[摘  要]本文分析了电力负荷管理系统中数据采集的特点及对前置系统的要求。指出了传统的前置系统的运行方式虽然实现起来简单，但存在着可靠性不高；端口轮询时间较长，资源得不到充分利用，实时性不能保证；可扩充性，可维护性不好等缺点，无法满足电力负荷管理系统的需要，也不能适应电力系统自动化发展的要求。同时，提出了一种新型前置系统的设计模式。这种新型前置系统取消了主备机的概念，几台前置机并行处理数据，切换方式细化到端口，根据机器性能动态调整各前置机的工作量，实现真正意义上的负载均衡。不仅能满足负荷管理系统的可靠性，可维护性，可扩充性以及实时性要求，也能克服原前置系统的不足，很好的应用于其它自动化系统中，为实现电力自动化系统一体化奠定了良好的基础。
　　[关键词] 负荷管理系统；前置系统；负载均衡；端口切换；一体化

 

1  引言

　　前置系统是电力负荷管理系统的前端，是连接采集终端与主站服务器的纽带，担任着上传下达的重要角色，主要负责整个系统所需数据的采集工作。由于负荷管理系统直接管理着用户动力且具有终端数量多，分布广，数据类型多样， 终端数量增长快等特点，所以对前置数据采集系统可靠性，可维护性，可扩充性提出很高的要求。

　　电力负荷管理主要是面向用户侧的管理，而电力用户又具有种类、数量繁多，地域分散的特点，这就决定了电力负荷管理系统数据采集具有以下特点：

　　(1) 系统需要采集的终端数量非常大。目前，一般大型城市500KVA以上的大用户就有千户以上，中小型城市也有500户左右，如果考虑到100KVA以上的用户及其自然增长,公用配变台区的接入,趸售县的接管,以及一个用户存在多回路，多变压器，多表计量的情况,即使作为中小型规模的城市,未来5年内系统需要接入的终端数量都会超过5000台的水平。

　　(2) 采集器安装的地理位置复杂。系统终端自然分布在城市的每个角落,安装点位置有室内(地下室、配电房)、室外、电线杆上、变压器旁等，同时包括温度、湿度、电气干扰等环境影响也各不相同,这都给系统的数据采集带来了很大的影响。

　　(3) 系统需采集的数据类型多样。一般按数据性质分有电量(含分时,有无功,个别存在正反向、冻结值)、瞬时值(电流、电压、功率、功率因数等)、统计量(电压合格率、不平衡率等)、报警事件等,按采集周期和应用需要有小时数据(甚至更小间隔数据)、日数据和月数据。

　　(4) 尽管每个终端的数据采集量不多,但作为整个系统却需要在1~2小时内对所有采集终端完成一次轮询，为在高峰时间实时监测负荷变化情况,还需要15分钟进行1次全系统的功率总加,对系统的实时性提出了很高的要求。

　　电力负荷管理系统将管辖范围内的各电力用户的实时用电信息,全面、准确、可靠地通过远动设备采集,经电力系统专用通道传递至管理主站系统。管理主站系统对采集来的实时信息进行加工处理,为电网调度人员提供各种功能和应用同时为电力用户提供用电信息，进行用电指导。前置机系统是主站系统的重要子系统,是各厂(站)远动信息进入主站系统的把门关,或者说是用户负荷实时信息进入主站系统的咽喉,也是信息交换的瓶颈。为此,前置机系统的功能与作用至关重要。若这一功能失效,或运行不稳定、不可靠,整个系统就会成为无源之水。所以对前置系统提出了以下要求：

　　(1) 可靠性。整个系统要考虑冗余配置，不论是传输通道，还是通信接收设备以及前置机均要考虑预留一定的资源做为备用，当某些设备故障时保证数据的可靠传输。 同时还要实时监视设备运行状况及时发现故障所在，并实现自动/手动无缝切换，防止数据丢失。

　　(2) 可扩充性。当前，电力用户的增长速度之快给负荷管理系统的扩充性提出的更高的要求。除了在硬件配置安装时要考虑一定的扩充能力，在软件设计时更要考虑实现采集设备的灵活添加，保证当轮询的终端设备增多时数据采集的速度和质量。

　　(3) 可维护性。系统要能实时监控各设备，各通道的运行状况并能显示出来供维护人员参考。能自动的对设备性能进行比较选择最佳负载分配方案，保证设备资源的充分利用，选择性能最优通道进行数据的传输。能实现设备的手动切换

　　(4) 实时性。负荷管理系统虽然对数据的即时性并没有很高的要求，但由于其终端数量多，由于资源的限制，其轮询所有终端所需时间就相对较长，这样就很难满足实际需要。随着用户数量的不断增长，传统的主备运行方式无法满足要求，必须采用一种新的运行模式将任务分散到几台前置机去共同完成。

　　为了提高数据通信的可靠性,传统上，采用双前置机互为备用,采取整机切换方式。在正常情况下,所有来自RTU的信息都经值班前置机处理后发送至后台,当值班前置机发生故障后,备用机就自动转入值班状态。对于双前置机、双通道系统其传统运行切换方式有以下三种。

