電力交易改革與互動式電能表設(shè)計初探

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年我國電力體制改革大幕拉開以來，以廠網(wǎng)分離、競價上網(wǎng)、大用戶直購電為代表的電力市場化試點在全國陸續(xù)展開?！叭珖姼目磸V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電網(wǎng)電力交易平臺，于新電改(中發(fā)〔2015〕9號)文件發(fā)布后的2016年6月28日掛牌成立，2017年按“總量控制”原則試水電力市場化交易，全年交易電量1157億千瓦時，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，全年平均價差-64.5厘/千瓦時；組織了11次集中競價交易，成交電量319.58億千瓦時，全年平均價差-68.9厘/千瓦時[2]。圖1是廣東省2017年1-12月電力市場化交易量統(tǒng)計情況。

廣東電力交易中心采用的是雙邊自主協(xié)商、月度集中競價、掛牌交易方式，發(fā)電和用電企業(yè)市場報價是以其用電基準(zhǔn)電價(目錄電價)的負(fù)值出價(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。 電網(wǎng)公司收取固定的過網(wǎng)費。具體出清規(guī)則如下：

(1)實施兩部制電價的大用戶的容量電價保持不變，電量電價則為該用戶適用的目錄電價與交易差價之和；

(2)實施單一電價的大用戶，電量電價為該用戶適用的目錄電價與交易差價之和；

(3)實施峰谷電價的大用戶，交易價差不隨峰谷電價浮動[3]。

與歐美主要發(fā)達(dá)國家較為成功的PJM[4]和NETA[5]市場采用的電力全要素市場化交易方式相比，廣東電力市場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 電力交易市場化對智能電能表的功能影響

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

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，必須依托電網(wǎng)將電源和負(fù)荷連接起來，生產(chǎn)和消費必須同時完成，并且，電網(wǎng)的頻率和電壓應(yīng)保持穩(wěn)定。

電力交易市場化的難點體現(xiàn)在：

(1)電力不是孤立的市場，其價格與煤炭、石油、天然氣市場有很強(qiáng)的聯(lián)動關(guān)系；

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

(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，電力市場化既要考慮經(jīng)濟(jì)效益，又要兼顧社會效益。

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)貨市場和平衡市場，適時增設(shè)容量和服務(wù)市場，是市場化的大勢所趨。

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)貨市場交易規(guī)則專家研討會暨市場監(jiān)管研討會。廣東電力現(xiàn)貨市場規(guī)則初步確定為一個基本規(guī)則和八個實施細(xì)則的“1+8”模式，以運營基本規(guī)則為基礎(chǔ)，從現(xiàn)貨電能量交易、中長期交易、交易結(jié)算、市場管理等八個方面對電力現(xiàn)貨市場的運行進(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[6]。

電力市場交易主體分類如表2所示，電力市場化改革的趨勢如表3所示。

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

(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)測與成交數(shù)據(jù)，且至少保存1年;

(2)既支持常規(guī)分時和階梯電價計費方式，又支持基于雙邊交易和競價交易、日前現(xiàn)貨交易等方式的費率合同，能實現(xiàn)費控和負(fù)控等功能;

(3)上行通信接口能夠支持多客戶端獨立訪問和權(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)件在線升級能力(僅限非法制計量部分的功能軟件)，能夠隨著新電改的深化，及時升級費控功能;

(5)顯示內(nèi)容更加豐富，點陣式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)法制計量功能應(yīng)相對獨立，不能升級;

(8)具有高速遠(yuǎn)程通信接口;

(9)具備光伏發(fā)電雙向計量、補(bǔ)貼換算等功能;

(10)具有水表、燃?xì)獗淼认滦型ㄐ沤涌冢瑸槲磥砟茉椿ヂ?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[7-8]。并且，新智能電能表需要實現(xiàn)發(fā)電源、配電網(wǎng)、用電負(fù)荷等多方互動交易，文中將具備互動能力的智能電能表，簡稱為“互動式”智能電能表。

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

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

表3 電力市場化改革的趨勢Tab.3 Trend of electricity market reform

2 合同電價在電能表中的實現(xiàn)方法

在電力市場化情況下，電源、電網(wǎng)、用電負(fù)荷(簡稱“源網(wǎng)荷”)互動交易離不開電價合同。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，并參與費控；此外，互動交易的過程和結(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，是按照分時費率和月階梯，并且只有設(shè)計了主副費率套，并在ESAM中設(shè)計了當(dāng)前電價文件和備用電價文件[9]。這個費率電價機(jī)制是以當(dāng)前時段和特殊節(jié)假日及累積用電量為計費依據(jù)的。其缺點是：

