賀云隆，宋曉林，黃璐涵，李建波，徐 軍，謝海鵬

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.積成電子股份有限公司，山東 濟南250100；3.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

0 引言

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，綜合能源成為了發(fā)展的重點[1]，單一的電能發(fā)展需要結(jié)合包括水、氣、熱等在內(nèi)的能源形式協(xié)調(diào)發(fā)展。而目前綜合能源計量技術(shù)尚未成熟，智能表計的終端應(yīng)用程度還不夠深入，通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架也尚未形成，給綜合能源開發(fā)和利用帶來了一定困難。

目前，針對綜合能源調(diào)度方面的研究較多。文獻[2]提出了一種綜合能源一體化采集系統(tǒng)的多任務(wù)自適應(yīng)實時調(diào)度方法。文獻[3]針對強電能源計量綜合系統(tǒng)測試進行了研究。文獻[4]設(shè)計了基于用電信息采集系統(tǒng)的一體化多表采集方案。文獻[5]研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源計量采集傳輸裝置。文獻[6]設(shè)計了支持能源計量一體化的通信模擬測試系統(tǒng)。文獻[7]針對水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集進行了分析。文獻[8]對用電信息采集系統(tǒng)的四表合一技術(shù)進行了研究。文獻[9]分析了用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。文獻[10]設(shè)計了水、熱、氣、電四表合一的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文獻[11]針對電力用戶用電信息采集系統(tǒng)分布式彈性架構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)進行了分析。以上文獻針對多表合一的研究較多，而對綜合能源計量系統(tǒng)的研究不夠深入。

為此，針對新型綜合能源計量，本文首先說明了電動汽車、分布式電源以及多表合一對綜合能源計量的數(shù)據(jù)需求；然后針對面向?qū)ο蟾拍钜约懊嫦驅(qū)ο髤f(xié)議進行了分析，針對面向?qū)ο蟮奶攸c，設(shè)計了綜合能源計量的分層結(jié)構(gòu)，給出了各層的主要功能以及通信構(gòu)架；最后針對綜合能源大數(shù)據(jù)的計量特征和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)進行了說明。

1 新型業(yè)務(wù)對計量數(shù)據(jù)的需求

1.1 電動汽車充換電業(yè)務(wù)

電動汽車越來越多的接入電網(wǎng)充電，其充電方式可根據(jù)電流的形式不同，分為交流充電和直流充電。這兩種充電形式對電網(wǎng)計量工作都有一定的影響。電動汽車充電功率的計量主要是有功功率計量，目前所用的裝置大部分為電子式電能表。早期的計量方法是通過將采樣得到的電壓和電流波形進行快速傅立葉變換，從而得到相應(yīng)物理量的諧波分量的頻率和幅值，進而通過計算得到各次諧波功率，并確定功率方向。由于快速傅立葉變換對于動態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的諧波或者暫態(tài)信息的分析有一定的局限性，又出現(xiàn)了對傅立葉變換的改進算法，從而提高了計量的準確性。

對于交流充電的電動汽車，計量可以按照普通的形式進行；而對于直流充電的電動汽車，如果仍然按照交流計量收費，則會產(chǎn)生一定的自身損耗成本，這會增加車主的成本支出，按照電費結(jié)算的原則，電動汽車直流充電時應(yīng)在計量過程中安裝相應(yīng)的表計，采用直流計費。由于目前直流計費設(shè)備應(yīng)用相對于交流計費設(shè)備廣泛性較差，同時又存在相關(guān)政策和設(shè)備的缺乏，因此電動汽車計量方面存在一定的問題。

1.2 分布式電源接入

分布式電源通常是指包括分布式風(fēng)機、屋頂光伏、儲能設(shè)備等組成的小型配網(wǎng)電源。分布式發(fā)電可以滿足用戶和電網(wǎng)之間的雙向流動，用戶同時存在購電和售電。分布式電源一般分為并網(wǎng)運行和微網(wǎng)孤島運行。

目前，分布式發(fā)電模式一般為自發(fā)自用、余電上網(wǎng)和全部上網(wǎng)兩種，前者較多使用，在這種模式下，用戶只需要進行簡單的雙向計量便可以完成結(jié)算。對于計價方式，一般分為上網(wǎng)電價和凈電表計量方式兩種。對于前者，分布式電源直接并網(wǎng)在配電網(wǎng)上，無需經(jīng)過用戶電表，單獨進行電表計量；后者則需要采用雙向計量電表計算用戶和電網(wǎng)雙向電能的總和，也就是通常使用的自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的模式。

