蘇志揚(yáng)
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(jì)費(fèi)系統(tǒng)(TMS)從能量管理系統(tǒng)(EMS)中分離出來的原因，在計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中采用RTU方式和直接采表方式對(duì)電能表計(jì)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(jì)費(fèi)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：計(jì)費(fèi)系統(tǒng)； 積分周期； 負(fù)荷曲線； 賬單數(shù)據(jù)
分類號(hào)：TM 764 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
文章編號(hào)：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(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)外，受電網(wǎng)商業(yè)化運(yùn)行進(jìn)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(diǎn)的電度量。由于電子式電能表的進(jìn)步，電表內(nèi)許多有用的數(shù)據(jù)和信息已不能通過幾個(gè)簡(jiǎn)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?yàn)镾CADA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(jì)調(diào)度，對(duì)于電能結(jié)算，并沒有周密細(xì)致的考慮和專門獨(dú)到的設(shè)計(jì)。比較一致的認(rèn)識(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)缺乏應(yīng)有的嚴(yán)謹(jǐn)性。因此，電能計(jì)費(fèi)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(diǎn)
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(diǎn)。
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(duì)這種情況，RTU可設(shè)計(jì)成適合于一切電能表計(jì)的接入，只要表計(jì)具有一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖輸出接口，即便是機(jī)械表計(jì)也沒有問題。
b. 用戶對(duì)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的要求，已經(jīng)不僅僅是多費(fèi)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(gè)測(cè)點(diǎn)的每個(gè)量的完整的負(fù)荷曲線(LOAD PROFILE)采集上來。在主站這邊進(jìn)行任意時(shí)間段的費(fèi)率組合。如果不用RTU而用直接采集的方式，所有表計(jì)必須帶負(fù)荷曲線功能；同時(shí)，如果由于不同原因要修改積分周期、費(fèi)率時(shí)段等參數(shù)，主站必須對(duì)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(chǎng)將表逐塊改過來。利用RTU可對(duì)一切不具有負(fù)荷曲線的表計(jì)通過采集制造出負(fù)荷曲線來，并可同時(shí)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(duì)于廠站端的許多復(fù)雜情況，比如說表計(jì)型號(hào)不同，物理串口和通信規(guī)約不同，安裝點(diǎn)彼此相距甚遠(yuǎn)等等，有一個(gè)集中的單一的數(shù)據(jù)源會(huì)很方便，而RTU能做到這一點(diǎn)。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(gè)主站的訪問。
2 RTU和電能表
最早用來遠(yuǎn)傳電能值的是裝有脈沖接口的機(jī)械表。由于機(jī)械表固有的特性，精度不可能做得很高。又由于機(jī)械運(yùn)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(chǎng)校驗(yàn)其精度。
電子式電能表徹底地摒棄了FERRARIS(費(fèi)拉里斯)原理，全部由電子元件構(gòu)成靜態(tài)測(cè)量機(jī)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(cè)量模塊外，還有一個(gè)功能完全獨(dú)立的費(fèi)率模塊，電子表的許多智能化的功能都是由這個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的，比如賬單數(shù)據(jù)，是在內(nèi)部時(shí)鐘的控制下，由用戶自己定義不同的費(fèi)率時(shí)段，實(shí)現(xiàn)峰平谷分開計(jì)量；再一個(gè)是負(fù)荷曲線功能，用戶定義一個(gè)積分周期，表計(jì)就會(huì)按這個(gè)積分周期(比如15 min)分段記下完整的負(fù)荷點(diǎn)數(shù)據(jù)，供進(jìn)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(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，逐步加進(jìn)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(duì)于RTU來說，它要盡可能適應(yīng)各種不同表計(jì)的要求，因此設(shè)計(jì)了脈沖輸入模塊和串行通信模塊。脈沖是一個(gè)物理信號(hào)，基本特征十分簡(jiǎn)單，因而普適性好，絕大部分表計(jì)都可直接接入，與表計(jì)的具體功能和型號(hào)沒有太多的聯(lián)系。唯一需要知道的一個(gè)參數(shù)就是所謂的脈沖當(dāng)量R，即每個(gè)脈沖代表多少瓦時(shí)(Wh)。串行通信則完全是一個(gè)計(jì)算機(jī)通信的概念，必然涉及到規(guī)約(PROTOCOL)問題，不同公司的表計(jì)，會(huì)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(jì)通信。另外，表計(jì)型號(hào)是千差萬別的，顯然，設(shè)計(jì)一種各類表計(jì)都能滿足的最低要求的采集方式是合理的。比如，有些表計(jì)有負(fù)荷曲線，有些則沒有，那么就應(yīng)該不管什么表計(jì)，通過采集來產(chǎn)生負(fù)荷曲線。這樣，不管表計(jì)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(duì)時(shí)。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(shí)鐘，因?yàn)樽x來的負(fù)荷曲線是帶時(shí)標(biāo)的，這個(gè)時(shí)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(duì)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(gè)條件：一是電能表帶負(fù)荷曲線；二是主站經(jīng)常同步表計(jì)的時(shí)鐘。
