張樂平，胡珊珊，李向鋒，葉幫武，付文娟

(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510000； 2.杭州海興電力科技股份有限公司，杭州 310011；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675099)

0 引 言

自2002年我國(guó)電力體制改革大幕拉開以來，以廠網(wǎng)分離、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)、大用戶直購(gòu)電為代表的電力市場(chǎng)化試點(diǎn)在全國(guó)陸續(xù)展開?！叭珖?guó)電改看廣東”，廣東電力交易改革肇始于2005年，截止2018年2月27日，廣東省經(jīng)信委公布的符合準(zhǔn)入條件的售電公司共378家，在電力交易系統(tǒng)注冊(cè)電力大用戶712家，一般用戶5043家[1]。廣東電力交易中心作為廣東省級(jí)電網(wǎng)電力交易平臺(tái)，于新電改(中發(fā)〔2015〕9號(hào))文件發(fā)布后的2016年6月28日掛牌成立，2017年按“總量控制”原則試水電力市場(chǎng)化交易，全年交易電量1157億千瓦時(shí)，約占全省用電量的19.4%。全年共組織了12次雙邊協(xié)商，成交電量837.2億千瓦時(shí)，全年平均價(jià)差-64.5厘/千瓦時(shí)；組織了11次集中競(jìng)價(jià)交易，成交電量319.58億千瓦時(shí)，全年平均價(jià)差-68.9厘/千瓦時(shí)[2]。圖1是廣東省2017年1-12月電力市場(chǎng)化交易量統(tǒng)計(jì)情況。

廣東電力交易中心采用的是雙邊自主協(xié)商、月度集中競(jìng)價(jià)、掛牌交易方式，發(fā)電和用電企業(yè)市場(chǎng)報(bào)價(jià)是以其用電基準(zhǔn)電價(jià)(目錄電價(jià))的負(fù)值出價(jià)(最高位：0元/MW·h)，由交易中心進(jìn)行成交匹配，并在每月25日前公布中標(biāo)價(jià)。 電網(wǎng)公司收取固定的過網(wǎng)費(fèi)。具體出清規(guī)則如下：

(1)實(shí)施兩部制電價(jià)的大用戶的容量電價(jià)保持不變，電量電價(jià)則為該用戶適用的目錄電價(jià)與交易差價(jià)之和；

(2)實(shí)施單一電價(jià)的大用戶，電量電價(jià)為該用戶適用的目錄電價(jià)與交易差價(jià)之和；

(3)實(shí)施峰谷電價(jià)的大用戶，交易價(jià)差不隨峰谷電價(jià)浮動(dòng)[3]。

與歐美主要發(fā)達(dá)國(guó)家較為成功的PJM[4]和NETA[5]市場(chǎng)采用的電力全要素市場(chǎng)化交易方式相比，廣東電力市場(chǎng)化改革還有很大的完善空間，如表1所示。

表1 廣東電力交易規(guī)則與歐美主流交易規(guī)則的差異Tab.1 Electricity transaction regular differences between Guangdong and the mainstream in Europe and the United States

1 電力交易市場(chǎng)化對(duì)智能電能表的功能影響

新電改9號(hào)文件發(fā)布以來，全國(guó)成立了省級(jí)電力交易中心30個(gè)，國(guó)家級(jí)交易中心2個(gè)(北京和廣州)，國(guó)家推進(jìn)電力市場(chǎng)化改革的決心和力度前所未有，目的是讓市場(chǎng)在電力資源配置中發(fā)揮決定性作用，引導(dǎo)市場(chǎng)主體有效生產(chǎn)、有效消費(fèi)和有效投資。

然而，電力不同于普通商品，能難以大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)性地存儲(chǔ)，必須依托電網(wǎng)將電源和負(fù)荷連接起來，生產(chǎn)和消費(fèi)必須同時(shí)完成，并且，電網(wǎng)的頻率和電壓應(yīng)保持穩(wěn)定。