　　方式一：主备运行方式硬交叉。

　　系统运行正常时值班机A接收主通道a1上行报文，同时转发来自主站服务器的下行报文，备机B接收备通道a2上行报文，截断下行报文的传输。当通道a1故障时，值班主机控制通道切换装置动作，备通道a2成为主通道与值班机通信，备机B与通道a1 连接，接收通道a1传输报文（a1成为备通道）。当值班机A故障时， B机自举成为值班主机，控制通道切换装置动作，B机与主通道a2通信，进行上下行报文的传输，A机成为备机只接收备通道a1上行报文，截断下行报文的传输。（切换示意图如图1所示）

图1  主备运行硬交叉示意图

 

　　这种切换方式的优点是前置机处理的数据量相对较少。始终保持值班机接主通道，备机接备用通道，连接方式清晰，可以同时对两个通道的运行状况进行监视。缺点是切换过程较繁锁。

　　方式二：主备运行方式硬切换

　　系统运行正常时值班机A和备机B均接收主通道a1上行报文，同时值班机A通过主通道a1转发来自主站服务器的下行报文。当通道a1故障时，切换装置动作，备通道a2成为主通道与两台前置机通信，此时主备前置机均接收主通道a2上行报文。当值班机A故障时，B机自举成为值班主机，与主通道a2通信。A机成为备机只接收主通道a2上行报文，截断下行报文的传输（切换示意图如图2所示）。

　　这种切换方式的优点是前置机处理的数据量相对较少，资源耗费较少，切换过程简单，易于实现。缺点是前置机只接收一个通道的上传数据，若通道故障时，会导致部分报文丢失。

 

图2 主备运行硬切换示意图

 

　　方式三：主备运行软切换

　　系统运行正常时值班机A及备机B均接收主通道a1及备用通道a2的上行报文，值班机A同时通过主通道a1转发来自主站服务器的下行报文，备机B不进行下行报文的转发。当通道a1故障时，备通道a2成为主通道，值班机A通过通道a2进行上下行报文的传输。当值班机A故障时，B机自举成为值班主机，通过主通道a2进行上下行报文的传输，A机成为备机只接收主备通道的上行报文，截断下行报文的传输。（切换示意图如图3所示）

 

图3 主备运行软切换示意图

　　这种切换方式的优点是主前置机同时接收主备通道的上行报文，可同时监视两个通道的运行性能，切换方法简单，易于实现。缺点是各前置机要同时处理各通道的传输数据，资源消耗较大。

以上三种前置系统运行方式均为主备运行方式是较传统的运行切换方式，由于其控制过程简单、明了,易于实现，所以至今在许多自动化系统中仍在采用，但这种运行方式也存在着诸多缺点：

　　a虽然有两台前置机，但只有值班主机在真正工作，备用机的资源没有很好的利用，造成资源浪费。

　　b对于终端数量多的系统（如：负荷管理系统），主机轮询所有端口的时间会很长，很难满足系统实时性要求。

　　c当前置机上有某些端口发生故障时，相应的报文就会丢失。

　　d当远动厂站增加数量较大时，只能依靠增加串口数量来进行扩充，不能通过灵活地增加前置机数量来达到扩充要求，扩充能力受到极大限制。

　　新型前置系统不再单一地将各种设备划分为主用和备用，设备的数量也不局限为两台，可以任意扩展为多台。运行切换模式不是简单地在主备间切换，而是细化到端口切换。这种运行模式能克服以往数据采集系统的缺陷，让每一个设备都发挥作用并且被监视，系统冗余配置的双机或多机(双设备或多设备)，称为A，B，C……机（或A，B，C……设备）。
　　数据采集系统前置机为双机或多机配置（视终端数量而定）。无论远动终端的传输方式是单通道或多通道都将其均衡地与各前置机相连，同时每台前置机预留一定数量的端口做为备用。在系统运行过程中，与RTU的主通道相连的前置机(下称RTU值班前置机)控制其主备通道的切换,由前置系统驻留在后台机上的监视进程控制前置机端口的切换。系统示意图如下：

　　当各设备均工作正常时，各前置机将其运行性能（如：CPU占用率，内存占用率等）送往后台机监视进程,监视进程比较各前置机性能状况进行合理的端口切换，使各前置机的性能均衡，实现负载的动态分配，达到真正意义上的负载均衡。某一RTU的值班前置机统计通道的误码率和投退状态选择较好的通道作为传输主通道其它通道作为备用通道。当RTU的值班机和RTU通信故障时，系统将自动进行通道切换或前置机值班端口的切换。当某一前置机发生故障时，此前置机上所有的值班端口都被切换到其它正常的前置机上。

新型的前置采集系统具备以下优点：

　　a实时监视设备及通道性能，动态切换端口及通道，实现真正意义上的负载均衡。

　　b取消主备概念，所有设备均参与运行，充分利用资源，提高了运行效率，很好地满足了实时性要求。值班方式细化到端口，使系统运行更灵活。

　　c不再局限于双机运行方式，随着终端数量增多，系统可“积木式”添加前置机数量， 打破传统模式的扩充限制。

　　d系统运行灵活，不仅能应用于负荷管理系统（LMS），同时也能满足数据采集监控系统（SCADA）、电能量管理系统（EMS）、电能计量系统（TMR）、集控系统的需求，满足系统一体化要求。

　　新型的数据采集系统模式具有更加灵活，合理的运行切换方式，不仅满足了负荷管理系统可靠性、可维护性、可扩充性要求，同时也提高了系统的实时性。从长远考虑，它为实现电力自动化系统一体化奠定了良好的基础。