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　　[摘  要]本文分析了電力負荷管理系統中數據采集的特點及對前置系統的要求。指出了傳統的前置系統的運行方式雖然實現起來簡單，但存在著可靠性不高；端口輪詢時間較長，資源得不到充分利用，實時性不能保證；可擴充性，可維護性不好等缺點，無法滿足電力負荷管理系統的需要，也不能適應電力系統自動化發展的要求。同時，提出了一種新型前置系統的設計模式。這種新型前置系統取消了主備機的概念，幾臺前置機并行處理數據，切換方式細化到端口，根據機器性能動態調整各前置機的工作量，實現真正意義上的負載均衡。不僅能滿足負荷管理系統的可靠性，可維護性，可擴充性以及實時性要求，也能克服原前置系統的不足，很好的應用于其它自動化系統中，為實現電力自動化系統一體化奠定了良好的基礎。
　　[關鍵詞] 負荷管理系統；前置系統；負載均衡；端口切換；一體化

 

1  引言

　　前置系統是電力負荷管理系統的前端，是連接采集終端與主站服務器的紐帶，擔任著上傳下達的重要角色，主要負責整個系統所需數據的采集工作。由于負荷管理系統直接管理著用戶動力且具有終端數量多，分布廣，數據類型多樣， 終端數量增長快等特點，所以對前置數據采集系統可靠性，可維護性，可擴充性提出很高的要求。

　　電力負荷管理主要是面向用戶側的管理，而電力用戶又具有種類、數量繁多，地域分散的特點，這就決定了電力負荷管理系統數據采集具有以下特點：

　　(1) 系統需要采集的終端數量非常大。目前，一般大型城市500KVA以上的大用戶就有千戶以上，中小型城市也有500戶左右，如果考慮到100KVA以上的用戶及其自然增長,公用配變臺區的接入,躉售縣的接管,以及一個用戶存在多回路，多變壓器，多表計量的情況,即使作為中小型規模的城市,未來5年內系統需要接入的終端數量都會超過5000臺的水平。

　　(2) 采集器安裝的地理位置復雜。系統終端自然分布在城市的每個角落,安裝點位置有室內(地下室、配電房)、室外、電線桿上、變壓器旁等，同時包括溫度、濕度、電氣干擾等環境影響也各不相同,這都給系統的數據采集帶來了很大的影響。

　　(3) 系統需采集的數據類型多樣。一般按數據性質分有電量(含分時,有無功,個別存在正反向、凍結值)、瞬時值(電流、電壓、功率、功率因數等)、統計量(電壓合格率、不平衡率等)、報警事件等,按采集周期和應用需要有小時數據(甚至更小間隔數據)、日數據和月數據。

　　(4) 盡管每個終端的數據采集量不多,但作為整個系統卻需要在1~2小時內對所有采集終端完成一次輪詢，為在高峰時間實時監測負荷變化情況,還需要15分鐘進行1次全系統的功率總加,對系統的實時性提出了很高的要求。

　　電力負荷管理系統將管轄范圍內的各電力用戶的實時用電信息,全面、準確、可靠地通過遠動設備采集,經電力系統專用通道傳遞至管理主站系統。管理主站系統對采集來的實時信息進行加工處理,為電網調度人員提供各種功能和應用同時為電力用戶提供用電信息，進行用電指導。前置機系統是主站系統的重要子系統,是各廠(站)遠動信息進入主站系統的把門關,或者說是用戶負荷實時信息進入主站系統的咽喉,也是信息交換的瓶頸。為此,前置機系統的功能與作用至關重要。若這一功能失效,或運行不穩定、不可靠,整個系統就會成為無源之水。所以對前置系統提出了以下要求：

　　(1) 可靠性。整個系統要考慮冗余配置，不論是傳輸通道，還是通信接收設備以及前置機均要考慮預留一定的資源做為備用，當某些設備故障時保證數據的可靠傳輸。 同時還要實時監視設備運行狀況及時發現故障所在，并實現自動/手動無縫切換，防止數據丟失。

　　(2) 可擴充性。當前，電力用戶的增長速度之快給負荷管理系統的擴充性提出的更高的要求。除了在硬件配置安裝時要考慮一定的擴充能力，在軟件設計時更要考慮實現采集設備的靈活添加，保證當輪詢的終端設備增多時數據采集的速度和質量。

　　(3) 可維護性。系統要能實時監控各設備，各通道的運行狀況并能顯示出來供維護人員參考。能自動的對設備性能進行比較選擇最佳負載分配方案，保證設備資源的充分利用，選擇性能最優通道進行數據的傳輸。能實現設備的手動切換

　　(4) 實時性。負荷管理系統雖然對數據的即時性并沒有很高的要求，但由于其終端數量多，由于資源的限制，其輪詢所有終端所需時間就相對較長，這樣就很難滿足實際需要。隨著用戶數量的不斷增長，傳統的主備運行方式無法滿足要求，必須采用一種新的運行模式將任務分散到幾臺前置機去共同完成。

　　為了提高數據通信的可靠性,傳統上，采用雙前置機互為備用,采取整機切換方式。在正常情況下,所有來自RTU的信息都經值班前置機處理后發送至后臺,當值班前置機發生故障后,備用機就自動轉入值班狀態。對于雙前置機、雙通道系統其傳統運行切換方式有以下三種。