電力交易市場(chǎng)化的難點(diǎn)體現(xiàn)在：

(1)電力不是孤立的市場(chǎng)，其價(jià)格與煤炭、石油、天然氣市場(chǎng)有很強(qiáng)的聯(lián)動(dòng)關(guān)系；

(2)電力負(fù)荷波動(dòng)較大，不能完全依靠通過長(zhǎng)期合約與期貨交易平抑風(fēng)險(xiǎn)，只能通過縮短交易間隔，建立平衡市場(chǎng)才能兼顧各方利益；

(3)風(fēng)力和光伏發(fā)電間歇性強(qiáng)，核電和火電、水電等調(diào)控彈性很小，電力市場(chǎng)化既要考慮經(jīng)濟(jì)效益，又要兼顧社會(huì)效益。

綜合來看，擴(kuò)大電力交易范圍和增加更多交易主體，逐步開放日前現(xiàn)貨市場(chǎng)和平衡市場(chǎng)，適時(shí)增設(shè)容量和服務(wù)市場(chǎng)，是市場(chǎng)化的大勢(shì)所趨。

2018年7月初，南方能源監(jiān)管局組織召開南方(以廣東起步)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)交易規(guī)則專家研討會(huì)暨市場(chǎng)監(jiān)管研討會(huì)。廣東電力現(xiàn)貨市場(chǎng)規(guī)則初步確定為一個(gè)基本規(guī)則和八個(gè)實(shí)施細(xì)則的“1+8”模式，以運(yùn)營(yíng)基本規(guī)則為基礎(chǔ)，從現(xiàn)貨電能量交易、中長(zhǎng)期交易、交易結(jié)算、市場(chǎng)管理等八個(gè)方面對(duì)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的運(yùn)行進(jìn)行細(xì)化規(guī)定。根據(jù)南方電網(wǎng)2018年的部署，廣東電網(wǎng)將在近期建立現(xiàn)貨交易市場(chǎng)[6]。

電力市場(chǎng)交易主體分類如表2所示，電力市場(chǎng)化改革的趨勢(shì)如表3所示。

為了適應(yīng)不斷變化的電力交易市場(chǎng)化需求，未來的智能電能表應(yīng)該具有下列典型特點(diǎn)：

(1)高密度(1～15分鐘間隔)的電能負(fù)荷記錄功能，為電力現(xiàn)貨交易提供基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)與成交數(shù)據(jù)，且至少保存1年;

(2)既支持常規(guī)分時(shí)和階梯電價(jià)計(jì)費(fèi)方式，又支持基于雙邊交易和競(jìng)價(jià)交易、日前現(xiàn)貨交易等方式的費(fèi)率合同，能實(shí)現(xiàn)費(fèi)控和負(fù)控等功能;

(3)上行通信接口能夠支持多客戶端獨(dú)立訪問和權(quán)限管理功能，以便售電公司、供電公司、用戶等各交易主體能夠根據(jù)需要在交易期間及事后獲取相關(guān)數(shù)據(jù);

(4)具有軟(固)件在線升級(jí)能力(僅限非法制計(jì)量部分的功能軟件)，能夠隨著新電改的深化，及時(shí)升級(jí)費(fèi)控功能;

(5)顯示內(nèi)容更加豐富，點(diǎn)陣式LCD是最佳選擇;

(6)采用面向?qū)ο蟮耐ㄐ乓?guī)約，具有互操作能力;

(7)法制計(jì)量功能應(yīng)相對(duì)獨(dú)立，不能升級(jí);

(8)具有高速遠(yuǎn)程通信接口;

(9)具備光伏發(fā)電雙向計(jì)量、補(bǔ)貼換算等功能;

