电能计费系统概论

在“多家办电，国家管网”的总方针指导下，电力系统各方面发生了深刻的变化，供需矛盾明显缓和，多元化利益主体的局面已经形成。电力公司已经从行业管理部门变为一个真正的企业经营者。电厂已分解为所辖电厂和上网电厂：一种纯粹的经济合同关系。省电力公司最终将成为电网的经营者。

多家办电的政策，刺激了投资热情。电力系统由过去的缺电局面慢慢变成相对富余。电力调度由切负荷变为降低发电机出力或停机，为真正的电网调度、优质供电提供了可能性。

利益主体的多元化必然要求公开，公平，公正的电能计量原则。电能计量从来没有象今天这样斤斤计较，珠瑙必纠。先是提高PT和电能表的精度，其次是对自动计费系统从观望变成渴望，因为再高的电表精度也无法抵消人工抄表所带来的非同时性及其它人为因素所造成的误差。

电能的相对富余呼唤公正的市场原则，于是提出竞价上网、实时电价等标准极高的要求。但是，电力市场毕竟要从计划经济体制过渡过来，无法一步到位地运用市场原则。

国家管网，到目前为止省级电网基本上是国资。调度中心则是它的前台操作，故调度中心重新回到省电力公司的怀抱，成为它的一个职能机构仅是一个时日问题。公司制定政策，调度中心执行之。在多元利益主体面前，如何端平这碗水，也是对各电力公司建立市场机制信心的考验。

调度的权威性使电厂绝对不敢乱动，否则可能会收到一张措辞强硬的罚单。笔者曾多次在电厂的计算机屏上看到，一条绿色的实际负荷曲线如何紧贴着调度中心下达的红色计划曲线移动，须臾不敢擅离半步。

竞价上网必须以实时计费系统为技术支撑，原理完全正确。不过基于大电网的统计性，负荷的相对平稳变化以及电厂开停机的固有惰性，实际的电网平均电价也会是一条相对平稳的曲线。因而竞价上网的可能模式，是在经过一段规范准确的计费之后，电厂和电网双方都形成了自己的经验。在某个季节，峰谷平电价的时序都心中有数，从而在调度中心与电厂之间形成一种默契。在电厂看来，调度返回来的电价只是一种手续，实际上你不说我也知道是这个数(当然，紧急电价除外)。从而实时电价调度从整体上来说，不是依靠计费系统的实时信息，而主要依靠前一日负荷曲线。

一. 对电能计费系统的要求

电能计费系统(TMS---TeleMetering System)直接关系到供需双方的经济利益。电度值直接对应的是钱，因而已经引起供需双方的高度重视。正是这一点，决定了人们对TMS系统高标准的要求。

首先，数据必须准确，完整，不重复，不丢失，并且在确定的时间段内，这就要求有可靠的安全措施，准确的时钟，并且时钟必须全网统一。TMS以历史数据为处理对象，存储数据是它的重要概念。由于要带时标存储，各层次设备(TMS主站，RTU，表计)必须统一时钟，解决的办法是周期性对时，一系列对时措施的实施，就必须考虑对时(实际上就是要改变时钟)对数据的影响，以及表计停电，RTU停电，GPS 时钟失败可能带来的一系列问题。

把TMS系统与EMS(SCADA)系统作个比较，能够更具体地了解TMS系统的特点。下面是这方面简单的比较：

TMS与SCADA 比较

1.SCADA系统以实时数据为处理对象，TMS则以历史数据为处理对象，因而在系统的各个层次上，存贮是TMS的重要功能，而SCADA在厂站端(RTU中)一般不需要存储。

2.存储带来一系列的时钟问题，SCADA主站与RTU对时是为了统一SOE(Sequence Of Events)时间，其余实时数据时标是以主站采集时间为准，TMS则以RTU的时间为数据的时标。

3.SCADA的历史数据在主站形成，而TMS历史数据在表计和RTU中形成。

4.TMS系统由于存储，通讯分若干组完成，因而扫描周期较长。

5.SCADA是实时系统，TMS是及时系统，后者访问周期可以很长，比如一天一次，甚至一个月一次。

6.若不考虑SOE，SCADA系统可以不对时，但TMS系统必须对时。厂站RTU的时钟偏差会带来严重的后果，重新设定时间会清除数据，RTU时钟不正确会使主站对采来的数据构成错误的叠加(不是该时段的电能值加在了一起)。

