電網技術中心,2005年由廈門航空公司,2007年由上海電力表計量測管理所,2007年由云南電力試驗研究院,2008年由原河南思達高科公司,2009年由華北電科院,華北電網公司,2010年由太原市優特奧科公司,2010年由鄭州三輝電氣公司,2014年由鄭州瑞能公司相繼發表傳統的智能電表遠程在線檢測系統技術研究論文或新產品信息。

         

        ?以上傳統的智能電表遠程在線檢測系統發展進程中,系統方案不斷改進,其共同特征:需要配備1只標準電能表及計算系統,復雜了互感器二次回路。由于投資較大,目前,只用于部分電網關口計量點,少量110kV及以上高壓變電站。同時,現在的智能電表遠程在線檢測技術,主要對安裝于現場的標準表與被檢智能電表的計量結果進行比對,而對標準計量裝置的送檢,維護又成為新問題,對電能計量自動化系統(或用電信息采集系統)的主站也未發揮其可集中實施數據分析,處理功能。

         

        2)本課題的由來

         

        20172月,由深圳供電局,清華大學學者發表:?基于"測量儀器云"的電子式電能表遠程在線檢測系統?提出:智能電表遠程在線檢測技術開發新思路:"儀器云"環境下,進行高精度的數據計算,處理,可以替代標準電能表及計算系統,大幅減少互感器二次回路改進工程量,降低系統成本,有利于系統推廣應用。該文還給出了用戶新配置的高速率數據采集終端實施方案。關于"儀器云",只作簡要介紹,未敘述新一代系統設計技術方案。

         

        之前,20148月,清華大學學者發表:?云計算環境下儀器虛擬化研究?提出:"儀器云"環境下,儀器虛擬化系統的物理架構及廣義的"儀器云"運作程序,未涉及智能電表遠程在線檢測系統具體案例。

         

        近期,國家電網報就"國網云"平臺上線運作作了一些省級電網業務系統遷移上云應用的報道。

         

        再看國網的需求:2010年至今,國網陸續安裝應用三相智能電表約3800萬只。從2018年起,這些量多面廣的電表進入運行周期為8年的定期輪換更新階段。為此,2017年初,國網下發?關于2017年計量工作的指導意見(國家電網營銷[2017]105號)?文首次提出:"全面推進智能電表狀態檢測與狀態更換工作","基礎計量工作:全面開展全事件采集工作,提高計量在線監測和智能診斷的準確性"。"狀態檢測方面:先是完成MDS系統和營銷業務系統的配套功能部署,再是按照先主站評價制定計劃,再開展現場檢測的原則,開展 I ,II , III 類用戶計量裝置的電能表狀態檢測"。

         

        可見,由于國網計量部門未推廣應用傳統的智能電表遠程在線檢測系統,三相智能電表的狀態檢測,只能依靠現場檢測,局部考核的方法??梢哉f,運行三相智能電表計量準確性的寬負荷范圍,24h持續考核是道技術難題。因此,研究符合國網:全面推行三相智能電表狀態檢測與狀態更換要求的新一代智能電表遠程在線檢測系統開發與應用正當時!

         

        3)本文作者經匯總以上新情況并將新一代系統具體化后,編寫出:?電表開發新思維:智能電表與"儀器云"融合技術的應用?。本文重點敘述采用"儀器云"高精度計算的智能電表遠程在線檢測系統開發項目,還討論智能電表與"儀器云"融合技術的拓展應用開發項目及市場前景評估,供參考。

         

        2,采用"儀器云"高精度計算的智能電表遠程在線檢測系統開發項目

         

        1)云計算環境下,儀器虛擬化技術

         

        本部分內容主要錄用于?云計算環境下儀器虛擬化技術研究?:

         

        "儀器的虛擬化技術是實現儀器程序控制和遠方測量的基礎"。"很多原來由硬件設備完成的儀器功能,都可通過軟件算法來完成,從而使儀器的開發和使用成本大為降低"。

         

        云計算功能中有一項基礎設施即服務(IAAS)模式:

         

        "IAAS模式的基本思想是將CPU,內存,存儲設備,網絡設備等IT 基本硬件資源通過虛擬機管理程序(VMH)進行虛擬化,然后按需分配給運行于上層的虛擬機(VM)。對用戶來說,每個虛擬機(VM)實例就相當于1臺帶網絡功能的自定義計算機或服務器"。

         

        "目前,云計算中應用最廣泛的是硬件級虛擬化技術,因為這種技術的效率最高"。

        "硬件級虛擬化技術中,虛擬機與物理硬件具有相同的指令集合,虛擬機的絕大多數指令可以直接在硬件上執行"。

         

