蘇志揚
The RTU in Electric Energy Telemetering System
SU Zhi-yang
（Siemens Telemetering Co., Ltd., Zhuhai 519015, China）
Abstract：It describes the reasons why the electric energy telemetering system (TMS) separates out from energy management system (EMS), the requests of TMS for electric energy meter between RTU mode and direct mode are different,and the methods by which meters connect to RTU are different. It specifically explains the construction of a typical RTU, its principle and functions. The development tendency of electric energy telemetering system is presented.
Keywords：telemetering system; integrating period; load profile; billing data
摘 要：闡述電能計費系統(tǒng)(TMS)從能量管理系統(tǒng)(EMS)中分離出來的原因，在計費系統(tǒng)中采用RTU方式和直接采表方式對電能表計的要求不同，不同電能表接入RTU的方式不同。著重介紹了典型RTU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能和原理。并展望了計費系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：計費系統(tǒng)； 積分周期； 負(fù)荷曲線； 賬單數(shù)據(jù)
分類號：TM 764 文獻標(biāo)識碼：B
文章編號：1006-6047(2000)01-0054-03
0 引言
在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)中，除了遙測、遙信、遙控、遙調(diào)外，受電網(wǎng)商業(yè)化運行進程的影響，幾乎所有的RTU都有電度量脈沖輸入板，用于采送關(guān)口結(jié)算點的電度量。由于電子式電能表的進步，電表內(nèi)許多有用的數(shù)據(jù)和信息已不能通過幾個簡單的脈沖口來傳遞，新型RTU上又增加用MO-BUS規(guī)約來采集電能表的更多信息。因為SCADA系統(tǒng)的目標(biāo)取向主要考慮電網(wǎng)的安全監(jiān)視和經(jīng)濟調(diào)度，對于電能結(jié)算，并沒有周密細(xì)致的考慮和專門獨到的設(shè)計。比較一致的認(rèn)識是：SCADA系統(tǒng)的電度量數(shù)據(jù)，作為電網(wǎng)調(diào)度的參考可以，而作為結(jié)算的依據(jù)則遠遠缺乏應(yīng)有的嚴(yán)謹(jǐn)性。因此，電能計費系統(tǒng)(TMS—TELEMETERING SYSTEM) 必然地從SCADA系統(tǒng)中分離出來。
1 使用RTU的優(yōu)點
這里說的RTU是指TMS系統(tǒng) 中的RTU。如果電子式電能表具有串行通信接口，原理上廠站端可以不通過RTU而直接采集電能表。用RTU集中電能表的數(shù)據(jù)具有下列優(yōu)點。
a. 目前廠站端的電能表還不完全是具有串行通信接口的電子式電能表。針對這種情況，RTU可設(shè)計成適合于一切電能表計的接入，只要表計具有一個簡單的脈沖輸出接口，即便是機械表計也沒有問題。
b. 用戶對計費系統(tǒng)的要求，已經(jīng)不僅僅是多費率電能結(jié)算，還必須兼有考核和分析功能。因此光采集賬單數(shù)據(jù)(BILLING DATA)是不夠的，必須把每個測點的每個量的完整的負(fù)荷曲線(LOAD PROFILE)采集上來。在主站這邊進行任意時間段的費率組合。如果不用RTU而用直接采集的方式，所有表計必須帶負(fù)荷曲線功能；同時，如果由于不同原因要修改積分周期、費率時段等參數(shù)，主站必須對每塊表有參數(shù)下載(DOWN LOAD)功能，否則只能由專業(yè)人員到現(xiàn)場將表逐塊改過來。利用RTU可對一切不具有負(fù)荷曲線的表計通過采集制造出負(fù)荷曲線來，并可同時保存幾種積分周期的負(fù)荷曲線，存于不同的緩沖區(qū)中。