隨著分布式電源在配電網(wǎng)的滲透率不斷增加[12]，僅依靠計量用戶與電網(wǎng)的雙向結(jié)算電表，無法直接反映規(guī)模日益擴大的用戶用電需求，應(yīng)當進行雙向的獨立的電能監(jiān)測，從而為分布式發(fā)電的統(tǒng)計和監(jiān)控以及分布式電源的出力進行預(yù)測。

1.3 多表合一

多表合一是目前針對居民用戶的一項重點推進項目，具體包括利用電力系統(tǒng)現(xiàn)有平臺，實現(xiàn)電力、水資源、天然氣、熱力等能源的綜合計量一體化[13]。多表合一能夠有力促進智慧能源的發(fā)展和應(yīng)用，同時也能夠為分析居民用戶的用能情況提供較為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，從而方便進一步對用戶側(cè)的綜合用能情況進行管理。在公共事業(yè)領(lǐng)域，多種能源形式有不同的單位管理，在管理上沒有重合。多表合一是在原有智能電表基礎(chǔ)上的改進和提升，將智能水表、熱力表與燃氣表的功能進行整合，通過集中抄表和信息數(shù)據(jù)通信將多表數(shù)據(jù)傳送到統(tǒng)一的管理平臺，實現(xiàn)智能化管理。多表合一不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)、商業(yè)以及居民用戶的用能采集，而且能夠?qū)K端能源消耗使用習(xí)慣、能源使用結(jié)構(gòu)等方面提供有力的信息支撐。這部分系統(tǒng)是面向用戶側(cè)的綜合能源計量中的重要環(huán)節(jié)。

綜合能源系統(tǒng)與電能計量之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 綜合能源計量Fig.1 Integrated energy metering

2 面向?qū)ο髤f(xié)議的新興業(yè)務(wù)綜合能源計量系統(tǒng)

2.1 面向?qū)ο蟾拍?/h3>

面向?qū)ο笫怯嬎銠C編程程序設(shè)計的一種思想，計算機編程分為面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程兩類。面向過程是指利用計算機分析解決問題所需要的步驟，通過調(diào)用函數(shù)對問題進行一次解決；面向?qū)ο笫菍栴}分解為各個對象，建立對象不是為了描述一個任務(wù)的完成，而是為了描述這個事物在整個解決問題步驟中的具體行為。具體來說，面向?qū)ο蟮乃枷胧鞘紫确治鼍唧w實體發(fā)出的動作，對實體進行定義，并根據(jù)其屬性和功能增加相應(yīng)的描述，最后讓實體去執(zhí)行相應(yīng)的功能和動作。這個過程是建立在認識方法學(xué)基礎(chǔ)上的，系統(tǒng)也就是對象和消息的組合，從而使得數(shù)據(jù)和方法有機融合為一個整體，可用于系統(tǒng)的建模，相對于面向過程程序設(shè)計，封裝性較好。

2.2 面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議

用戶用電信息的采集是計量的重要步驟，用戶用電信息的采集需要一定的通信協(xié)議，目前廣泛使用本地通信協(xié)議和遠程通信協(xié)議。本地通信協(xié)議用于采集終端到智能電表的數(shù)據(jù)，遠程通信協(xié)議用于采集終端到采集主站的數(shù)據(jù)交換。這兩類通信協(xié)議在拓展性、兼容性等方面受到一定制約。隨著電力大數(shù)據(jù)的不斷推廣應(yīng)用，電網(wǎng)呈現(xiàn)多態(tài)化運營模式，多表合一等采集新業(yè)務(wù)不斷出現(xiàn)，因此需要基于面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議來對電能的計量進行采集。

