潘艷，趙鳳展，楊仁剛，朱坤

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京100083）

隨著技術(shù)的進(jìn)步、電力市場的開展以及當(dāng)代發(fā)輸配用一體化智能電網(wǎng)（Smart Grid）的研發(fā)和不斷更新?lián)Q代，由智能電表、采集、數(shù)據(jù)通信、處理和應(yīng)用等環(huán)節(jié)所組成的用電管理系統(tǒng)，在加強(qiáng)需方用電管理、支持供方市場營銷管理、節(jié)能降耗、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行等方面日益發(fā)揮作用[1-2]。農(nóng)村電網(wǎng)是國家電網(wǎng)的重要組成部分，如何把農(nóng)網(wǎng)建設(shè)成比較堅(jiān)強(qiáng)且智能化水平較高的供電網(wǎng)絡(luò)，更好地滿足社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)和新能源發(fā)展的需要，是一項(xiàng)艱巨而光榮的任務(wù)；加快建設(shè)以堅(jiān)強(qiáng)為基礎(chǔ)、智能為特征的新型農(nóng)網(wǎng)，是新時(shí)期農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)面臨的目標(biāo)和挑戰(zhàn)，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)與各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的必然要求[3]。本文以智能農(nóng)網(wǎng)臺(tái)區(qū)配變?yōu)榭己藛卧?，通過分析智能農(nóng)網(wǎng)信息化、智能化建設(shè)要求，設(shè)計(jì)了智能化村鎮(zhèn)戶用電管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)用電監(jiān)控、用電信息管理等功能以外，還具有雙向互動(dòng)服務(wù)、用戶多樣化服務(wù)等高級(jí)應(yīng)用功能，為智能農(nóng)網(wǎng)的建設(shè)提供了重要參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)物理架構(gòu)

智能化村鎮(zhèn)戶用電管理系統(tǒng)的物理架構(gòu)由三部分組成：數(shù)據(jù)采集層、通信層、主站層。系統(tǒng)物理架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層主要指集中器、無線通信轉(zhuǎn)換器、采集器、智能電表等現(xiàn)場電能信息采集和監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和主站下發(fā)命令的執(zhí)行，其功能包括三遙、數(shù)據(jù)采集、交流采樣等。通信層是聯(lián)結(jié)主站和電能信息采集設(shè)備的多種通信方式，包括光纖、有線電話、230 MHz、GPRS/CDMA等。公網(wǎng)通信通過部署防火墻和虛擬專網(wǎng)下的認(rèn)證機(jī)制，阻擋非法用戶的入侵。主站層是對電能信息進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、集中管理、對任務(wù)請求統(tǒng)一管理和調(diào)度的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由其實(shí)現(xiàn)命令下發(fā)、終端管理、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)維護(hù)等功能，關(guān)鍵設(shè)備采用冗余配置[5]。

圖1 系統(tǒng)物理架構(gòu)圖Fig.1 System physical architecture diagram

智能家居單元以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，將各種分布式能源、家用電器和家用數(shù)字信息設(shè)備等有機(jī)整合為一體，通過有線或無線的方式連接傳送到智能雙向計(jì)量電表，為用電管理提供數(shù)據(jù)來源。

智能雙向表計(jì)（智能電表）作為用戶自動(dòng)化智能終端，是用電管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對智能家居單元監(jiān)測和控制的核心儀表，是電網(wǎng)和客戶互聯(lián)的樞紐。它是一種可編程的電表，其基本功能除用于記錄電能量外，還可以實(shí)現(xiàn)以下功能：雙向通信；網(wǎng)絡(luò)預(yù)購電；分布式電源雙向供電模式下雙向獨(dú)立計(jì)量；動(dòng)態(tài)浮動(dòng)電價(jià)的快速響應(yīng)，快速切換，電價(jià)實(shí)時(shí)結(jié)算等功能；監(jiān)視電能質(zhì)量；通過智能插座實(shí)現(xiàn)對智能家電的控制；能根據(jù)需求側(cè)響應(yīng)要求來限制負(fù)荷。智能電表采集的主要數(shù)據(jù)類型有：