(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;

(2)沒有電價合同的概念，實際上只相當(dāng)于管理了兩份簡易購電合同(主、備費率套)，沒有長協(xié)、期貨、日前現(xiàn)貨及應(yīng)急購電等市場化交易的概念;

(3)沒有根據(jù)負(fù)荷預(yù)測進(jìn)行現(xiàn)貨及實時平衡交易的電價結(jié)算方式，無法實現(xiàn)按照負(fù)荷曲線購電方式結(jié)算;

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

(5)對充電樁等特殊負(fù)荷(限時有序用電、限負(fù)荷用電、按負(fù)載定價和按時間價格等)的計費方式，也沒有預(yù)留合同電價模式。

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

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

圖2 DLMS/COSEM中的費率腳本管理方式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/三相系列互動式智能電能表為例，共實現(xiàn)了14個費率合同，其中10個是與電力供應(yīng)商(如：發(fā)電商、售電公司)相關(guān)的合同，4個是不涉及交易主體的用電合同(從配電網(wǎng)直接購電，包括常規(guī)用電和應(yīng)急購電)，這14個合同對應(yīng)的計費對象可以是有功電能(W·h)，也可以是其它OBIS對象。例如，針對居民用的單相互動式智能電能表，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，可以將與交易主體相關(guān)的10個合同的計費對象中的部分對象用水量(升或m3)、氣量(Nm3)、熱量(W·h)、發(fā)電量(W·h)、時間(秒)等替換，實現(xiàn)“四表”混合計費管理。此外，14個交易合同都可以與繼電器通斷控制組合，可以完成復(fù)雜的費控功能。圖3所示的是14個合同在電力市場化交易時可以用于配置的購電合同場景。

圖3 互動式電能表的電價合同配置Fig.3 Contracts configuration of interactive E-meter

3 軟件跨平臺運行與遠(yuǎn)程升級實現(xiàn)方法

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

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

事實上，研發(fā)的系列互動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。

由于國情差異，中國的電能表安裝基數(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)格型號和外圍電路不盡相同，甚至同一廠家的不同批次之間，也會存在硬件差別?，F(xiàn)場安裝時，也幾乎做不到一個臺區(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)的軟件在線升級方法，都是立足于版本比對、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)致跨硬件平臺升級，造成電能表功能異常甚至死機(jī)的風(fēng)險。

要想避免跨平臺升級引發(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，不允許有差異化；

(2)采用跨硬件平臺運行的虛擬機(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。

第一種方式，不僅是會限制技術(shù)進(jìn)步這么簡單，而且技術(shù)風(fēng)險過于集中，大批量集中供貨時交期也無法保障。

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軟件解決方案。

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

圖4 互動式電能表軟件平臺采用容器化技術(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方式獨立運行，隨電能表一起做型式試驗和功能符合性驗證，合格后方能使用。

核心層一般包括一個用于任務(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：時段費率、費控、需量、事件等等)，供APP調(diào)用，這樣既可以進(jìn)一步簡化APP的代碼量，又可以在有限的上行通信帶寬下，實現(xiàn)軟件高效率升級。

硬件驅(qū)動層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移植，一般采用C語言設(shè)計。

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

4 互動式電能表實現(xiàn)IPv4/IPv6多客戶端訪問

在電力交易市場化背景下，市場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)算的計量器具，各利益相關(guān)方對與其相關(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個以上端口(跟MCU的RAM容量有關(guān))，供不同市場主體進(jìn)行登錄訪問。每個端口的訪問權(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)的三相互動式智能電能表為例，大用戶全年可能單獨或同時向不同的售電主體按協(xié)議購電，通過網(wǎng)上競價購電，或通過配電網(wǎng)購電。由于電能表具有多客戶端接入功能，因此，各利益相關(guān)方可隨時與電能表建立互動關(guān)系，其多客戶端互動通信模式如圖6所示。

研發(fā)的居民用單相互動式電能表，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)或零售商購電。電能表既能依據(jù)購電(水、氣等)合同執(zhí)行費控功能，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)限建立互動通信，其互動操作方式如圖7所示。

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

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

圖7 單相互動式電能表多客戶端互動通信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)出針對國際市場應(yīng)用的新一代互動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。

面向國內(nèi)市場需要的新一代互動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。新電能表平臺將增加防竊電、能效管理、負(fù)載非侵入識別等高級應(yīng)用功能，通信規(guī)約擬對DL/T 698.45[16]進(jìn)行TCP/UDP擴(kuò)展，增加費率腳本等擴(kuò)展功能。