苏志扬

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：阐述电能计费系统(TMS)从能量管理系统(EMS)中分离出来的原因，在计费系统中采用RTU方式和直接采表方式对电能表计的要求不同，不同电能表接入RTU的方式不同。着重介绍了典型RTU的内部结构及其功能和原理。并展望了计费系统的发展趋势。
　　关键词：计费系统； 积分周期； 负荷曲线； 账单数据
　　分类号：TM 764　文献标识码：B
　　文章编号：1006-6047(2000)01-0054-03

0　引言

　　在电网监控系统(SCADA)中，除了遥测、遥信、遥控、遥调外，受电网商业化运行进程的影响，几乎所有的RTU都有电度量脉冲输入板，用于采送关口结算点的电度量。由于电子式电能表的进步，电表内许多有用的数据和信息已不能通过几个简单的脉冲口来传递，新型RTU上又增加用MO-BUS规约来采集电能表的更多信息。因为SCADA系统的目标取向主要考虑电网的安全监视和经济调度，对于电能结算，并没有周密细致的考虑和专门独到的设计。比较一致的认识是：SCADA系统的电度量数据，作为电网调度的参考可以，而作为结算的依据则远远缺乏应有的严谨性。因此，电能计费系统(TMS—TELEMETERING SYSTEM) 必然地从SCADA系统中分离出来。

1　使用RTU的优点

　　这里说的RTU是指TMS系统 中的RTU。如果电子式电能表具有串行通信接口，原理上厂站端可以不通过RTU而直接采集电能表。用RTU集中电能表的数据具有下列优点。
　　a. 目前厂站端的电能表还不完全是具有串行通信接口的电子式电能表。针对这种情况，RTU可设计成适合于一切电能表计的接入，只要表计具有一个简单的脉冲输出接口，即便是机械表计也没有问题。
　　b. 用户对计费系统的要求，已经不仅仅是多费率电能结算，还必须兼有考核和分析功能。因此光采集账单数据(BILLING DATA)是不够的，必须把每个测点的每个量的完整的负荷曲线(LOAD PROFILE)采集上来。在主站这边进行任意时间段的费率组合。如果不用RTU而用直接采集的方式，所有表计必须带负荷曲线功能；同时，如果由于不同原因要修改积分周期、费率时段等参数，主站必须对每块表有参数下载(DOWN LOAD)功能，否则只能由专业人员到现场将表逐块改过来。利用RTU可对一切不具有负荷曲线的表计通过采集制造出负荷曲线来，并可同时保存几种积分周期的负荷曲线，存于不同的缓冲区中。
　　c. 对于厂站端的许多复杂情况，比如说表计型号不同，物理串口和通信规约不同，安装点彼此相距甚远等等，有一个集中的单一的数据源会很方便，而RTU能做到这一点。通过面板显示，可以直接在RTU上读到所有数据，监视系统工况。另外RTU还可接受多个主站的访问。