c. 對于廠站端的許多復(fù)雜情況，比如說表計型號不同，物理串口和通信規(guī)約不同，安裝點彼此相距甚遠等等，有一個集中的單一的數(shù)據(jù)源會很方便，而RTU能做到這一點。通過面板顯示，可以直接在RTU上讀到所有數(shù)據(jù)，監(jiān)視系統(tǒng)工況。另外RTU還可接受多個主站的訪問。
2 RTU和電能表
最早用來遠傳電能值的是裝有脈沖接口的機械表。由于機械表固有的特性，精度不可能做得很高。又由于機械運轉(zhuǎn)部件的磨損，使用年限也很有限，而且須周期性地到現(xiàn)場校驗其精度。
電子式電能表徹底地摒棄了FERRARIS(費拉里斯)原理，全部由電子元件構(gòu)成靜態(tài)測量機制，如使用HALL元件的DFS方式，用開關(guān)原理的PCM方式，以及直接用CPU控制的A/D轉(zhuǎn)換方式。除測量模塊外，還有一個功能完全獨立的費率模塊，電子表的許多智能化的功能都是由這個模塊實現(xiàn)的，比如賬單數(shù)據(jù)，是在內(nèi)部時鐘的控制下，由用戶自己定義不同的費率時段，實現(xiàn)峰平谷分開計量；再一個是負(fù)荷曲線功能，用戶定義一個積分周期，表計就會按這個積分周期(比如15 min)分段記下完整的負(fù)荷點數(shù)據(jù)，供進一步數(shù)據(jù)處理之用。早期的電子表，僅有脈沖輸出接口，隨著計算機技術(shù)的進步，逐步加進串行通信接口，但一般仍保留脈沖接口，以適應(yīng)不同的用戶環(huán)境。
對于RTU來說，它要盡可能適應(yīng)各種不同表計的要求，因此設(shè)計了脈沖輸入模塊和串行通信模塊。脈沖是一個物理信號，基本特征十分簡單，因而普適性好，絕大部分表計都可直接接入，與表計的具體功能和型號沒有太多的聯(lián)系。唯一需要知道的一個參數(shù)就是所謂的脈沖當(dāng)量R，即每個脈沖代表多少瓦時(Wh)。串行通信則完全是一個計算機通信的概念，必然涉及到規(guī)約(PROTOCOL)問題，不同公司的表計，會有不同的規(guī)約，因而RTU的串行通信模塊，必須能更換不同的通信規(guī)約軟件，才能與不同公司的表計通信。另外，表計型號是千差萬別的，顯然，設(shè)計一種各類表計都能滿足的最低要求的采集方式是合理的。比如，有些表計有負(fù)荷曲線，有些則沒有，那么就應(yīng)該不管什么表計，通過采集來產(chǎn)生負(fù)荷曲線。這樣，不管表計是否帶有負(fù)荷曲線，RTU總能得到負(fù)荷曲線。由RTU產(chǎn)生負(fù)荷曲線可以免去與電能表對時。如果由RTU直接去讀電能表(指有負(fù)荷曲線的電能表)內(nèi)的負(fù)荷曲線，RTU就必須與電能表有同步時鐘，因為讀來的負(fù)荷曲線是帶時標(biāo)的，這個時標(biāo)是電能表本身賦予的。
在主站直接采集電能表方式下，由于主站不可能對每塊表在很短的周期內(nèi)(比如1 min)去連續(xù)地讀表來形成負(fù)荷曲線，只能直接去取電表內(nèi)已形成的負(fù)荷曲線，這樣，起碼滿足兩個條件：一是電能表帶負(fù)荷曲線；二是主站經(jīng)常同步表計的時鐘。
3 RTU種種
目前市場上各種類型TMS系統(tǒng)中的RTU，由于客戶的不同需要導(dǎo)致了這些產(chǎn)品的出現(xiàn)，它與電能表的分界線，有時候不太容易區(qū)分。
最早的RTU，僅能接受幾路脈沖信號，在RTU內(nèi)存成負(fù)荷曲線，再通過內(nèi)置MODEM被主站取走。象這樣的一點功能，現(xiàn)在已經(jīng)被包含在表計本身的功能里面。比如蘭吉爾的Z.C.表，澳大利亞的EDMI表，除了自己本身從測量單元得到負(fù)荷曲線以外，還可帶2～4路外部脈沖，即所謂子母表方式。EDMI還可以在一塊母表上通過光纖通信連接幾十塊子表，主站則通過母表建立與任一子表的通信鏈路，采集各子母表的數(shù)據(jù)。另一些RTU則直接讀取表計的負(fù)荷曲線和賬單數(shù)據(jù)，并周期性地更新，等待主站來訪問。顯然，這種方式一定要有從主站一直到表計的對時手段。
然而最典型的RTU，還是上面提到的，通過串口讀取表底或通過脈沖輸入形成負(fù)荷曲線的RTU，這類RTU不僅有很廣的適應(yīng)面，而且便于維護和實現(xiàn)當(dāng)?shù)毓δ堋］斎肽K可以靈活配置，結(jié)構(gòu)可大可小，適合于發(fā)電廠和大型變電站。
4 典型RTU結(jié)構(gòu)
目前國內(nèi)使用最多的，也是普適性較好的，可接入的數(shù)據(jù)量最多的RTU是蘭吉爾公司的FAG這類RTU。它是一個多CPU結(jié)構(gòu)，內(nèi)部數(shù)據(jù)流程大體如圖1所示。
圖1 內(nèi)部數(shù)據(jù)流程圖
以下簡述其各種功能。
4.1 數(shù)據(jù)采集