        "儀器虛擬化新模式,將遠程儀器模擬成云平臺本地的硬件設備直接接入到虛擬機管理程序(VMH)中,告知VMH有儀器接入云中,而不提供任何與儀器操作相關的具體信息或功能"。

         

        IAAS模式下的遠程測量方式:

         

        儀器----(總線連接)----儀器提供者----(網絡連接)----儀器虛擬化:CPU/內存/硬盤----虛擬機管理程序(VMH----虛擬機(VM:與儀器虛擬化及其CPU/內存/硬盤一一對接,操作系統,測量程序。

         

        2)采用"儀器云"高精度計算的智能電表遠程在線檢測系統設計綱要

         

        本部分內容主要參照?基于"測量儀器云"的電子式電能表遠程在線檢測系統?,?云計算環境下儀器虛擬化研究?,并結合本文作者實際計量工作經驗編寫而成。

         

        一是,新一代系統架構,包括:

         

        ?用戶(YH:安裝有被檢電能表,新配置的高速率數據采集終端。

         

        新配置的數據采集終端:4000Hz的采樣頻率采集現場的電壓,電流數據。"該數據采集終端由高精度數據采集單元,電表通信模塊,4G無線通信模塊以及中央控制單元4部分組成"。其中,中央控制單元"在操控過程中,最重要的是應確保上傳至"儀器云"的采樣數據與被檢智能電表的電能計量脈沖之間的時間要嚴格一致。這樣,才能保證智能電表遠程在線檢測的精確度。中央控制單元可采用精密時鐘協議IEEE1588,來對數據采用終端與被檢智能電表進行時間同步"。

         

        數據采集終端的開發:為降低成本,可將電能計量自動化系統(或用電信息采集系統)中的負荷控制終端加以適當改造而獲得數據采集功能。如現場條件不具備,也可以單獨設計成產品來應用。

         

        ?電能計量自動化系統(或用電信息采集系統)主站(ZZ

         

        ?儀器所有者(IS:本地儀器(或本地工作計算機)的所有者

         

        ?儀器代理(IA:部署于本地儀器的上位機(或本地工作計算機)中,或通過專門的硬件設備實現。IA的基本功能是將本地儀器(或本地工作計算機)的接入信息通過網絡推送到"儀器云"的儀器資源管理系統(IRM)上。同時,附加一些輔助信息,以便用戶(YH)或儀器所有者(IS)對本地儀器(或本地工作計算機)進行識別等。

        IA將接入的本地儀器(或本地工作計算機)遠程虛擬成資源節點。這些資源節點的狀態信息被保存于"儀器云"的存儲控制器(IM)上。

         

        ?"儀器云"平臺,主要有:

         

        ---- 儀器資源管理系統(IRM:受理由儀器代理(IA)推送的本地儀器(或本地工作計算機)的接入信息

         

        ---- 云控制器(CC:其用戶接口提供由用戶來查詢和調用已授權的儀器資源

         

        ---- 存儲控制器(IM ):提供儀器資源在云中的注冊和管理功能

         

        ---- 集群控制  器(CLC:內有節點控制器(NC

         

        ---- 節點控制器(NC:內有虛擬機,包括應用程序---操作系統--- 儀器驅動

         

        ?新一代系統架構內的通信方式

         

        ---- 儀器資源管理系統(IRM,云控制器(CC,存儲控制器(IM:

         

        通過4G無線公網或電力專網接入:儀器代理(IA,用戶(YH,儀器所有者(IS,電能計量自動化系統(或用電信息采集系統)主站(ZZ

         

        通過共用的私有網絡接入:集群控制器(CLC

         

        ---- 集群控制器(CLC:通過專用的私有網絡接入節點控制器(NC),其內有虛擬機(VM

         

        ---- 節點控制器(NC:與儀器代理(IA)進行虛擬連接。

         

        二是,新一代系統的運作要求與程序

         

        ?系統運作前的準備

         

        電能計量自動化系統(或用電信息采集系統)主站(ZZ:

         

        按用戶被檢智能電表的現場檢測要求,需向儀器代理(IA)提供的被檢智能電表的參數,各類計算方法,檢測結果的處理要求,保證檢測正確性措施等。對向云控制器(CC)申請需用已授權的本地儀器(或本地工作計算機)的技術條件。

         

        ?對用戶(YH)的要求:

         

        系統主站(ZZ)發出檢測命令后,首先進行被檢智能電表與新配置的數據采集終端之間的計量時間同步。隨后,將數據采集終端采集的現場電壓,電流數據,被檢智能電表的電能計量輸出信息,通過4G無線公網或電力專網上傳到ZZ申請需用的儀器代理(IA),進行數據/信息計算,處理。還需向ZZ發送遠程在線檢測的啟,止時間。