2　RTU和电能表

　　最早用来远传电能值的是装有脉冲接口的机械表。由于机械表固有的特性，精度不可能做得很高。又由于机械运转部件的磨损，使用年限也很有限，而且须周期性地到现场校验其精度。
　　电子式电能表彻底地摒弃了FERRARIS(费拉里斯)原理，全部由电子元件构成静态测量机制，如使用HALL元件的DFS方式，用开关原理的PCM方式，以及直接用CPU控制的A/D转换方式。除测量模块外，还有一个功能完全独立的费率模块，电子表的许多智能化的功能都是由这个模块实现的，比如账单数据，是在内部时钟的控制下，由用户自己定义不同的费率时段，实现峰平谷分开计量；再一个是负荷曲线功能，用户定义一个积分周期，表计就会按这个积分周期(比如15 min)分段记下完整的负荷点数据，供进一步数据处理之用。早期的电子表，仅有脉冲输出接口，随着计算机技术的进步，逐步加进串行通信接口，但一般仍保留脉冲接口，以适应不同的用户环境。
　　对于RTU来说，它要尽可能适应各种不同表计的要求，因此设计了脉冲输入模块和串行通信模块。脉冲是一个物理信号，基本特征十分简单，因而普适性好，绝大部分表计都可直接接入，与表计的具体功能和型号没有太多的联系。唯一需要知道的一个参数就是所谓的脉冲当量R，即每个脉冲代表多少瓦时(Wh)。串行通信则完全是一个计算机通信的概念，必然涉及到规约(PROTOCOL)问题，不同公司的表计，会有不同的规约，因而RTU的串行通信模块，必须能更换不同的通信规约软件，才能与不同公司的表计通信。另外，表计型号是千差万别的，显然，设计一种各类表计都能满足的最低要求的采集方式是合理的。比如，有些表计有负荷曲线，有些则没有，那么就应该不管什么表计，通过采集来产生负荷曲线。这样，不管表计是否带有负荷曲线，RTU总能得到负荷曲线。由RTU产生负荷曲线可以免去与电能表对时。如果由RTU直接去读电能表(指有负荷曲线的电能表)内的负荷曲线，RTU就必须与电能表有同步时钟，因为读来的负荷曲线是带时标的，这个时标是电能表本身赋予的。
　　在主站直接采集电能表方式下，由于主站不可能对每块表在很短的周期内(比如1 min)去连续地读表来形成负荷曲线，只能直接去取电表内已形成的负荷曲线，这样，起码满足两个条件：一是电能表带负荷曲线；二是主站经常同步表计的时钟。

3　RTU种种

　　目前市场上各种类型TMS系统中的RTU，由于客户的不同需要导致了这些产品的出现，它与电能表的分界线，有时候不太容易区分。
　　 最早的RTU，仅能接受几路脉冲信号，在RTU内存成负荷曲线，再通过内置MODEM被主站取走。象这样的一点功能，现在已经被包含在表计本身的功能里面。比如兰吉尔的Z.C.表，澳大利亚的EDMI表，除了自己本身从测量单元得到负荷曲线以外，还可带2～4路外部脉冲，即所谓子母表方式。EDMI还可以在一块母表上通过光纤通信连接几十块子表，主站则通过母表建立与任一子表的通信链路，采集各子母表的数据。另一些RTU则直接读取表计的负荷曲线和账单数据，并周期性地更新，等待主站来访问。显然，这种方式一定要有从主站一直到表计的对时手段。
　　然而最典型的RTU，还是上面提到的，通过串口读取表底或通过脉冲输入形成负荷曲线的RTU，这类RTU不仅有很广的适应面，而且便于维护和实现当地功能。输入模块可以灵活配置，结构可大可小，适合于发电厂和大型变电站。