3 RTU種種
目前市場(chǎng)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(shí)候不太容易區(qū)分。
最早的RTU，僅能接受幾路脈沖信號(hào)，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(diǎn)功能，現(xiàn)在已經(jīng)被包含在表計(jì)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(cè)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(jì)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(jì)的對(duì)時(shí)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(hù)和實(shí)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(guó)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(gè)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(jiǎn)述其各種功能。
4.1 數(shù)據(jù)采集
對(duì)于脈沖輸入信號(hào)，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(jí)運(yùn)算，則脈沖先進(jìn)入運(yùn)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(shí)，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(jì)時(shí)，RTU每分鐘凍結(jié)并讀取表計(jì)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(jí)運(yùn)算，則這一分鐘值就被送入4，5級(jí)運(yùn)算模塊進(jìn)行處理，其結(jié)果再送當(dāng)前積分周期寄存器。
4.2 運(yùn)算功能
這里是指不同輸入量之間的運(yùn)算，對(duì)單個(gè)輸入量進(jìn)行倍比關(guān)系的運(yùn)算稱為匹配。比如，對(duì)一個(gè)量乘以一個(gè)分?jǐn)?shù)形式的因子。由于實(shí)際采集是上百個(gè)量同時(shí)并行進(jìn)行的，因而同時(shí)采入的某些量之間的關(guān)系，可以通過運(yùn)算來求得。比如，雙回線輸電時(shí)，可能需要知道二回線合起來的電能值，就可以借助運(yùn)算中的匯總功能實(shí)現(xiàn)。又如想簡(jiǎn)單了解一下全廠所有發(fā)電機(jī)的總發(fā)電量，可將所有發(fā)電機(jī)的有功或無功加在一起等等。
運(yùn)算功能大致包括：
a. 匯總(多個(gè)量的累加)；
b. 加減乘除運(yùn)算；
c. 視在電能運(yùn)算；
d. 四象限無功運(yùn)算。
4.3 積分操作
同脈沖值進(jìn)入當(dāng)前分鐘寄存器進(jìn)行累加相類似，積分操作就是將每分鐘的值不斷地累計(jì)入當(dāng)前積分周期寄存器，最多可定義3個(gè)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(shí)，不同周期的寄存器進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)，5 min周期則累加5次形成一個(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)積分周期結(jié)束時(shí)，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(chǔ)和通信
來自上一積分周期寄存器的電能量，不斷地進(jìn)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(yùn)算結(jié)果。同一變量的數(shù)據(jù)并不覆蓋，而是逐時(shí)往后放，不丟失一個(gè)數(shù)據(jù)。一直等到足夠長(zhǎng)的時(shí)間，數(shù)據(jù)把所有內(nèi)存全占了以后，才按照先進(jìn)先出的原則，最老的數(shù)據(jù)被新來者不斷地?cái)D出去。只要在這段時(shí)期主站已經(jīng)來訪問過，就不會(huì)有丟失數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)。存儲(chǔ)周期的長(zhǎng)短，與輸入量個(gè)數(shù)，積分周期長(zhǎng)度，積分周期數(shù)(最多3個(gè))，以及內(nèi)存容量形成一個(gè)函數(shù)關(guān)系。輸入量越多，積分周期越短，存儲(chǔ)的天數(shù)就越少。
可以開辟4個(gè)通信緩沖區(qū)，以備不同的主站訪問。RTU最多可分別被4個(gè)主站訪問，每個(gè)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(shí)現(xiàn)本地功能，實(shí)際上就是用一套小型的主站軟件來訪問某一個(gè)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(gè)及時(shí)系統(tǒng)而非實(shí)時(shí)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(gè)用戶認(rèn)為合適的周期內(nèi)進(jìn)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(gè)月訪問一次，可用自動(dòng)進(jìn)程模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的周期性訪問。
5 趨勢(shì)
TMS中RTU當(dāng)初的設(shè)計(jì)，是考慮在電度表從機(jī)械表向電子表過渡的整個(gè)過程，都要能夠最大限度地接納所有的表計(jì)。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(jiǎn)單信息，他們還要知道表計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(jì)費(fèi)系統(tǒng)的模式會(huì)分為兩大趨勢(shì)：一種仍然可適應(yīng)四世同堂表計(jì)局面的RTU方式；另一種則是建立在表計(jì)全部電子化的基礎(chǔ)上。這時(shí)的RTU不需要自己去完成電能采集的任務(wù)，它只是或者簡(jiǎn)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(jí)別上把各個(gè)電能表介紹給主站，讓主站直接訪問電能表。
作者簡(jiǎn)介：蘇志揚(yáng)(1956-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的研究。
作者單位：蘇志揚(yáng)（西門子表計(jì)有限公司，廣東 珠海 519015）
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