7.SCADA系统主站采集RTU正如TMS系统中RTU采集表计，时标由采集命令的发出者决定。

图2.1是TMS和SCADA功能的比较示意：

图2.1 TMS和SCADA功能的比较

Fig2.1 A comparison of TMS and SCADA function

在TMS系统中, 某个时段内形成一个电能数据，这个时段被称为积分周期。对于带负荷曲线(load profile)的电能表，这一过程在表计内完成;对于用脉冲输出来计算电能的表计，这一过程是在RTU中完成的。积分周期的长短对费率分辨率和系统实时性产生影响，它是主站周期性扫描厂站的上限。假如积分周期为15分钟，则厂站端每15分钟形成一个数据。如果主站扫描周期短于15分钟，则采来的是同一个数据，这是没有意义的。如果定义主站扫描周期为60分钟，则在此期间厂站端已经形成了4个数据，每次能采到4个数据。至于主站扫描周期定多少合适，取决于电力系统对实时性的要求。本人建议：对网，省调系统，扫描周期以一小时为宜;对地区及负荷调配基本无关的系统，以一天为宜。以一小时到一天这样的周期，通讯才可以考虑用拨号方式，这将大大降低通讯的投资。短于1小时的扫描周期，就必须考虑用专线方式通讯。当然，由于电力系统通讯网自成体系，信道充足，利用起来并不觉得增加了投资，但增加了主站端通讯设备则是确凿的。由于现在考虑竞价上网，一些系统已经在以5分钟的扫描周期运行，以及时了解供需状况。不过因为几乎所有电力系统在TMS上马之前，早就有EMS系统运行多年，而且它确实是一个实时系统，何不从那里了解负荷动态呢?供需现状，从本质上讲是从功率的角度去看。而电能是功率在时间上的累积，本质上它是滞后的、历史的而非当前的。如果要用TMS去弥补EMS系统的不足，这从概念上就不对。应该倒过来，让EMS系统提供执行电能政策的辅助手段。

积分周期的长短还影响电能费率的分辨率，它也是这一分辨率的上限。仍以积分周期15分钟为例，当我们定义日费率时段时，相邻两时段的间隔，最小只能是15分钟，短于15分钟是分不开的。纵观国内对费率分辨率的要求，到目前为止还没有短于30分钟的。单就这一点看，积分周期定为30分钟也没有任何影响。

其实，积分周期的最大影响还是整个系统所处理的数据总量。15分钟对30分钟，无论厂站存储，通讯报文，主站存储，都增加一倍的数据量。我们不妨以15分钟的积分周期，来看看它对主站存储容量的要求。设硬盘至少需要保存一年的数据。

如果积分周期为15分钟.

每小时形成4个数据，每天形成4*24=96个数据.

每年则形成96*365=35040个数据.

若全系统有500个测点，不考虑主/校表设计，每个点以正、反向有功、无功采集。即每块表产生正向有功，正向无功，反向有功，反向无功4个量。这样全系统有2000个量。

全年产生总数据个数=35040*2000=70,080,000个.

因为每个数据要带年，月，日，时，分，秒标记，还要带数据状态位，设备状态位等，光这些数据本身就需以64个字节(bytes)来表示。实际存入数据库时，要考虑到方便操作、查询、识别、提取等，其存储位将占到128个字节。

1M存储空间=1024K=1,048,576 bytes

全年总字节数=70,080,000*128=8,970,240,000 bytes

全年需盘存储空间=8,970,240,000/1,048,576=8,544.69(M)

如果盘空间全部被数据所占，是无法进行盘操作的。可进行安全操作的盘空间理论上将是翻一番。这样，即使对整个盘的数据进行操作也是可行的。从而最终盘的设计容量将是17,109.38(M)=17.11(G).

其余各种参数变动下的存储容量，读者可自行计算。

以5分钟的积分周期计，数据量增加3倍，盘空间变成51.33(G);

以1分钟的积分周期计，数据量增加15倍，盘空间变成256.64(G)。

在以前，如果采用4.3G的硬盘，将需要60个硬盘，这已经是不现实的设计。现在盘的存储能力以指数增长，一两个盘就可以解决，问题是在数据的读取和转存方面，有时候一个盘的数据花一天时间都读不完。

这里的设计仅是以非冗余RAID0存储方式为例。如果考虑数据的安全性，则存储量还要增加。对于大型省网系统，通常配置成镜象冗余RAID1存储方式，硬盘空间还要增加一倍。如考虑以检校备用RAID5方式存储，也得再增加约30%的盘空间。