面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議是本地通信協(xié)議和遠程通信協(xié)議的融合，能夠在數(shù)據(jù)格式上進行統(tǒng)一，有利于用戶用電信息采集和計量。面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議詳細地規(guī)定了數(shù)據(jù)交換協(xié)議的數(shù)據(jù)構(gòu)架、通信構(gòu)架、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、接口類與對象標識，適用于點對點、多點共線、一點對多點的通訊方式。由于面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議充分借鑒了傳統(tǒng)通信協(xié)議的經(jīng)驗，融合了國際標準IEC 62056采用面向?qū)ο蟮乃枷耄虼?，具有較強的可拓展性以及靈活配置性，這就意味著能夠?qū)Χ喾N用戶類別的用電終端采集以及多表合一的智能表計有著良好的動態(tài)管理能力。在服務(wù)形式上，面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議能夠提供鏈接、設(shè)置、讀取、操作、上報、代理等多類型服務(wù)，意味著能夠大幅增加協(xié)議一致性測試的內(nèi)容，采集范圍更加廣泛，可以適用于多環(huán)節(jié)信息采集，包括主站、終端設(shè)備、智能電表、多表合一等表計設(shè)備[14]。面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議構(gòu)架如圖2所示。

圖2 面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議構(gòu)架Fig.2 Object-oriented communication protocol architecture

2.3 基于面向?qū)ο蟮木C合能源計量構(gòu)架

利用面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議構(gòu)架，考慮電動汽車、分布式電源以及多表合一的應(yīng)用需求，建立計量系統(tǒng)。

綜合能源計量按照其通信網(wǎng)絡(luò)可以分為4個部分：用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、智能表計、外部通信網(wǎng)絡(luò)以及量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。這4個部分分別涉及到通訊終端、主站和通信通道以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備3個層面。對于綜合能源計量，用電信息的采集系統(tǒng)所面對的不僅僅是電能，采集的對象更加多樣化，采集方式需要更加靈活，采集分析效率需要更高，數(shù)據(jù)形態(tài)范圍更加廣泛。對于可能會出現(xiàn)的大量新型業(yè)務(wù)，其多樣性和不確定性對計量采集提出了更高的要求，因此該技術(shù)構(gòu)架具有安全、高效、靈活、開放等特點。

綜合能源計量構(gòu)架由通信前置、實時業(yè)務(wù)分析、后臺統(tǒng)計服務(wù)、智能分析、可視化模塊和對外接口服務(wù)6個子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 面向?qū)ο蟮木C合能源計量構(gòu)架Fig.3 Structure of object oriented integrated energy metering

①前置系統(tǒng)

通信前置系統(tǒng)是多能源綜合采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)，多能源綜合采集系統(tǒng)需要采集來自不同通信信道上的多種數(shù)據(jù)，包括水、電、氣、熱等計量裝置提供的成百上千的大數(shù)據(jù)。因此，通信前置子系統(tǒng)采用彈性構(gòu)架設(shè)計，通過信息通信技術(shù)達到日均處理信息量盡可能多的目的。通信系統(tǒng)所利用的通信通道主要是各能源公司提供的專用網(wǎng)絡(luò)、光纖通信、以太網(wǎng)等。采集設(shè)備是現(xiàn)場計量設(shè)備、采集終端的集合，主要包括多表合一表計、集中器、智能終端等設(shè)備，可以使用多種頻率的通信方式，以實現(xiàn)不同能源類別的通信。

②實時業(yè)務(wù)分析系統(tǒng)

實時業(yè)務(wù)分析系統(tǒng)主要針對各類能源信息系統(tǒng)的處理和分析，應(yīng)用流處理技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠有效地分析各類能源信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對多種能源類別的運行以及負荷預(yù)測，還能夠根據(jù)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)各種能源使用過程中的異常和故障，支撐水、電、氣、熱故障的快速排查和檢修。實時業(yè)務(wù)分析系統(tǒng)可以根據(jù)不同能源類別的運行情況和統(tǒng)計時長，按照不同的時間間隔進行分類和處理。

③智能分析子系統(tǒng)

智能分析子系統(tǒng)是建立在實時業(yè)務(wù)分析系統(tǒng)上的進一步的優(yōu)化和分析系統(tǒng)。智能分析子系統(tǒng)能夠針對不同類別的數(shù)據(jù)，結(jié)合時間和地理位置信息雙重維度對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，建立與能源供應(yīng)商、能源設(shè)備、能源消費者三者之間的行為分析、關(guān)系梳理等，能夠有效地幫助建立用戶側(cè)和能源供應(yīng)側(cè)的互動，從而為制定相應(yīng)的需求側(cè)管理和設(shè)備整體運行狀態(tài)提供決策支撐服務(wù)。

