馬云龍，王黎明，張法業(yè)，張藝藍(lán)，張 雷，姜明順

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇南京 210024；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100；3.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061）

在“智慧電網(wǎng)”[1-2]、“智慧城市”[3]建設(shè)的背景下，水網(wǎng)、電網(wǎng)、燃?xì)狻⒐岬认到y(tǒng)之間存在信息壁壘，尚未建立互通互聯(lián)。如何突破跨系統(tǒng)透明訪問(wèn)與信息共享，實(shí)現(xiàn)水、電、氣、熱等系統(tǒng)的全面互聯(lián)與信息可靠共享，是智慧電網(wǎng)建設(shè)需要解決的重要問(wèn)題[4-5]。傳統(tǒng)的水、熱、電、氣抄表系統(tǒng)之間互相獨(dú)立[6-7]，同一系統(tǒng)內(nèi)部各城市區(qū)域的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)技術(shù)規(guī)范等也存在差異[8-9]，需要一種統(tǒng)一、可靠的多表合一抄表系統(tǒng)，因此，研制用戶(hù)側(cè)多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水、電、氣、熱等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一體化遠(yuǎn)程抄收、實(shí)現(xiàn)公用事業(yè)一體化服務(wù)的重要工程，是開(kāi)展智能電網(wǎng)建設(shè)的重要支撐[10-12]。

針對(duì)以上需求，該文設(shè)計(jì)了一種基于通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的用戶(hù)側(cè)多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)依托區(qū)域全覆蓋的用電信息采集系統(tǒng)，采用自下而上的終端及網(wǎng)絡(luò)傳輸層、協(xié)議管理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和功能應(yīng)用層四層架構(gòu)，通過(guò)研制通信接口轉(zhuǎn)換器，將水、氣、熱表數(shù)據(jù)引入用電信息采集系統(tǒng)，解決了用戶(hù)側(cè)多能源數(shù)據(jù)采集中通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、技術(shù)方案不統(tǒng)一等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)側(cè)水、電、氣、熱用能數(shù)據(jù)的有效獲取。

1 多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

用戶(hù)側(cè)多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。系統(tǒng)以用電信息采集系統(tǒng)作為用戶(hù)側(cè)多能源采集數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)平臺(tái)，采用自下而上的終端及網(wǎng)絡(luò)傳輸層、協(xié)議管理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和功能應(yīng)用層四層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水、氣、熱表數(shù)據(jù)的采集，并將采集數(shù)據(jù)推送到營(yíng)銷(xiāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及應(yīng)用。其中，終端及網(wǎng)絡(luò)傳輸層連接水、氣、熱表與智能電表或集中器的采集單元，并上傳采集數(shù)據(jù)至協(xié)議管理層；協(xié)議管理層將水、氣、熱表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用電通信協(xié)議格式并上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)層；數(shù)據(jù)服務(wù)層完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及用電信息系統(tǒng)與影像基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)同步；應(yīng)用應(yīng)用層完成數(shù)據(jù)可視化、統(tǒng)計(jì)查詢(xún)、檔案管理及數(shù)據(jù)深化應(yīng)用等業(yè)務(wù)功能。

圖1 多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框架

2 多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)在原有用電信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)上，通過(guò)研制通信接口轉(zhuǎn)換器，利用兩路RS-485 上下行數(shù)據(jù)鏈路、兩路M-Bus 下行數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[13]，實(shí)現(xiàn)水、氣、熱表數(shù)據(jù)的獲取。其中，電表與水、氣、熱表下行數(shù)據(jù)通信通過(guò)LoRa 無(wú)線[14]或M-Bus 來(lái)實(shí)現(xiàn)，電表與采集器之間上行數(shù)據(jù)通信通過(guò)LoRa 無(wú)線、電力線載波或RS-485 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 用電信息采集模塊設(shè)計(jì)

用電信息的獲取是實(shí)現(xiàn)用戶(hù)側(cè)多能源數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，基于計(jì)量芯片HLW8112[15-16]構(gòu)建用電信息采集模塊，如圖2 所示。

圖2 用電信息采集模塊

通道A 為負(fù)載設(shè)備功率、電壓、電流和用電量檢測(cè)通道，通道B 為負(fù)載設(shè)備漏電檢測(cè)通道，根據(jù)漏電電流檢測(cè)值大小確定設(shè)備漏電程度，并通過(guò)第15 引腳輸出告警信號(hào)。

2.2 通信接口轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

通信接口轉(zhuǎn)換器與智能表之間采用LoRa 無(wú)線或M-Bus 等通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的DL/T 645 多功能電能表采集規(guī)約，進(jìn)而采用RS485、電力載波或LoRa 無(wú)線將數(shù)據(jù)傳輸至上層集中器，如圖3 所示。