(10)具有水表、燃?xì)獗淼认滦型ㄐ沤涌?，為未來能源互?lián)網(wǎng)下的能效管理提供可能。

綜上所述，能夠滿足新電改發(fā)展趨勢(shì)的新一代智能電能表，應(yīng)該按OIML R46標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[7-8]。并且，新智能電能表需要實(shí)現(xiàn)發(fā)電源、配電網(wǎng)、用電負(fù)荷等多方互動(dòng)交易，文中將具備互動(dòng)能力的智能電能表，簡(jiǎn)稱為“互動(dòng)式”智能電能表。

下面結(jié)合研發(fā)的基于IEC 62056和WELMEC標(biāo)準(zhǔn)的歐洲互動(dòng)式智能電能表方面的經(jīng)驗(yàn)，就下一代符合中國(guó)電力市場(chǎng)化需要的IR46互動(dòng)式智能電能表研發(fā)，做一些技術(shù)探討。

表2 電力市場(chǎng)交易主體分類Tab.2 Classification of transaction subjects in electricity market

表3 電力市場(chǎng)化改革的趨勢(shì)Tab.3 Trend of electricity market reform

2 合同電價(jià)在電能表中的實(shí)現(xiàn)方法

在電力市場(chǎng)化情況下，電源、電網(wǎng)、用電負(fù)荷(簡(jiǎn)稱“源網(wǎng)荷”)互動(dòng)交易離不開電價(jià)合同。電能表是貿(mào)易結(jié)算工具，為了體現(xiàn)交易的公平性，防止產(chǎn)生不必要的爭(zhēng)議，交易合同應(yīng)該以一定的格式下發(fā)到電能表中，并參與費(fèi)控；此外，互動(dòng)交易的過程和結(jié)果都要保存歷史記錄，方便追溯。

以往基于DL/T 645-2007和DL/T 698.45-2016規(guī)約的智能電能表，是按照分時(shí)費(fèi)率和月階梯，并且只有設(shè)計(jì)了主副費(fèi)率套，并在ESAM中設(shè)計(jì)了當(dāng)前電價(jià)文件和備用電價(jià)文件[9]。這個(gè)費(fèi)率電價(jià)機(jī)制是以當(dāng)前時(shí)段和特殊節(jié)假日及累積用電量為計(jì)費(fèi)依據(jù)的。其缺點(diǎn)是：

(1)沒有交易主體的概念，所以，無法按照電源、電網(wǎng)、用戶三方主體分別結(jié)算電價(jià);

(2)沒有電價(jià)合同的概念，實(shí)際上只相當(dāng)于管理了兩份簡(jiǎn)易購(gòu)電合同(主、備費(fèi)率套)，沒有長(zhǎng)協(xié)、期貨、日前現(xiàn)貨及應(yīng)急購(gòu)電等市場(chǎng)化交易的概念;

(3)沒有根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)進(jìn)行現(xiàn)貨及實(shí)時(shí)平衡交易的電價(jià)結(jié)算方式，無法實(shí)現(xiàn)按照負(fù)荷曲線購(gòu)電方式結(jié)算;

(4)對(duì)光伏等新能源本地消納時(shí)的補(bǔ)貼電價(jià)，無法在電能表中預(yù)先處理，給費(fèi)控帶來了難度;

(5)對(duì)充電樁等特殊負(fù)荷(限時(shí)有序用電、限負(fù)荷用電、按負(fù)載定價(jià)和按時(shí)間價(jià)格等)的計(jì)費(fèi)方式，也沒有預(yù)留合同電價(jià)模式。

歐盟發(fā)達(dá)國(guó)家在電力市場(chǎng)化交易方面起步較早，在2007年以后陸續(xù)引入了電價(jià)合同的設(shè)計(jì)要求，如法電ERDF[10]及葡萄牙電力EDP[11]都對(duì)合同管理功能有明確要求。