500个测点的系统，规模并不算大。一般考虑到电网的发展，常将设计水平放在2000个测点以上。另一些系统，则要求将数据保存两年，这又得将硬盘数翻番。一种可行的方案，是设计水平仍为一年，但定期往磁带上备份数据。一般查询一年以前数据的机会是不多的。万一要查，再将贴有时间区段标签的磁带往硬盘上恢复。如果考虑采用可读写光盘存储，检索速度无疑将大幅度提高，但介质的长期投资费用较大。

二. 两种计费系统模式的比较

两种计费系统模式，简言之，一种是RTU方式，另一种是直接采表方式。就主站而言，没有重大差别。目前的通行设计，是高档服务器硬件平台，UNIX操作系统，大型商用数据库，大存储容量，支持网络访问和数据共享，支持多规约的厂站访问，等等。

两种模式的重大差别，是在厂站端的配置方面。下表1.1是两种厂站模式的简单比较：

表1.1 两种厂站模式的比较

Table 1.1 A comparison of two kind of the model in substation

两种模式的最重要区别在于是否使用RTU。决定模式选取的关键是，你使用什么表计，你是否需要RTU功能?RTU的设计，是为了适应从脉冲机械表到最新型电子表的一切电能表计。不管你的表计是什么结构，有没有负荷曲线，只要能输出脉冲，对RTU来说是一样的。由于内部的全数字化处理，其数据精度只取决于电能表的精度。当然，它也能实现电子表所具有的串行通讯功能，以便能得到数据以外的一些信息。多一套RTU设备，价格肯定会高，但它为各种不同需求的用户提供了选择。

从趋势看，当脉冲式机械表到达它的折旧寿命时点的时候，串行通信将独领风骚。

综合以上讨论，一般大区及省网系统，通常使用RTU方式。为贯彻公开，公平和公正(两侧人员都能看到所有数据)的原则，可在设计时一并考虑主要电厂的当地主站功能。对于地区及小型系统，两种方式都可使用。事实上对于小型厂站，目前的RTU体积已经比一块普通电子式电能表还小，其价格也已经低到与直接采集方式中使用的通讯多路复用器相当的水平。

三. 表计，精度及误差限

电能表是计费系统的基础。严格说来，对电能供需双方的公正性要由它来体现。TMS只是在电能表正确计量的基础上增加了远方采集和后台数据汇集的功能。

精度是最能体现供需双方的公正性的。计量精度越高，需方不合理支付电费的可能范围就越小，这对双方就越公正。但实际上精度是有限制的，无误差的表计是不存在的。而且精度要求越高，投到电能表上的费用就越高，必须设计在一个合理的水平上。根据目前的实际情况，对于220KV以上的重要厂站和关口，用0.2S级表;对于 220KV及以下不很重要的关口，以及大用户高压侧，用0.5S级表，应该被认为是合理的。对于500KV及大型发电厂上网侧，考虑采用主校表方式运行，更能增加数据的安全性，避免将来可能的因电能表及二次侧故障所带来的麻烦。

比起精度来，误差限相比之下是一个颇有争议的问题。固态电子式电能表原理及工艺上的长足进步，使得电能表在整个环境条件变化范围内都保持不超差。它几乎能适应全世界的一切气候、电网等条件。但就某一地点使用而言，由于不可能经受给定的整个范围的环境条件的变化(比如：温度从-20℃ ~+70℃ ，三相严重不平衡至单相测量，功率角在大范围内变化等)，因而其误差限常常高一个精度等级，即0.2S的表误差限在0.1S水平上;0.5S的表误差限在0.2S水平上，这样误差限的正负就成为一个可供讨论的范围。因为将误差限调为+0.2~0.0之间，对于0.2S的表计来说，仍未超出标定的精度范围(理想情况)。但请注意：

1.这对供需双方是不公正的，厂家将不予承认这种校定;

2.此种方式不符合相关的标准和规范，不能推广;

3.此种方式未考虑整个负荷的各种复杂因素。

一般来说，电表在整个负荷范围(从基本电流到最大电流)内的误差曲线，形如下图4.1中的a或b。经过补偿以后，形成图4.2中的a′或b′形状。

图4.1 电能表典型误差示意 图4.2 经补偿后的误差示意图

Fig4.1 The type error curve of meters Fig4.2 The error curve compensated of meters

至于是a型还是b型，取决于所采用的测量原理。质量控制水平高的一批表，你会看到其误差方向的一致性很好，差别仅在于误差曲线的上下平移，哪一头多补偿一点，哪一头少补偿一点而已。如果都在一个小负荷点上看，它可能都表现为一个正误差或负误差，但就整个范围来说，它仍然是公正的，有正也有负。如果你的表永远处于小电流下运行，则应该考虑选用小电流的电表(如5A换成1A)。如果还达不到中等的电流范围，则说明当初的一次侧设计是不合理的，应该更换CT。另外，应注意电能表负荷率的选取。负荷率为200%的表，厂家是要保证在此范围内仍不超差的，因而本来就偏小的电流对于这块表来说就显得更小。