1）電能量數(shù)據(jù)。新能源總發(fā)電量、用戶新能源和電網(wǎng)用電量、用戶饋電電量、各智能電器用電量等。

2）交流模擬量。電壓、電流、有功功率、無功功率等。

3）工況數(shù)據(jù)。智能電器開關(guān)狀態(tài)、用電狀況信息，終端及計(jì)量設(shè)備工況信息。

4）事件記錄數(shù)據(jù)。電壓電流越上下限記錄、表計(jì)設(shè)備故障記錄、設(shè)備停電及來電時(shí)間記錄等。

1.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)采用J2EE架構(gòu)中的Struts架構(gòu)技術(shù)。Struts框架是Apache基金會(huì)Jakarta項(xiàng)目組的一個(gè)開源項(xiàng)目，它采用MVC三層模式，為Web應(yīng)用開發(fā)者提供很好的幫助。MVC三層結(jié)構(gòu)即邏輯算法模型層、控制層、基于Web瀏覽器的人機(jī)界面顯示層[6-7]。系統(tǒng)的軟件框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件框架圖Fig.2 System software framework map

模型層文件是除了控制層Action文件后其余的.java文件，項(xiàng)目的所有算法都在模型層文件中實(shí)現(xiàn)，模型層文件主要是由java語言的set、get方法構(gòu)成的，模型層從控制層中獲得調(diào)用方法的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算時(shí)首先要從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，然后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算求解，最后將計(jì)算結(jié)果再返回給控制層文件。

控制層文件是在Action文件中首先得到配置文件中表單的數(shù)據(jù)，并賦給變量，然后調(diào)用模型層文件中的方法，并將結(jié)果返回給配置文件，再由配置文件指定路徑返回給Web頁面。

視圖層文件是.jsp文件，該層的文件主要是供用戶選擇瀏覽以及返回結(jié)果的頁面。其中返回圖形結(jié)果的頁面可以互相調(diào)用，具有一定的共同性，其他頁面也可以互相借鑒。視圖層文件主要是應(yīng)用Dreamweaver 8編輯的，較為方便，并可以不斷完善，變化空間較大。

配置文件由web.xm l和struts-config.xml組成，用于配置Struts系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間的交互。

2 開發(fā)平臺(tái)搭建

系統(tǒng)硬件環(huán)境：前置采集服務(wù)器，Web服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，路由器，防火墻，通信設(shè)備等。

服務(wù)器軟件環(huán)境：Windows 2000以上操作系統(tǒng)，CPU主頻在1 GHz或以上，內(nèi)存為512 M或以上，并且硬盤有10 G以上可存儲(chǔ)空間，顯示器分辨率1 280×800。系統(tǒng)軟件平臺(tái)如下。

1） 框 架 ：Struts2。 2） 開發(fā)工具：Dreamweaver，MyEclipse8，SQLserver2008，eXtremeComponents。3）開發(fā)語言：java，js，html，xml，SQL。

4）數(shù)據(jù)庫：Microsoft SQL Server 2008。5）服務(wù)器：Tomcat 6.0。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

村鎮(zhèn)戶用電管理系統(tǒng)基于分布式的多層架構(gòu)技術(shù)，總體功能上分為3個(gè)部分：電網(wǎng)監(jiān)控、雙向互動(dòng)、用戶服務(wù)多樣化。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Functional structure of the system

3.1 電網(wǎng)監(jiān)控

系統(tǒng)對所管轄臺(tái)區(qū)用戶設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理，主要包括以下模塊：電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測，電量統(tǒng)計(jì)分析，負(fù)荷分析和預(yù)測，歷史數(shù)據(jù)曲線查詢，電網(wǎng)負(fù)荷控制，電能質(zhì)量監(jiān)測。

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測。自動(dòng)或定時(shí)采集各類型電力用戶的電力計(jì)量點(diǎn)的供電數(shù)據(jù)，將每個(gè)計(jì)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過實(shí)時(shí)曲線、報(bào)表、圖形等方式顯示在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上。電力部門可以直觀地查看每一個(gè)用戶的實(shí)時(shí)用電信息，并將這些數(shù)據(jù)傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，作為電量統(tǒng)計(jì)和電費(fèi)結(jié)算的依據(jù)。

2）用電信息管理。通過柱狀圖、餅狀圖、表格等形式，顯示智能用戶和普通居民用戶的用電信息。普通居民用戶管理可以查詢每個(gè)用戶的日、月、年用電量，智能用戶用電管理可以查詢用戶供用電及電能質(zhì)量狀況，為電網(wǎng)調(diào)度提供直觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。圖4為普通居民用戶用電量統(tǒng)計(jì)界面，圖5為智能用戶用電管理界面。

