戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的建設(shè)

曹敏

摘 要 本文針對(duì)戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)采集平臺(tái)建設(shè)及研究過程，闡述了該平臺(tái)的建設(shè)背景及意義，明確了能夠精細(xì)化的獲取到電力用戶數(shù)據(jù)的必要性，并重點(diǎn)介紹了該平臺(tái)的建設(shè)思路，通過平臺(tái)的架構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了戶內(nèi)通信鏈路，保證了戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的安全部署，最終確保了戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)從戶內(nèi)能耗采集終端到電網(wǎng)大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高效采集。

【關(guān)鍵詞】戶內(nèi)能耗 數(shù)據(jù)采集 通信鏈路 通信安全 非侵入式 前置服務(wù)

1 建設(shè)背景及意義

電力交易逐步進(jìn)入市場化，需要充分掌握發(fā)電企業(yè)、售電企業(yè)、電力用戶等數(shù)據(jù)，然后以市場為主體搭建流程規(guī)范、運(yùn)作透明、功能完善、便于監(jiān)管的交易平臺(tái)來滿足日益增長的電力交易需求。當(dāng)前電力系統(tǒng)中，在發(fā)電、輸電、變電、配電領(lǐng)域存在大量的在線監(jiān)測設(shè)備、采集分析設(shè)備及軟件系統(tǒng)平臺(tái)，但在用戶側(cè)，除了電表之外的監(jiān)測設(shè)備并不多，無法精細(xì)化的獲取到電力用戶數(shù)據(jù)，因此需要建立一套完整的、能精細(xì)化采集到用戶戶內(nèi)各個(gè)電器或區(qū)域的能耗數(shù)據(jù)來滿足電力需求側(cè)響應(yīng)分析，構(gòu)建一套精細(xì)化程度更高的電力市場交易平臺(tái)，最終能夠更好地為電力用戶服務(wù)。

2 建設(shè)思路

戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)采集平臺(tái)主要包括：戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)采集裝置開發(fā)研究、前置服務(wù)協(xié)議制定及開發(fā)、通信安全策略考慮、實(shí)現(xiàn)戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)接入等過程。

2.1 戶內(nèi)非侵入式負(fù)荷數(shù)據(jù)采集

非侵入式能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)（如圖 1所示）是采樣到居民用電入口處的電壓、電流信號(hào)后，通過DSP模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換及諧波提取等計(jì)算，采用ARM芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸及分析工作；通信模塊包含Wi-Fi、紅外、433、ZigBee四種無線通信模塊，主要用于與當(dāng)前市場上的智能插座進(jìn)行交互通信；LED顯示模塊主要用于實(shí)時(shí)顯示裝置所監(jiān)測分析出來的電量及能耗信息。

諧波提取過程（如圖 2所示），開始需要對(duì)入戶口原始的電壓、電流進(jìn)行采集，然后將原始的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以后變成數(shù)字信號(hào)，最終通過FFT進(jìn)行諧波分析得進(jìn)行諧波提取計(jì)算，需要提取出相應(yīng)的總負(fù)荷特征，并根據(jù)每一類用電設(shè)備各自的負(fù)荷特征，通過算法判斷采樣到的總特征是由哪幾類用電設(shè)備的特征共同作用形成的，以此辨識(shí)出各類用電設(shè)備的工作狀態(tài)。

2.2 戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)采集通信協(xié)議制定

本戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)采集通信協(xié)議主要是參照國家計(jì)量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 376.1-2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議：主站與采集終端通信協(xié)議》來進(jìn)行編制，與之不同之處在于增加了對(duì)戶內(nèi)設(shè)備的控制，異常反饋信息更加準(zhǔn)確等。主要包括對(duì)參數(shù)設(shè)置、參數(shù)查詢、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、凍結(jié)數(shù)據(jù)查詢、登錄及心跳機(jī)制、設(shè)備遠(yuǎn)程升級(jí)、系統(tǒng)重置及開關(guān)控制等接口規(guī)約制定，考慮了在數(shù)據(jù)傳輸過程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，可保證各個(gè)命令幀的有效性、及時(shí)性、高效反饋等，幀格式（如圖 3所示）。