就功能来说，目前的多功能电子表，已经是一台真正的16位计算机。正反向有功，无功，费率，需量，负荷曲线，总加，视在电能，功率因数，四象限无功，三相电流监视，过压欠压监视，掉电监视，232口，485口，CS口，脉冲输出，串行输出，内置Modem，打印机接口，反呼主站等功能，应有尽有。怎样选择?根据本系统实际情况，适当考虑发展，应该选择功能够用，价格合理的品种。目前中国市场，高精度多功能的电能表，仍以国外品牌为主。象瑞士兰吉尔，德国西门子，法国斯伦彼榭，美国GE，ABB公司ALPHA，澳大利亚红相等，都已各有份额。国产品牌象威胜，科陆，也已有几年历史。

在功能方面，国产表也已庶几近之，虽有差距，不是很远。但就性能而言，距离感比较强，这与我们的工业基础有关，急不得的。按规程，目前中试所电测室规定是三个月到半年现场校一次，但国外厂家提供的标准是二十年免校。由于我们的表计是四世同堂，所以对于不同表计应该有不同的规定，不可一刀切。当然目前还在积累经验。我的感觉，电子表运行初三个月要多检查，过了三个月，可按例行规定执行。因为电子产品的一般规律如此。

串行通讯规约，应支持开放性。有IEC规约当然不错，但成长中的公司规约，有何不可?须知IEC规约也是起始于私人的规约。计算机市场的一大特色就是各家争鸣，逐渐形成主流，然后成为事实上的标准，再被国际组织认可。

四. 无功计量及最大需量

众所周知，负载的无功需求对电力系统的影响有二：一是增加发输变配设备的容量;二是网损中的一部分是由无功电流引起的。假设在有功负载分量不变的情况下，把功率因数从0.8提高到0.9，那么网损就会降低，发输变配设备的容量也可降低。以往对用户功率因数的一些规定，更多地是从电网安全运行的角度考虑的，并不涉及收费。就象上餐厅用餐，餐具的提供是不言而喻的，或者说是包含在餐费之内的，不过近来各档餐厅收费标准差距的拉大，也许会给我们一点启发。比如一杯啤酒，大档可能2元，但在空调轻音乐的环境里，可能收费10元，它说明环境也是有价的，不过不另收费，而是含在食品中一同销售出去。

对负载功率因数的要求是为了维持必要的电压水平，防止过电流。如果客户达不到所要求的指标(比如0.85)，则应考虑装补偿器。鉴于实际可操作性的要求，补偿器不可能过于分散，那么就补偿点而言，应该允许过补偿。这样，相邻负荷点可以吸收它的无功，使这一区域的功率因数提高。这样在一般情况下，该负荷点总是给出无功(已有某些电力部门规定，补偿点功率因数不得大于0.98)。若用机械表(反向止逆)计无功，则电流相位是反接的。若是电子式表计，则它将按容性无功被记录下来。对这部分容性无功，怎样计费?各位请多考虑。

由于容性无功的出现，使目前的大多数电子电能表都考虑了四象限无功的计量。以前的机械表只区别无功的方向，并不分辨是感性还是容性。那么电子表如何定义四象限无功的呢?请看下图5.1

图5.1 四象限无功定义

Fig5.1 The definition of four domain reactive

从图可见，正反向有功定位于实轴上，正反向无功定位于虚轴上。四象限无功与四种组合 ±R, Rp, Rn的定义见下面：

+R=+Ri+Rc

-R= -Ri-Rc

Rp=|+Ri|+|-Rc|

Rn=|-Ri|+|+Rc|

一般情况下，用户在电表中选取±A，±R，4个量，就与原来用机械表测量的概念完全一致。产生容性无功的条件是，有功与无功的方向相反：送出有功但吸收无功，或吸收有功但送出无功。前者的例子是发电厂送出有功但吸收部分网上无功来建立自己的电压，后者的例子是过补偿负载在吸收有功时向邻近负载点供出无功。而在省际联络线等关口点，这两种情况是经常之事。

在不涉及容性无功的情况下，选取±A，±R作为测量值和选取±A，Rp，Rn为测量值将得到同样的结果。如果一定要单独处理Rc，可选取±A，±Ri，±Rc六个测量值为一组，这样可以到主站去任意组合，但缺点是增加了三分之一的数据传输量。