對于脈沖輸入信號，RTU每100 ms就去查詢一次脈沖輸入口，如果已經(jīng)定義了1，2，3級運算，則脈沖先進入運算模塊處理，其結(jié)果送入當(dāng)前分鐘寄存器累加。當(dāng)寄存器每秒鐘累加一次，到滿60 s時，當(dāng)前分鐘寄存器值送到上一分鐘寄存器，當(dāng)前寄存器清零，開始接受下一分鐘脈沖輸入。
若要采用串行通信方式采集具有串行通信接口的表計時，RTU每分鐘凍結(jié)并讀取表計一次，存入上一分鐘寄存器后，在RTU內(nèi)減去上一次讀來的表底，形成的差值就是所要的這一分鐘的負(fù)荷值。如果已經(jīng)定義了4，5級運算，則這一分鐘值就被送入4，5級運算模塊進行處理，其結(jié)果再送當(dāng)前積分周期寄存器。
4.2 運算功能
這里是指不同輸入量之間的運算，對單個輸入量進行倍比關(guān)系的運算稱為匹配。比如，對一個量乘以一個分?jǐn)?shù)形式的因子。由于實際采集是上百個量同時并行進行的，因而同時采入的某些量之間的關(guān)系，可以通過運算來求得。比如，雙回線輸電時，可能需要知道二回線合起來的電能值，就可以借助運算中的匯總功能實現(xiàn)。又如想簡單了解一下全廠所有發(fā)電機的總發(fā)電量，可將所有發(fā)電機的有功或無功加在一起等等。
運算功能大致包括：
a. 匯總(多個量的累加)；
b. 加減乘除運算；
c. 視在電能運算；
d. 四象限無功運算。
4.3 積分操作
同脈沖值進入當(dāng)前分鐘寄存器進行累加相類似，積分操作就是將每分鐘的值不斷地累計入當(dāng)前積分周期寄存器，最多可定義3個積分周期。比如60 min，15 min和5 min。當(dāng)分鐘值累加入積分周期寄存器時，不同周期的寄存器進行累加操作的次數(shù)是不同的。比如60 min周期要累加60次才形成一個數(shù)據(jù)，5 min周期則累加5次形成一個數(shù)據(jù)。當(dāng)積分周期結(jié)束時，當(dāng)前積分周期寄存器的值就被移入上一積分周期寄存器，當(dāng)前寄存器清零，開始下一周期的操作。如果積分周期是1 min，則由于不再需要累積操作，上一分鐘值就被直接移入上一積分周期寄存器。
4.4 存儲和通信
來自上一積分周期寄存器的電能量，不斷地進入RTU的通信緩沖區(qū)。通信緩沖區(qū)存放所有的輸入量和中間運算結(jié)果。同一變量的數(shù)據(jù)并不覆蓋，而是逐時往后放，不丟失一個數(shù)據(jù)。一直等到足夠長的時間，數(shù)據(jù)把所有內(nèi)存全占了以后，才按照先進先出的原則，最老的數(shù)據(jù)被新來者不斷地擠出去。只要在這段時期主站已經(jīng)來訪問過，就不會有丟失數(shù)據(jù)的危險。存儲周期的長短，與輸入量個數(shù)，積分周期長度，積分周期數(shù)(最多3個)，以及內(nèi)存容量形成一個函數(shù)關(guān)系。輸入量越多，積分周期越短，存儲的天數(shù)就越少。
可以開辟4個通信緩沖區(qū)，以備不同的主站訪問。RTU最多可分別被4個主站訪問，每個主站可以訪問相同的通信緩沖區(qū)，也可以訪問不同的通信緩沖區(qū)。如果要實現(xiàn)本地功能，實際上就是用一套小型的主站軟件來訪問某一個緩沖區(qū)而已，應(yīng)用起來十分方便。
由于TMS系統(tǒng)本質(zhì)上是一個及時系統(tǒng)而非實時系統(tǒng)，一般情況下，并不需要用專線通信來頻繁地訪問，只要在一個用戶認(rèn)為合適的周期內(nèi)進行周期性訪問即可。比如一天訪問一次，一星期訪問一次，或者一個月訪問一次，可用自動進程模塊實現(xiàn)自動的周期性訪問。
5 趨勢
TMS中RTU當(dāng)初的設(shè)計，是考慮在電度表從機械表向電子表過渡的整個過程，都要能夠最大限度地接納所有的表計。然而隨著電子表的普及和電子表性能的日益提高，用戶已經(jīng)不再滿足于幾條負(fù)荷曲線的簡單信息，他們還要知道表計在現(xiàn)場的工況等電能數(shù)據(jù)以外的信息，這些信息通常包含在賬單數(shù)據(jù)(BILLING DATA)的幀格式中。這樣，同時要求在主站得到負(fù)荷曲線和賬單數(shù)據(jù)的呼聲在增高，因而在將來，計費系統(tǒng)的模式會分為兩大趨勢：一種仍然可適應(yīng)四世同堂表計局面的RTU方式；另一種則是建立在表計全部電子化的基礎(chǔ)上。這時的RTU不需要自己去完成電能采集的任務(wù)，它只是或者簡單地把電能表所有的數(shù)據(jù)放入自己的內(nèi)存，等待主站訪問；或者僅僅在通信的級別上把各個電能表介紹給主站，讓主站直接訪問電能表。
作者簡介：蘇志揚(1956-)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和電能計費系統(tǒng)的研究。
作者單位：蘇志揚（西門子表計有限公司，廣東 珠海 519015）
參考文獻：
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