2.3 高性能采集服務(wù)器開發(fā)及數(shù)據(jù)接入

戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)采集需要依賴于前置服務(wù)，對(duì)各個(gè)采集裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、規(guī)約解析、異常分析處理、設(shè)備狀態(tài)管理、網(wǎng)絡(luò)鏈路管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等。因此要求前置服務(wù)具備多終端接入能力、大數(shù)據(jù)并發(fā)處理能力、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)鏈路及狀態(tài)管理機(jī)制。前置服務(wù)包括高性能TCP通信服務(wù)模塊，能給能采集終端提供高性能的網(wǎng)絡(luò)通信鏈路，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制策略下發(fā)，通過測試后可支持大量采集終端同時(shí)在線，并提供相應(yīng)交互通信服務(wù)。該數(shù)據(jù)采集前置服務(wù)的核心為IOCP模型，在前置服務(wù)的開發(fā)上采用了重疊I/O技術(shù)、內(nèi)存共享技術(shù)、多線程處理技術(shù)、消息路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)等，采用了分布式集群服務(wù)器架構(gòu)方式，最終保證的數(shù)據(jù)的高效實(shí)時(shí)采集傳輸。

與電網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)接入過程采用了HTTPS安全傳輸通道，具體采用了JSON字符串的格式進(jìn)行上送，簡化了數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，保證了數(shù)據(jù)接入的高效及實(shí)時(shí)。

3 平臺(tái)架構(gòu)分析及戶內(nèi)通信鏈路設(shè)計(jì)

戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)采集平臺(tái)架構(gòu)主要分為三層（如圖 4所示），即：傳感設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、采集層。傳感設(shè)備層主要包括：戶內(nèi)能耗采集終端，主要功能是采集分析戶內(nèi)能耗數(shù)據(jù)及戶內(nèi)電器控制的網(wǎng)關(guān)；上網(wǎng)寶，主要功能是采集水表、電表、氣表的數(shù)據(jù)；四路開關(guān)、智能開關(guān)/插座、智能家電設(shè)備及水電氣表等設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層主要包括ONU及OLT等光交換路由設(shè)備。采集層主要包括：前置通信服務(wù)器，主要功能是作為戶內(nèi)能耗采集終端及上網(wǎng)寶設(shè)備的前置服務(wù)端，具備網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)、規(guī)約解析、數(shù)據(jù)并發(fā)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)采集上送服務(wù)、設(shè)備管理等功能，采用分布式集群部署，具備高效的完成數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制等服務(wù)。戶內(nèi)能耗采集平臺(tái)可以與電網(wǎng)大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)及手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸及設(shè)備控制等功能。

現(xiàn)階段，在有線及無線通信領(lǐng)域存在較多的通信鏈路，其中使用較為廣泛的有線通信物理鏈路主要包括：RS232/485、CAN、USB、網(wǎng)線、光纖及M-Bus等，無線通信物理鏈路主要包括：ZigBee、Wi-Fi、4G、Z-Wave、UWB、NFC、微功率無線（470）、藍(lán)牙、紅外通信技術(shù)等。各種通信方式有各自的通信特點(diǎn)，可根據(jù)具體應(yīng)用場景及特點(diǎn)來進(jìn)行選擇，在本戶內(nèi)能耗采集系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過對(duì)各種通信進(jìn)行試驗(yàn)測試驗(yàn)證后，最終確定戶內(nèi)能耗采集終端與智能插座通信鏈路采用ZigBee無線通信，戶內(nèi)能耗采集終端與四路開關(guān)的通信采用RS485，上網(wǎng)寶與水表、氣表的通信鏈路為MBus，上網(wǎng)寶與電表的通信鏈路為以太網(wǎng)，戶內(nèi)能耗采集終端與上網(wǎng)寶采用以太網(wǎng)、微功率無線（470）或者ZigBee都可以，具體根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境來決定，其中手機(jī)APP對(duì)戶內(nèi)能耗采集終端也可以與藍(lán)牙通信方式進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)查詢及設(shè)備控制。

5 小結(jié)

通過對(duì)戶內(nèi)能耗采集平臺(tái)的建業(yè)及研究應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)對(duì)用戶戶內(nèi)各家用電器的數(shù)據(jù)采集及配用電數(shù)據(jù)采集通信網(wǎng)絡(luò)的一體化，保證各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和同步性，通信網(wǎng)絡(luò)具備良好的易用性和擴(kuò)展性。通過研發(fā)戶內(nèi)能耗采集終端、前置采集服務(wù)、上網(wǎng)寶及智能插座等軟硬件設(shè)備，與光纖網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了用戶用電信息的全面采集和精細(xì)化采集管控，本文研究成果為電力用戶與電網(wǎng)公司互動(dòng)提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，為電力市場化交易及需求側(cè)響應(yīng)服務(wù)提供了支撐。endprint

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作者單位

1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 云南省昆明市 650217

2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 云南省昆明市 650217

3.昆明能訊科技有限責(zé)任公 云南省昆明市 650217

4.中國南方電網(wǎng)電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南省昆明市 650217endprint