　　方式一：主備運行方式硬交叉。

　　系統運行正常時值班機A接收主通道a1上行報文，同時轉發來自主站服務器的下行報文，備機B接收備通道a2上行報文，截斷下行報文的傳輸。當通道a1故障時，值班主機控制通道切換裝置動作，備通道a2成為主通道與值班機通信，備機B與通道a1 連接，接收通道a1傳輸報文（a1成為備通道）。當值班機A故障時， B機自舉成為值班主機，控制通道切換裝置動作，B機與主通道a2通信，進行上下行報文的傳輸，A機成為備機只接收備通道a1上行報文，截斷下行報文的傳輸。（切換示意圖如圖1所示）

圖1  主備運行硬交叉示意圖

 

　　這種切換方式的優點是前置機處理的數據量相對較少。始終保持值班機接主通道，備機接備用通道，連接方式清晰，可以同時對兩個通道的運行狀況進行監視。缺點是切換過程較繁鎖。

　　方式二：主備運行方式硬切換

　　系統運行正常時值班機A和備機B均接收主通道a1上行報文，同時值班機A通過主通道a1轉發來自主站服務器的下行報文。當通道a1故障時，切換裝置動作，備通道a2成為主通道與兩臺前置機通信，此時主備前置機均接收主通道a2上行報文。當值班機A故障時，B機自舉成為值班主機，與主通道a2通信。A機成為備機只接收主通道a2上行報文，截斷下行報文的傳輸（切換示意圖如圖2所示）。

　　這種切換方式的優點是前置機處理的數據量相對較少，資源耗費較少，切換過程簡單，易于實現。缺點是前置機只接收一個通道的上傳數據，若通道故障時，會導致部分報文丟失。

 

圖2 主備運行硬切換示意圖

 

　　方式三：主備運行軟切換

　　系統運行正常時值班機A及備機B均接收主通道a1及備用通道a2的上行報文，值班機A同時通過主通道a1轉發來自主站服務器的下行報文，備機B不進行下行報文的轉發。當通道a1故障時，備通道a2成為主通道，值班機A通過通道a2進行上下行報文的傳輸。當值班機A故障時，B機自舉成為值班主機，通過主通道a2進行上下行報文的傳輸，A機成為備機只接收主備通道的上行報文，截斷下行報文的傳輸。（切換示意圖如圖3所示）

 

圖3 主備運行軟切換示意圖

　　這種切換方式的優點是主前置機同時接收主備通道的上行報文，可同時監視兩個通道的運行性能，切換方法簡單，易于實現。缺點是各前置機要同時處理各通道的傳輸數據，資源消耗較大。

以上三種前置系統運行方式均為主備運行方式是較傳統的運行切換方式，由于其控制過程簡單、明了,易于實現，所以至今在許多自動化系統中仍在采用，但這種運行方式也存在著諸多缺點：

　　a雖然有兩臺前置機，但只有值班主機在真正工作，備用機的資源沒有很好的利用，造成資源浪費。

　　b對于終端數量多的系統（如：負荷管理系統），主機輪詢所有端口的時間會很長，很難滿足系統實時性要求。

　　c當前置機上有某些端口發生故障時，相應的報文就會丟失。

　　d當遠動廠站增加數量較大時，只能依靠增加串口數量來進行擴充，不能通過靈活地增加前置機數量來達到擴充要求，擴充能力受到極大限制。

　　新型前置系統不再單一地將各種設備劃分為主用和備用，設備的數量也不局限為兩臺，可以任意擴展為多臺。運行切換模式不是簡單地在主備間切換，而是細化到端口切換。這種運行模式能克服以往數據采集系統的缺陷，讓每一個設備都發揮作用并且被監視，系統冗余配置的雙機或多機(雙設備或多設備)，稱為A，B，C……機（或A，B，C……設備）。
　　數據采集系統前置機為雙機或多機配置（視終端數量而定）。無論遠動終端的傳輸方式是單通道或多通道都將其均衡地與各前置機相連，同時每臺前置機預留一定數量的端口做為備用。在系統運行過程中，與RTU的主通道相連的前置機(下稱RTU值班前置機)控制其主備通道的切換,由前置系統駐留在后臺機上的監視進程控制前置機端口的切換。系統示意圖如下：

　　當各設備均工作正常時，各前置機將其運行性能（如：CPU占用率，內存占用率等）送往后臺機監視進程,監視進程比較各前置機性能狀況進行合理的端口切換，使各前置機的性能均衡，實現負載的動態分配，達到真正意義上的負載均衡。某一RTU的值班前置機統計通道的誤碼率和投退狀態選擇較好的通道作為傳輸主通道其它通道作為備用通道。當RTU的值班機和RTU通信故障時，系統將自動進行通道切換或前置機值班端口的切換。當某一前置機發生故障時，此前置機上所有的值班端口都被切換到其它正常的前置機上。

新型的前置采集系統具備以下優點：

　　a實時監視設備及通道性能，動態切換端口及通道，實現真正意義上的負載均衡。

　　b取消主備概念，所有設備均參與運行，充分利用資源，提高了運行效率，很好地滿足了實時性要求。值班方式細化到端口，使系統運行更靈活。

　　c不再局限于雙機運行方式，隨著終端數量增多，系統可“積木式”添加前置機數量， 打破傳統模式的擴充限制。

　　d系統運行靈活，不僅能應用于負荷管理系統（LMS），同時也能滿足數據采集監控系統（SCADA）、電能量管理系統（EMS）、電能計量系統（TMR）、集控系統的需求，滿足系統一體化要求。

　　新型的數據采集系統模式具有更加靈活，合理的運行切換方式，不僅滿足了負荷管理系統可靠性、可維護性、可擴充性要求，同時也提高了系統的實時性。從長遠考慮，它為實現電力自動化系統一體化奠定了良好的基礎。