所有的负荷曲线都以需量(demand)的形式获取。在表计内部，它是从电能换算出来的，取的是一个积分周期的平均值。在表计内部，它在形成负荷曲线的同时还附带过滤出最大需量，带时标存入账单数据(Billing Data)中，作为账单数据的一个项。最大需量可以通过采集账单数据获得，但实际上有了负荷曲线一切都可通过计算得到。在主站，你仅仅需要定义一个时段，它就能为你找出该区间内的最大需量和出现的时刻。最大需量反映负载对电网容量的要求，如果电能电价和容量电价构成的两部制电价政策出台，则这一测量值将上升到与有功电能同等重要的地位。这样，表计和RTU中的滑差功能，就会被更加推崇和重视。

五. 当地功能

当地功能是“三公”原则的必要手段，同时也是电厂内部日经济指标考核，小指标竞赛的可靠依据。从与电网调度配合的角度看，竞价上网首先必须自己心中有数，知已知彼才可优化自己的运行方式，取得最佳经济效益。

对于直采方式的系统，当地功能不容易实现。对于RTU方式的系统，当地功能不过是一个数据共享的问题。RTU本身也带有一些简单的当地功能，如运算，打印等等。不过它毕竟只是一个硬件设备，受各种条件限制，无法满足电厂对于数据处理的各种不同要求。而一套以PC为平台的当地功能设施，在不计RTU和电能表(其投资已在TMS系统中)的情况下，不会超过30万人民币，仅相当于一台30万千瓦机组运行2.5小时所销出的电价。

有这样一个电厂，上当地功能之前始终没有弄清楚厂用电的百分比，由于表计四世同堂，抄表先后不齐，厂用比例从3%~26%都出现过。后来，厂里上了一套当地功能 ，统一表计，全部采入RTU。经当地后台处理后，厂用电基本上稳定在6.8%左右，非常接近于7%的设计指标。

六. 抄表系统

对于市区供电部门和大用户之间的收费，并不需要用负荷曲线来做复杂的分析。0.5S~1.0S级的多功能电子表就非常适用于这样的系统，表内仅存费率数据，不要负荷曲线。主站类似于电厂当地功能的那种，仅抄电表的帐单数据(billing data)，想查当前售电情况时就抄一遍。例行扫描可设置为每星期抄一次，或者每个月抄一次。错过了日期也不要紧，因为在表计内部已按月为你存着，至于何时去抄?悉听尊便。

由于市区供电局面广量大，其测点可能会远高于省级TMS系统，这样，采用高度集中的大型主站，会使投资上升并增加管理难度。可以用几个中型主站来代替一个大型主站，这样安全性也好。而主站投资将会有很大下降。对于按月抄表，信道投资几乎为零。

目前，配合小区建设，民用抄表也被提上议事日程。

民用电表，一般为单相机械表。目前，国内市场正在大力推广长寿命磁浮机械表，以改变过去那种三年以后45%的表计已经超差的现实。在长寿命机械表内安装脉冲音频发送模块，将是民用抄表系统的很好选择。笔者曾在烟台某公司看了这种系统，不算原电表的价格，一套抄集700户电表的系统，总价不超过15万人民币，应该是可以接受的价格。

七. 预付费系统

计划经济留在电业方面的一个后遗症是资源可以先预支来使用，然后再慢慢偿还。由于产权不清，责任不明等原因，最后导致把电力生产拖垮，需要国家来输血打气。直到目前为止，很少有省局系统不是几个亿电费的债权人，而这些债务人则原因各异，很难偿还这笔债务。

面对电力的商业化运营，如果过不了收费这一关，发供电企业必垮无疑。

推广预付费电表，这是一个解决收费困难的釜底抽薪的办法。它也有助于使败坏的商业信誉重新获得尊崇。现在的困难是，预付费电表价格尚嫌过高，一时无法推向民用。但在大用户这一层面上，应该是能够被接受的。

八. 结 论

随着电力系统的商业化运营，电能计费系统(TMS)已经成为维持利益主体间“三公”原则的重要技术支撑。TMS技术也已从电能表计的基础上发展成为一个完整的体系。从省级系统往下，各用户有着非常不同的取向和要求，因而多种模式的TMS系统各有千秋，都会形成自己的“读者群体”。国家主管部门可以根据现有的技术手段和电力市场实际情况，修改和制定出新的电能计费政策和法规，推动电力商业化运营的进程。

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