         

        ?新一代系統運作程序

         

        ----系統主站(ZZ"可通過云控制器(CC

        提供的用戶接口來查詢和調用已授權的本地儀器(或本地工作計算機)資源。當ZZ需要使用某一授權的本地儀器(或本地工作計算機)時,即可向CC提交申請"

         

        ---- "然后,由CC向存儲控制器(IM)發送資源調用命令。此時,IM就可以將儀器資源節點的接入信息通過集群控制器(CLC)推送到ZZ申請需用的虛擬機所在節點上。最終,包含虛擬管理程序(VMH)的節點控制器(NC)將與本地儀器(或本地工作計算器)建立一個虛擬連接,并向其上用戶運行的虛擬機(VM)發出硬件接入通知。隨即,VM上就會顯示‘發現新硬件‘的信息,并提示安裝驅動程序"。

         

        ---- 系統主站(ZZ)將系統運作前準備的各項要求,發送給ZZ申請需用并已確認的本地儀器(或本地工作計算機)節點的虛擬機上。該節點虛擬機按ZZ提供的各項要求,操作對用戶被檢智能電表的檢測程序,并將檢測結果發送回ZZ。

         

        ---- ZZ"使用完本地儀器(或本地工作計算機)后,該儀器資源可被IM回收。若該儀器資源為共享資源,那么其它用戶可繼續申請該儀器資源。所有的儀器資源調度和管理功能都在IM中實現"

          

        三是,"儀器云"平臺的搭建

         

        先敘述"國網云":

         

        ?2017427日,"國網云"正式發布,一體化"國網云"平臺同時上線。

         

        "國網云"包括企業管理云,公共服務云和生產控制云。其中,公共服務云是覆蓋外網區域的資源及服務,支撐電力營銷,客戶服務,電子商務等業務。

        "國網云"部署于國網的三地集中式數據中心及27家省級公司的數據中心。2016年,國網在其總部,北京,冀北,天津,上海,浙江,江蘇,福建,黑龍江,陜西電力等單位組織啟動了企業管理云和公共服務云的試點建設,部署云平臺組件,實現同期線損等12類應用遷移上云。

         

        ?參考:"國網云"上云案例

         

        冀北電力:營銷稽查系統遷移上云

         

        "國網云"操作系統可以根據營銷稽查系統需求,自動匹配和選擇最合適的資源。冀北電力通過云操作系統"應用管理"模塊,進行營銷稽查系統一鍵部署。幾秒鐘就可以完成5個應用實例的部署,并把實例平均分布在3臺物理主機上。云操作系統還支持資源的狀態轉化,即物理機轉變為虛擬機。

         

        再討論"儀器云"平臺搭建的技術路線:

         

        鑒于"國網云"具有明顯的優勢:強大的并行,分布式,跨域計算能力,根據遷移上云業務系統需求,自動匹配和選擇最合適的資源,云操作系統支持資源由物理機轉變為虛擬機。同時,用電信息采集系統和用戶可以方便地上云。因此,本文作者建議:"儀器云"平臺的搭建優先選用"國網云"作為依托,進行新一代系統部署。為此:

         

        ?先要編制適應國網"公共服務云"要求,經規范后的采用"儀器云"高精度計算的智能電表遠程在線檢測系統的操作和應用軟件系統。

         

        ?經與有意向的省級電網數據中心協議:新一代系統的操作與應用軟件系統,通過省級電網的"國網云"組件,在國網"公共服務云"操作系統中,開發相應的模塊,進行采用"儀器云"高精度計算的智能電表遠程在線檢測系統的部署。

         

        ?新一代系統:應與

        有意向的省級電網數據中心合作試點后推廣應用。

         

        說明:"儀器云"平臺的搭建,采用與云計算服務供應商合作開發模式,待考證后再討論。

         

        3)采用"儀器云"高精度計算的智能電表遠程在線檢測系統計量溯源的討論

         

        JJG 1001的規定:校準,在規定條件下,為確定計量器具示值誤差的一組操作。

         

        ?采用"儀器云"高精度計算給出的三相有功功率值,在用戶被檢智能電表的現場環境下,可以用高準確度的三相標準電表來進行現場校準測試。以0.2S級被檢智能電表為例,由"器云"計算出的三相有功功率的計量誤差,應不大于0.05%。在現場,可采用的三相標準表準確度宜為0.01級,或0.02級,實際計量誤差不大于0.012%。

         