④可視化展示系統(tǒng)

可視化展示系統(tǒng)是根據(jù)不同的能源類別進行可視化展示的分析系統(tǒng)。由于多種能源運行數(shù)據(jù)相互融合，具有實時變化和規(guī)模龐大等特點，依靠傳統(tǒng)的分析方法對數(shù)據(jù)進行展示的分析效率較低，難以及時獲得有關(guān)能源使用情況的重要信息。通過可視化數(shù)據(jù)展示技術(shù)，利用計算機圖形學(xué)和圖像分析處理技術(shù)，將多種類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成不同的圖形或圖像，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互融合和直接展示，能夠有效地分析數(shù)據(jù)的結(jié)果和數(shù)據(jù)運行情況。

⑤對外接口服務(wù)系統(tǒng)

對外接口服務(wù)系統(tǒng)能夠建立綜合能源計量系統(tǒng)與其他市政公共業(yè)務(wù)系統(tǒng)、能源營銷等業(yè)務(wù)的交互模型。通過與其他服務(wù)接口的連接，能夠查詢相應(yīng)的用能分析結(jié)果和用能采集情況，對外發(fā)布數(shù)據(jù)，實現(xiàn)能源計量系統(tǒng)業(yè)務(wù)的全方位融合。

⑥后臺統(tǒng)計服務(wù)

后臺統(tǒng)計服務(wù)能夠?qū)η爸孟到y(tǒng)和實時業(yè)務(wù)分析系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進行后臺處理，從而為智能分析子系統(tǒng)提供相應(yīng)的前端數(shù)據(jù)。后臺統(tǒng)計服務(wù)需要利用相應(yīng)的高速消息中間件進行傳輸，該中間件與通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器具有直接關(guān)系，因而后臺統(tǒng)計分析服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的通信、電力數(shù)據(jù)等方面的處理。

綜合能源計量系統(tǒng)能夠極大地提高各種能源的使用數(shù)據(jù)、分析和采集效率，豐富用戶體驗，實現(xiàn)多種能源的綜合利用向數(shù)據(jù)驅(qū)動轉(zhuǎn)變，能夠為相關(guān)的決策機構(gòu)部門制定節(jié)能減排等措施提供有力的數(shù)據(jù)支撐。通過對各類用戶的綜合用能情況的統(tǒng)計分析，實現(xiàn)公共事業(yè)、生產(chǎn)經(jīng)營的能源需求，從而不斷的為資源集約化能源發(fā)展提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.4 綜合能源計量通信體系

以電能為例，用電信息計量系統(tǒng)的通信協(xié)議如下：主站與采集終端之間遵循Q/GDW 1376.1-2013通信協(xié)議或IEC 62056標準體系協(xié)議（IECTC13）[15]；終端與智能電能表之間遵循DL/T 645-2007通信協(xié)議。系統(tǒng)間設(shè)備通信方式如圖4所示[16]。本文綜合能源通信體系可參考進行設(shè)計。

圖4 用電信息系統(tǒng)中設(shè)備的通信方式Fig.4 Communication mode of the electricity information system

數(shù)據(jù)收集和傳輸?shù)耐ㄐ徘揽梢允怯芯€網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)或者其他組合。智能表計可實現(xiàn)能源計量表與公用事業(yè)中央管控系統(tǒng)之間的雙向?qū)崟r通信。這使實用程序能夠收集間隔數(shù)據(jù)、基于時間的需求數(shù)據(jù)，實現(xiàn)中斷管理、服務(wù)中斷、服務(wù)恢復(fù)、服務(wù)質(zhì)量監(jiān)控、配電網(wǎng)絡(luò)分析、配電計劃等。近年來，高級計量構(gòu)架（AMI）不斷發(fā)展成熟并應(yīng)用。AMI中的關(guān)鍵要素是智能表計與公用事業(yè)之間的通信服務(wù)器[17]。另外，計量系統(tǒng)與物理實體之間的通信還需要依靠物聯(lián)網(wǎng)，因此物聯(lián)網(wǎng)是綜合計量通信體系中的重要內(nèi)容。