圖4 普通用戶用電量統(tǒng)計(jì)Fig.4 Electricity consumption statistics of ordinary users

圖5 智能用戶用電管理Fig.5 Power management of intelligent users

3）負(fù)荷分析和預(yù)測。綜合分析各類型用戶的日負(fù)荷曲線、分時(shí)電量及最高、最低負(fù)荷等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，作為電網(wǎng)調(diào)控的依據(jù)，同時(shí)根據(jù)用電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，制定電力供需平衡方案。

4）歷史數(shù)據(jù)查詢。對電壓、電流、功率等參量的日曲線、月曲線、年曲線統(tǒng)計(jì)，按月、年統(tǒng)計(jì)電壓電流極大值和極小值，為電力決策提供依據(jù)。

5）電網(wǎng)負(fù)荷控制。供電部門根據(jù)所采集的電力數(shù)據(jù)，結(jié)合有序用電方案，對所在臺(tái)區(qū)用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)用戶負(fù)荷超過限值時(shí)，以電話或者短信形式提醒用戶降低負(fù)荷運(yùn)行；若長時(shí)間處于超負(fù)荷狀態(tài)，則根據(jù)有序供電方案進(jìn)行負(fù)荷切除。

2.5 兩組產(chǎn)婦產(chǎn)后42 d母乳喂養(yǎng)率及產(chǎn)后并發(fā)癥發(fā)生率比較 觀察組母乳喂養(yǎng)率明顯高于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。觀察組產(chǎn)婦產(chǎn)后乳腺炎發(fā)生率明顯低于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。觀察組子宮收縮不良發(fā)生率也低于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。觀察組產(chǎn)婦子宮脫垂、尿失禁發(fā)生率比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表5。

6）電能質(zhì)量監(jiān)測。電壓合格率、功率因數(shù)合格率、供電可靠性、諧波的監(jiān)測分析。

3.2 雙向互動(dòng)服務(wù)

雙向互動(dòng)服務(wù)是指隨著現(xiàn)代化的信息技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,智能電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)之間能夠?qū)崿F(xiàn)電力流、信息流及業(yè)務(wù)流的雙向互動(dòng),使電力用戶享受到智能化、多樣化的優(yōu)質(zhì)服務(wù)；同時(shí)，又能夠提高供電部門對電力用戶的有效管理與控制能力,改善供電質(zhì)量與服務(wù)[8-10]。

1）信息互動(dòng)。①發(fā)布國家電網(wǎng)信息，了解國家電網(wǎng)動(dòng)態(tài)。②發(fā)布動(dòng)態(tài)電價(jià)和電力供需平衡信息，制定最經(jīng)濟(jì)性用電策略，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，引導(dǎo)用戶改變用能方式，減少電費(fèi)支出。③用戶通過web頁面接收電網(wǎng)發(fā)送的停電通知、欠費(fèi)信息和供需平衡信息、電壓合格率等電能質(zhì)量信息，享受到供電優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

2）分布式能源監(jiān)控。電力部門監(jiān)視用戶分布式能源負(fù)荷曲線、電能量曲線，對分布式能源各項(xiàng)發(fā)電指標(biāo)分時(shí)段和定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。實(shí)時(shí)監(jiān)測分布式發(fā)電的電能質(zhì)量，當(dāng)電能質(zhì)量未達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，發(fā)布治理方案，幫助用戶改善發(fā)電質(zhì)量。同時(shí)，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控分布式能源運(yùn)行狀況，并通過控制選擇供電電源，決定發(fā)電量流向，圖6所示智能用戶電源控制。

3）發(fā)電管理。供電部門根據(jù)發(fā)電預(yù)測制定發(fā)電計(jì)劃，召喚用戶接入或退出分布式電源，制定有客戶參與需方響應(yīng)的補(bǔ)償結(jié)算機(jī)制。系統(tǒng)設(shè)定饋電協(xié)議簽訂接口，用戶通過與供電部門簽訂協(xié)議實(shí)施饋電操作。