        ?采用"儀器云"計算出的三相有功功率,在現場進行校準測試,目前還沒有相應的計量校準規范。

         

        作為第一步,建議先通過制定地方[計量器具]檢定規程的渠道,經協商:由省級計量院為主,合作制定:采用"儀器云"高精度計算出的三相有功功率數據的計量校準規范。再報經省級計量行政部門批準發布在本地區施行,作為檢定依據的法定技術文件。

         

        有關新一代系統計量溯源的后續工作,視本課題進行情況再討論。

         

        4)采用"儀器云"高精度計算的智能電表遠程在線檢測系統的應用前景

         

        ?國網,110kV及以上高壓變電站估計有近10000個站。近5年來,采用傳統的智能電表遠程在線檢測系統約400個站,占總量的4%。每個站按投資30萬元計算,國網合計投資1.2億元。

         

        ?采用"儀器云"高精度計算的智能電表遠程在線檢測系統,前面已經提到:由于不需要標準表及計算系統,互感器二次回路改進工程量小,投資大幅下降,可以普及應用,適應全面推進三相智能電表狀態檢測與狀態更換工作的新需求。按60%110kV及以上高壓變電站,每個站投資10萬元計算,國網共需投資6億元。

         

        ?再說,新一代系統可以擴大應用到月用電量為100kWh及以上或變壓器容量為2000kVA及以上的大工業戶。這些用戶約占國網擁有大工業戶的10%,5萬戶。每戶投資控制在1萬元,國網需投資5億元。

         

        3,智能電表與"儀器云"融合技術的拓展應用開發項目

         

        智能電表與"儀器云"融合技術優先選用"國網云"作為依托,在用電信息采集系統主站高級應用軟件支持下,可能開發出電網計量,控制,補償系列新產品,具有廣闊的應用前景。

         

        1)具有狀態檢測功能的三相智能電表。主要是將現有三相智能電表,經過技術改進,輸出高速率的現場電壓,電流采樣數據,通過4G無線公網或電力專網,發送到"儀器云",在用電信息采集系統主站支持下,由"儀器云"高精度計算出三相有功功率,實現對這些運行三相智能電表進行24h的狀態檢測,無需再定期安排現場檢測工作。

         

        國網,推廣應用具有狀態檢測功能的三相智能電表:現有大工業戶48萬戶,每只新型0.2S級表計按3000元計算,國網需投資14億元。非普工業戶中用電容量最大的約10%,即128萬戶,每只新型0.5S級表計按2000元計算,國網需投資25億元。兩項合計投資39億元。

         

        2)諧波源用戶:安裝具有非正弦波全功率(有功功率,無功功率,畸變功率,視在功率)計算功能的高端三相智能電表

         

        該新型高端三相智能電表的非正弦波全功率計算功能,由該表計輸出高速率的現場電壓,電流數據,由用電信息采集系統主站提供非正弦波全功率計算軟件,最終,由"儀器云"實現高精度的非正弦波全功率的計算,并將計算結果發送回該高端表計,進行數據保存和相應的處理。

         

        據某省級電力計量中心對60個大工業戶諧波源進行現場測試的結果:電壓諧波含有率基本都在5%以內,60%的大工業戶電流諧波嚴重超標。

         

        具有非正弦波全功率計算功能的高端三相智能電表的主要用途:由非正弦波畸變功率引起的大工業戶低功率因數測試,由非正弦波引起用電能耗增長率評估,為電價行政部門制定控制電網諧波污染的經濟制裁措施,提供現場計量數據。

         

        推廣應用方面,國網擁有大工業戶的20%,即10萬戶,安裝具有非正弦波全功率計算功能的高端三相智能電表,每只表計按4000元計算,國網(或大工業戶)需投資4億元。

         

        3)國網的高壓變電站,公變臺區(約400萬個站),專變用戶(約150萬戶)隨著智能配電網建設的推進,需要安裝應用較多的電能質量監測,智能控制與補償設備,無功平衡監測與智能補償裝置,三相負荷平衡監測與智能補償措施等,都可以在現有現場專用/綜合終端基礎上進行技術改進,或配置新的數據采終端,輸出高速率的現場電壓,電流采樣數據,在用電信息采集系統主站相關軟件系統支持下,由"儀器云"高精度計算并將計算結果發送回相應的終端,來實現以上各項配用電業務工程。


                                        聲明


        本文為張春暉先生原創內容,歡迎原文轉發,如需轉載請在文章開頭注明作者姓名并注明“本文轉載于中國現代電網量測技術微信公眾平臺,電網量測技術微信公眾號為dianwangliangce”字樣

        標簽:張春暉  電表  現在電網      
        轉自:
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