為了實(shí)現(xiàn)電價(jià)合同管理功能，IEC62056 DLMS /COSEM標(biāo)準(zhǔn)引入了費(fèi)率腳本的概念，能夠很好地解決電費(fèi)合同導(dǎo)入和管理問題[12]。費(fèi)率腳本可以實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)化交易需要的與更多交易主體(Provider /Retailer /Distributor /End Customer)相關(guān)的費(fèi)率寄存器(通過邏輯名進(jìn)行分類)以及更復(fù)雜的費(fèi)率依賴關(guān)系(只要是OBIS規(guī)定的數(shù)據(jù)對(duì)象都可以使用，例如：現(xiàn)貨交易需要的高密度負(fù)荷曲線，計(jì)費(fèi)與繼電器拉合閘關(guān)聯(lián)—實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)和負(fù)荷控制功能)，這樣可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的電價(jià)合同。在IDIS2中，還有更進(jìn)一步的規(guī)范[13]。費(fèi)率腳本采用ITU-T X.693和x.694標(biāo)準(zhǔn)的ASN.1和XSD編程規(guī)則的XML腳本語言，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)端通過DLMS/COSEM通信規(guī)約遠(yuǎn)程下發(fā)到電能表中。腳本化的費(fèi)率表結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

圖2 DLMS/COSEM中的費(fèi)率腳本管理方式Fig.2 Tariff scripts management in DLMS/COSEM

以已研發(fā)的基于歐洲OPEN meter架構(gòu)的單/三相系列互動(dòng)式智能電能表為例，共實(shí)現(xiàn)了14個(gè)費(fèi)率合同，其中10個(gè)是與電力供應(yīng)商(如：發(fā)電商、售電公司)相關(guān)的合同，4個(gè)是不涉及交易主體的用電合同(從配電網(wǎng)直接購(gòu)電，包括常規(guī)用電和應(yīng)急購(gòu)電)，這14個(gè)合同對(duì)應(yīng)的計(jì)費(fèi)對(duì)象可以是有功電能(W·h)，也可以是其它OBIS對(duì)象。例如，針對(duì)居民用的單相互動(dòng)式智能電能表，通常需要接入通過下行通信接口接入水表、氣表、熱量表、光伏發(fā)電、甚至充電樁等，此時(shí)，可以將與交易主體相關(guān)的10個(gè)合同的計(jì)費(fèi)對(duì)象中的部分對(duì)象用水量(升或m3)、氣量(Nm3)、熱量(W·h)、發(fā)電量(W·h)、時(shí)間(秒)等替換，實(shí)現(xiàn)“四表”混合計(jì)費(fèi)管理。此外，14個(gè)交易合同都可以與繼電器通斷控制組合，可以完成復(fù)雜的費(fèi)控功能。圖3所示的是14個(gè)合同在電力市場(chǎng)化交易時(shí)可以用于配置的購(gòu)電合同場(chǎng)景。

圖3 互動(dòng)式電能表的電價(jià)合同配置Fig.3 Contracts configuration of interactive E-meter

3 軟件跨平臺(tái)運(yùn)行與遠(yuǎn)程升級(jí)實(shí)現(xiàn)方法

電力市場(chǎng)化交易情況下，電能表的功能需求多樣化是大勢(shì)所趨。以歐盟計(jì)量器具指令(Measuring Instruments Directive,簡(jiǎn)稱MID)[14]為例，定型后的計(jì)量器具的非法制計(jì)量功能軟件是允許在運(yùn)行中通過在線方式(本地或遠(yuǎn)程)升級(jí)的，MID對(duì)軟件檢查及升級(jí)作了明確指引[15]。IR46-1標(biāo)準(zhǔn)同樣允許對(duì)非法制計(jì)量部分軟件進(jìn)行在線升級(jí)[8]。