圖3 通信接口轉(zhuǎn)換器

3 多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

用戶(hù)側(cè)多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)查詢(xún)、檔案管理、安裝調(diào)試、數(shù)據(jù)采集、多能源數(shù)據(jù)深化應(yīng)用、可視化顯示等功能，如圖4 所示。其中，統(tǒng)計(jì)查詢(xún)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合數(shù)據(jù)的查詢(xún)、對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、工單生成和查詢(xún)等；檔案管理模塊自動(dòng)同步各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中客戶(hù)、設(shè)備和參數(shù)等檔案信息；安裝調(diào)試模塊對(duì)終端、采集器、轉(zhuǎn)換器和水、氣、熱表進(jìn)行裝接調(diào)試及檔案維護(hù)，實(shí)現(xiàn)水、氣、熱抄表參數(shù)管理；數(shù)據(jù)采集模塊自動(dòng)生成采集任務(wù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)、日月凍結(jié)和歷史等數(shù)據(jù)的自動(dòng)召測(cè)，并對(duì)采集質(zhì)量進(jìn)行分析；多能源數(shù)據(jù)深化應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)小區(qū)單元管理、泄露預(yù)警、用能異常、用能異常用戶(hù)的統(tǒng)計(jì)和分析、水氣表?yè)p耗統(tǒng)計(jì)和分析、疑似串戶(hù)分析、漏水預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等功能；可視化顯示模塊實(shí)現(xiàn)用戶(hù)異常信息匯總展示、用能階梯展示等。

圖4 系統(tǒng)功能

3.2 安裝調(diào)試模塊設(shè)計(jì)

安裝調(diào)試由終端安裝調(diào)試和表計(jì)安裝調(diào)試兩部分組成。終端安裝調(diào)試采用由頂層至底層的裝接模式，若營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)的終端安裝流程需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)終端計(jì)量點(diǎn)參數(shù)、任務(wù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，則用電信息采集系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行下發(fā)參數(shù)、投設(shè)任務(wù)、確認(rèn)參數(shù)確認(rèn)等操作，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備投運(yùn)正常。終端安裝完成后，需要將終端更改為支持多能源數(shù)據(jù)采集模式。表計(jì)安裝調(diào)試可以查詢(xún)單個(gè)終端下水、氣表檔案，設(shè)置水、氣抄表參數(shù)，并支持分批分組設(shè)置。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)采集計(jì)劃制定采集任務(wù)，對(duì)水、電、氣、熱表數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，并根據(jù)水、電、氣、熱表計(jì)通信規(guī)約解析數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。另外，該模塊還具有采集成功率統(tǒng)計(jì)功能，根據(jù)供電單位、數(shù)據(jù)日期、終端型號(hào)和儀表類(lèi)型統(tǒng)計(jì)各地區(qū)的水氣表的日末凍結(jié)數(shù)據(jù)和月末凍結(jié)數(shù)據(jù)的采集成功率，并支持對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)采，每天后臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行失敗列表更新、當(dāng)天成功率的更新統(tǒng)計(jì)以及前七天成功率的復(fù)統(tǒng)計(jì)。具體流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

3.4 檔案管理模塊設(shè)計(jì)

檔案管理模塊從用電營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中自動(dòng)或手動(dòng)同步水氣熱公司客戶(hù)檔案、表計(jì)設(shè)備檔案、通信接口轉(zhuǎn)換器檔案等，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)檔案信息同步。

3.5 用戶(hù)用能分析模塊設(shè)計(jì)

用戶(hù)用能分析模塊采用Spark 數(shù)據(jù)分析框架，基于BIRCH 層次分析方法，實(shí)現(xiàn)了多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用戶(hù)側(cè)用能行為分析，流程如圖6 所示。

圖6 用戶(hù)用能分析流程

4 試驗(yàn)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，在江蘇省電力公司所轄南京、泰州、蘇州等分公司轄區(qū)進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，開(kāi)展了連續(xù)6 個(gè)月的功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7-10 所示。

圖7 建設(shè)情況測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可知，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶(hù)側(cè)水、電、氣、熱等能源數(shù)據(jù)的有效獲取、統(tǒng)一存儲(chǔ)與管理等功能。

5 結(jié)論

該文提出了一種用戶(hù)側(cè)多能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了水、電、氣、熱表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取、統(tǒng)一存儲(chǔ)及共享應(yīng)用，為用戶(hù)側(cè)能源計(jì)劃、能源控制、能效管理提供數(shù)據(jù)支撐。該方案的提出為用戶(hù)側(cè)水、電、氣、熱等多能源數(shù)據(jù)獲取提供了一種有效的技術(shù)方案。

圖8 用能統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果

圖9 安裝調(diào)試測(cè)試結(jié)果

圖10 多能源數(shù)據(jù)深化應(yīng)用測(cè)試結(jié)果