4　典型RTU结构

　　目前国内使用最多的，也是普适性较好的，可接入的数据量最多的RTU是兰吉尔公司的FAG这类RTU。它是一个多CPU结构，内部数据流程大体如图1所示。

图1　内部数据流程图

　　以下简述其各种功能。
4.1　数据采集
　　对于脉冲输入信号，RTU每100 ms就去查询一次脉冲输入口，如果已经定义了1，2，3级运算，则脉冲先进入运算模块处理，其结果送入当前分钟寄存器累加。当寄存器每秒钟累加一次，到满60 s时，当前分钟寄存器值送到上一分钟寄存器，当前寄存器清零，开始接受下一分钟脉冲输入。
　　若要采用串行通信方式采集具有串行通信接口的表计时，RTU每分钟冻结并读取表计一次，存入上一分钟寄存器后，在RTU内减去上一次读来的表底，形成的差值就是所要的这一分钟的负荷值。如果已经定义了4，5级运算，则这一分钟值就被送入4，5级运算模块进行处理，其结果再送当前积分周期寄存器。
4.2　运算功能
　　这里是指不同输入量之间的运算，对单个输入量进行倍比关系的运算称为匹配。比如，对一个量乘以一个分数形式的因子。由于实际采集是上百个量同时并行进行的，因而同时采入的某些量之间的关系，可以通过运算来求得。比如，双回线输电时，可能需要知道二回线合起来的电能值，就可以借助运算中的汇总功能实现。又如想简单了解一下全厂所有发电机的总发电量，可将所有发电机的有功或无功加在一起等等。
　　运算功能大致包括：
　　a. 汇总(多个量的累加)；
　　b. 加减乘除运算；
　　c. 视在电能运算；
　　d. 四象限无功运算。
4.3　积分操作
　　同脉冲值进入当前分钟寄存器进行累加相类似，积分操作就是将每分钟的值不断地累计入当前积分周期寄存器，最多可定义3个积分周期。比如60 min，15 min和5 min。当分钟值累加入积分周期寄存器时，不同周期的寄存器进行累加操作的次数是不同的。比如60 min周期要累加60次才形成一个数据，5 min周期则累加5次形成一个数据。当积分周期结束时，当前积分周期寄存器的值就被移入上一积分周期寄存器，当前寄存器清零，开始下一周期的操作。如果积分周期是1 min，则由于不再需要累积操作，上一分钟值就被直接移入上一积分周期寄存器。
4.4　存储和通信
　　来自上一积分周期寄存器的电能量，不断地进入RTU的通信缓冲区。通信缓冲区存放所有的输入量和中间运算结果。同一变量的数据并不覆盖，而是逐时往后放，不丢失一个数据。一直等到足够长的时间，数据把所有内存全占了以后，才按照先进先出的原则，最老的数据被新来者不断地挤出去。只要在这段时期主站已经来访问过，就不会有丢失数据的危险。存储周期的长短，与输入量个数，积分周期长度，积分周期数(最多3个)，以及内存容量形成一个函数关系。输入量越多，积分周期越短，存储的天数就越少。
　　可以开辟4个通信缓冲区，以备不同的主站访问。RTU最多可分别被4个主站访问，每个主站可以访问相同的通信缓冲区，也可以访问不同的通信缓冲区。如果要实现本地功能，实际上就是用一套小型的主站软件来访问某一个缓冲区而已，应用起来十分方便。
　　由于TMS系统本质上是一个及时系统而非实时系统，一般情况下，并不需要用专线通信来频繁地访问，只要在一个用户认为合适的周期内进行周期性访问即可。比如一天访问一次，一星期访问一次，或者一个月访问一次，可用自动进程模块实现自动的周期性访问。

5　趋势

　　TMS中RTU当初的设计，是考虑在电度表从机械表向电子表过渡的整个过程，都要能够最大限度地接纳所有的表计。然而随着电子表的普及和电子表性能的日益提高，用户已经不再满足于几条负荷曲线的简单信息，他们还要知道表计在现场的工况等电能数据以外的信息，这些信息通常包含在账单数据(BILLING DATA)的帧格式中。这样，同时要求在主站得到负荷曲线和账单数据的呼声在增高，因而在将来，计费系统的模式会分为两大趋势：一种仍然可适应四世同堂表计局面的RTU方式；另一种则是建立在表计全部电子化的基础上。这时的RTU不需要自己去完成电能采集的任务，它只是或者简单地把电能表所有的数据放入自己的内存，等待主站访问；或者仅仅在通信的级别上把各个电能表介绍给主站，让主站直接访问电能表。

　　作者简介：苏志扬(1956-)，男，高级工程师，主要从事电网监控系统和电能计费系统的研究。
　　作者单位：苏志扬（西门子表计有限公司，广东　珠海　519015）

参考文献：

　　［1］周耀义，鲍滨寿.低压电力用户远程自动抄表系统［J］.电力自动化设备，1999，19(2)：42～43
　　［2］王明俊.发展中的配电系统自动化［J］.电力自动化设备，1999，19(3)：1～4