雖然MID和IR46都沒有對(duì)法制計(jì)量功能和非法制計(jì)量功能作出物理隔離的要求，但是，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在傾向于采用“雙芯”化設(shè)計(jì)，即：將法制計(jì)量相關(guān)的功能存放在單獨(dú)的微處理器(計(jì)量芯)中，而將非法制計(jì)量的管理功能放在另一個(gè)微處理器(管理芯)中。這樣，計(jì)量芯軟件不允許升級(jí)，而管理芯的軟件功能可以升級(jí)。

事實(shí)上，研發(fā)的系列互動(dòng)式電能表采用了高性能的微處理器，并按WELMEC7.2標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行了法制部分和非法制部分的分離，產(chǎn)品通過了MID (2014/32/EU )認(rèn)證，已在歐盟地區(qū)大批量安裝使用。

由于國(guó)情差異，中國(guó)的電能表安裝基數(shù)龐大，且制造企業(yè)近百家。各廠家電能表采用的微處理器(MCU)規(guī)格型號(hào)和外圍電路不盡相同，甚至同一廠家的不同批次之間，也會(huì)存在硬件差別。現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，也幾乎做不到一個(gè)臺(tái)區(qū)只安裝同一批次的電能表。這給下一代IR46標(biāo)準(zhǔn)的智能電能表的管理軟件批量化在線升級(jí)與版本兼容性管理帶來了較大的難度。

常規(guī)的軟件在線升級(jí)方法，都是立足于版本比對(duì)、程序功能分塊、內(nèi)存分區(qū)、傳輸完整性檢查四部分。但還是很難避免因管理疏忽導(dǎo)致跨硬件平臺(tái)升級(jí)，造成電能表功能異常甚至死機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

要想避免跨平臺(tái)升級(jí)引發(fā)的電能表功能失常，有兩種管控方法：

(1)統(tǒng)一硬件和軟件設(shè)計(jì)，不允許有差異化；

(2)采用跨硬件平臺(tái)運(yùn)行的虛擬機(jī)技術(shù)，即在電能表內(nèi)植入統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的代碼解釋器，電能表應(yīng)用軟件基于虛擬機(jī)開發(fā)，統(tǒng)一編譯，統(tǒng)一升級(jí)。

第一種方式，不僅是會(huì)限制技術(shù)進(jìn)步這么簡(jiǎn)單，而且技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)過于集中，大批量集中供貨時(shí)交期也無法保障。

推薦使用目前軟件行業(yè)應(yīng)用非常成熟的Java虛擬機(jī)技術(shù)(JVM)進(jìn)行移植，JVM的代碼資源消耗少，是較為理想的跨平臺(tái)軟件解決方案。

圖4是所研發(fā)的HXE110/310互動(dòng)式智能電能表的軟件平臺(tái)總體架構(gòu)。

圖4 互動(dòng)式電能表軟件平臺(tái)采用容器化技術(shù)Fig.4 Interactive meter software platform adopts containerization technology

APP插件層是電能表功能的應(yīng)用層軟件，面向所有電能表研發(fā)工程師，設(shè)計(jì)語言為Java，提供專用SDK工具和開放的API接口。所有與電能表管理功能相關(guān)的應(yīng)用軟件以APP方式獨(dú)立運(yùn)行，隨電能表一起做型式試驗(yàn)和功能符合性驗(yàn)證，合格后方能使用。

核心層一般包括一個(gè)用于任務(wù)調(diào)度的OS和Java虛擬機(jī)(JVM)，以及內(nèi)存管理等等，這部分代碼不需要開放，以確保軟件平臺(tái)的穩(wěn)定。

在核心層以上，還可以用CBB方式封裝一部分基本功能塊(例如：時(shí)段費(fèi)率、費(fèi)控、需量、事件等等)，供APP調(diào)用，這樣既可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化APP的代碼量，又可以在有限的上行通信帶寬下，實(shí)現(xiàn)軟件高效率升級(jí)。