本文針對計量的分層結(jié)構(gòu)，提出如圖5所示的綜合能源計量系統(tǒng)通信構(gòu)架。

圖5 綜合能源計量系統(tǒng)通信構(gòu)架Fig.5 Communication architecture

該通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為終端、計量系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)以及數(shù)據(jù)分析終端層。物聯(lián)網(wǎng)是數(shù)據(jù)通信的過程層，實現(xiàn)實體設(shè)備與終端的通信。物聯(lián)網(wǎng)層還包括量測網(wǎng)關(guān)和Hub，用于與計量系統(tǒng)進行通信。通過該通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了用戶設(shè)備、量測表計、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心之間的通信。

3 綜合能源計量數(shù)據(jù)特征分析及流轉(zhuǎn)

綜合能源系統(tǒng)包括的能源類別較多，在能源綜合計量過程中，不同類型能源的時間顆粒度存在一定差異，并且能源的使用形式以及本質(zhì)屬性的差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)元素存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲等內(nèi)容的較大差異。針對電能這類實時生產(chǎn)和消耗的、不可大規(guī)模存儲的能源，時間采集顆粒度較小，并且采集面較廣；而對于水、氣、熱等，采集時間顆粒度較大，一般生活中的數(shù)據(jù)采集均是按月計量，每日數(shù)據(jù)的采集需求不高。綜合能源計量數(shù)據(jù)特征如圖6所示。

圖6 綜合能源計量數(shù)據(jù)特征Fig.6 Data features of mixed energy metering

綜合能源的計量與大數(shù)據(jù)、能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)十分緊密，應(yīng)當協(xié)調(diào)不同能源類型數(shù)據(jù)采集的頻率和采集方式。由于綜合能源計量過程中面對的是不同采集時間尺度要求、不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)元素構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此，有必要對綜合能源計量的數(shù)據(jù)體系進行深入研究。

綜合能源涉及到較多的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量，不同能源使用形式的數(shù)據(jù)采集到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫進行計量時涉及到數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。目前數(shù)據(jù)領(lǐng)域中，針對數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)主要分為數(shù)據(jù)削峰、數(shù)據(jù)解耦和數(shù)據(jù)異步。數(shù)據(jù)削峰是將數(shù)據(jù)寫入和處理分開進行，將大量的數(shù)據(jù)寫入到計量消息隊列中，后端再根據(jù)數(shù)據(jù)的處理能力進行進一步分析；數(shù)據(jù)解耦是將大量的數(shù)據(jù)分解到不同的服務(wù)器中，從多個數(shù)據(jù)寫入端和數(shù)據(jù)讀取端進行分布式處理；數(shù)據(jù)異步是指讀寫狀態(tài)的時間差異性。針對綜合能源大數(shù)據(jù)計量，在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程中，可以結(jié)合不同能源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采取不同的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)方案，減輕數(shù)據(jù)存儲器的處理壓力，提高能源綜合計量效率和質(zhì)量。

4 系統(tǒng)仿真

以多表合一為背景，對本文所提系統(tǒng)的效率進行測試。本文所提多表合一與傳統(tǒng)表計的功能對比如表1所示，其中√表示支持該功能。

表1 功能對比Table 1 Comparison of functions

對采集終端進行帶載測試，結(jié)果如表2所示。另外，測試過程中，終端有功功率最大值為2.22 W，視在功率最大值為5.02 VA。

從表2可以看出，多表合一的功能和測試數(shù)據(jù)相較傳統(tǒng)表計有一定提高和改善。本文的綜合能源表計還可以推廣至電動汽車充放電功率以及可再生能源能量交換的計量。

5 結(jié)論

本文針對面向?qū)ο蟮木C合能源計量系統(tǒng)進行了分析。首先說明了電動汽車、分布式電源以及多表合一對綜合能源計量的數(shù)據(jù)需求；然后針對面向?qū)ο蟮母拍钜约懊嫦驅(qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議進行了分析，針對面向?qū)ο蟮奶攸c，設(shè)計了綜合能源計量的分層結(jié)構(gòu)，給出了各層的主要功能以及通信構(gòu)架；最后針對綜合能源大數(shù)據(jù)的計量特征和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)進行了說明。通過本文的系統(tǒng)設(shè)計，可以為綜合能源計量系統(tǒng)的發(fā)展提供一定思路。