圖6 智能用戶電源控制Fig.6 Power control of intelligent users

5）家庭用電智能化管理。供電部門可以根據(jù)用戶的需求，結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷特性進(jìn)行分析，給用戶提供用電方案。用戶也可以根據(jù)需求自己對用電方案進(jìn)行修改，自動(dòng)下載至智能用電終端。圖7為智能家居控制頁面，將智能家居分為重要負(fù)荷和一般負(fù)荷兩類，根據(jù)家用電器的功率等參數(shù)，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出家用電器的最佳用電時(shí)段、經(jīng)濟(jì)用電方案。用戶根據(jù)家電的最佳用電時(shí)段和經(jīng)濟(jì)用電策略，選擇對家電的手動(dòng)操作控制或設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)用電的目的。

圖7 智能家居控制Fig.7 Smart household equipment control

3.3 用戶多樣化服務(wù)

智能化村鎮(zhèn)戶用電管理系統(tǒng)提供了三大平臺(tái)作為電力部門和用戶溝通的紐帶：客戶服務(wù)管理，客戶繳費(fèi)管理，95598客戶服務(wù)。只有當(dāng)最大限度滿足客戶需求，提高產(chǎn)品服務(wù)品質(zhì)和增加客戶滿意程度，企業(yè)才能增強(qiáng)核心競爭力，在激烈的市場競爭中具備競爭優(yōu)勢[11]。

1）客戶服務(wù)管理。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)受理、業(yè)務(wù)咨詢、資費(fèi)查詢、票據(jù)打印、故障報(bào)修、客戶意見、用電知識(shí)普及、欠費(fèi)催繳、市場調(diào)查、客戶回訪、信息發(fā)布等業(yè)務(wù)功能。并針對客戶服務(wù)中心的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，為電力客戶服務(wù)中心的管理工作提供支持和依據(jù)。

2）客戶繳費(fèi)管理。通過提供營業(yè)網(wǎng)點(diǎn)、電話、網(wǎng)上繳費(fèi)以及銀行和其他代收網(wǎng)點(diǎn)等客戶繳費(fèi)渠道，保證電費(fèi)繳費(fèi)信息的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，以達(dá)到方便客戶繳費(fèi)，減少欠費(fèi)余額，確保電費(fèi)資金安全的目的。同時(shí)提供水費(fèi)和燃?xì)赓M(fèi)的繳費(fèi)鏈接。

3）95598客戶服務(wù)。95598客戶服務(wù)平臺(tái)是電力部門對外服務(wù)的重要“窗口”，以營銷管理模塊、電能信息實(shí)時(shí)采集模塊，以及配網(wǎng)管理系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)等為依托，通過電話、傳真、因特網(wǎng)站、短信等手段，實(shí)現(xiàn)營業(yè)廳、電話、網(wǎng)站三維一體的客戶服務(wù)平臺(tái)。

3.4 系統(tǒng)維護(hù)

建立和維護(hù)系統(tǒng)相關(guān)信息，主要完成對部門信息、站線信息、臺(tái)區(qū)信息、用戶信息及權(quán)限的維護(hù)管理。

3.5 設(shè)備管理

對數(shù)據(jù)采集層的表計(jì)進(jìn)行管理，包括集中器、采集器和智能電表，可以增加、刪除、修改和查詢各表計(jì)的設(shè)備編號(hào)、安裝地址和日期、程序版本、生產(chǎn)廠家等信息。

4 總結(jié)

智能化村鎮(zhèn)戶用電管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電力銷售各個(gè)環(huán)節(jié)用電信息的監(jiān)測、監(jiān)控、集成和綜合應(yīng)用。關(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面：涵蓋了各種類型的智能化的終端設(shè)備監(jiān)測；實(shí)現(xiàn)了對所有客戶的用電信息采集、分布式能源的使用和管理，雙向互動(dòng)、用戶多樣化服務(wù)等高級(jí)應(yīng)用功能。該系統(tǒng)為用戶和電網(wǎng)企業(yè)架起了溝通的橋梁，將電力系統(tǒng)智能化發(fā)展又提高到一個(gè)新的階段。隨著國家電網(wǎng)智能化的發(fā)展，智能化村鎮(zhèn)戶用電管理系統(tǒng)還會(huì)不斷完善。將新技術(shù)、新思路融入到系統(tǒng)中，更加有效地為用戶和企業(yè)服務(wù)。

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