硬件驅(qū)動(dòng)層Driver接口也是可以開放給所有程序員的，用于電能表硬件跨平臺(tái)移植，一般采用C語言設(shè)計(jì)。

該軟件平臺(tái)有專用SDK應(yīng)用開發(fā)包，未來可根據(jù)需要開放。

4 互動(dòng)式電能表實(shí)現(xiàn)IPv4/IPv6多客戶端訪問

在電力交易市場(chǎng)化背景下，市場(chǎng)化主體是多方參與的，各方都有公平交易的訴求。電能表作為貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具，各利益相關(guān)方對(duì)與其相關(guān)的電量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)該可以方便(經(jīng)過獨(dú)立密鑰授權(quán))獲取。

以研發(fā)的系列電能表為例，上行通信既支持IEC 62056 DLMS/COSEM常規(guī)協(xié)議，又支持DLMS/IP協(xié)議。電能表的IP地址既可以由系統(tǒng)遠(yuǎn)程分配，也可以本地編程產(chǎn)生。電能表內(nèi)可分配16個(gè)以上端口(跟MCU的RAM容量有關(guān))，供不同市場(chǎng)主體進(jìn)行登錄訪問。每個(gè)端口的訪問權(quán)限可由管理員進(jìn)行分配。DLMS協(xié)議的TCP/UDP通信架構(gòu)如圖5所示。

圖5 DLMS協(xié)議的TCP/UDP通信架構(gòu)Fig.5 TCP/UDP communication architecture of DLMS protocol

以研發(fā)的三相互動(dòng)式智能電能表為例，大用戶全年可能單獨(dú)或同時(shí)向不同的售電主體按協(xié)議購(gòu)電，通過網(wǎng)上競(jìng)價(jià)購(gòu)電，或通過配電網(wǎng)購(gòu)電。由于電能表具有多客戶端接入功能，因此，各利益相關(guān)方可隨時(shí)與電能表建立互動(dòng)關(guān)系，其多客戶端互動(dòng)通信模式如圖6所示。

研發(fā)的居民用單相互動(dòng)式電能表，配備抄讀水、氣、熱量表等下行通信接口；居民可以選擇向配電網(wǎng)或零售商購(gòu)電。電能表既能依據(jù)購(gòu)電(水、氣等)合同執(zhí)行費(fèi)控功能，又支持屋頂光伏等分布式電源接入，并優(yōu)先消納和計(jì)算補(bǔ)貼。此外，售電主體、水氣熱公司、用戶等各方需要與電能表依照權(quán)限建立互動(dòng)通信，其互動(dòng)操作方式如圖7所示。

圖6 互動(dòng)式三相電能表多客戶端互動(dòng)通信Fig.6 Multi clients communicate with three-phase interactive e-meter

未來針對(duì)國(guó)內(nèi)DL/T 698.45通信協(xié)議，可以借用DLMS/IP協(xié)議的封裝方式，對(duì)其進(jìn)行TCP/IP或UDP封裝的。

圖7 單相互動(dòng)式電能表多客戶端互動(dòng)通信Fig.7 Multi clients interactive communicate with single-phase interactive e-meter

5 結(jié)束語

采用最新的DLMS/COSEM規(guī)約研發(fā)出針對(duì)國(guó)際市場(chǎng)應(yīng)用的新一代互動(dòng)式智能電能表系列產(chǎn)品不僅通過了MID認(rèn)證，而且通過了IDIS2國(guó)際認(rèn)證。新電能表的上行通信方式已經(jīng)支持LTE、G3-PLC(FCC)、WiSUN、BPLC等。

面向國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要的新一代互動(dòng)式智能電能表正與南方電網(wǎng)合作采用IR46標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)之中。新電能表平臺(tái)將增加防竊電、能效管理、負(fù)載非侵入識(shí)別等高級(jí)應(yīng)用功能，通信規(guī)約擬對(duì)DL/T 698.45[16]進(jìn)行TCP/UDP擴(kuò)展，增加費(fèi)率腳本等擴(kuò)展功能。