電力系統公共事業數據集中采集方案研究

錢 奇，閆海峰

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京 100192)

國家發展改革委、國家能源局發布的《關于促進智能電網發展的指導意見》提出“完善煤、電、油、氣領域信息資源共享機制，支持水、氣、電集采集抄，建設跨行業能源運行動態數據集成平臺，鼓勵能源與信息基礎設施共享復用”[1]。在電力行業中，各省電力公司均建立了省集中模式的用電信息采集系統(以下簡稱“用采系統”)，該系統在架構上由主站系統、通信信道、采集終端、智能電表等組成，從功能上涵蓋電力用戶數據采集管理、費控管理等基本型應用，也開展了線損分析、防竊電等高級應用功能。目前用電信息采集覆蓋率及成功率均超過99%，系統技術先進、功能強大、運行穩定、可擴充性強，能兼容多種通信報文和支持多種下行通道通信技術，并且支持海量數據的處理及存儲。水、氣、熱所屬公司多為地方或區域性公司，公司規模比較小，自動化采集建設起步晚，大多數公司以人工抄表為主，工作效率低。這些公司要建立各自獨立的自動化采集系統，在資金、技術、人員、通信信道等方面面臨的困難比較大。

在用電信息采集系統的基礎上，實現水、氣、熱的信息采集，對于構建智慧城市具有重要意義[2]。拓展用采系統應用領域，依托國網各省電力公司用采系統的表計、終端、通信信道及主站等資源，搭建公共事業數據集中采集平臺(以下簡稱“公共事業平臺”)，集中采集電表、水表、氣表、熱表數據(以下簡稱“四表合一”)，統一結算，統一繳費，實現跨行業用能信息資源共享，徹底改變公用事業管理服務模式。提高能源領域整體智能化控制和自動化管理水平。

1 數據集中采集體系架構

公共事業平臺體系架構如圖1所示，該架構借鑒電力行業用采系統進行設計，充分利用其采集終端和信道資源，并覆蓋現場各種類型的水、氣、熱表，完成四表合一數據集中采集。

圖1 公共事業平臺體系架構Fig.1 Public utility platform system architecture

整個架構分為終端設備層、網絡通信層、前置解析層、數據層、應用層5部分。其中終端設備層水、電、氣、熱表計通過通信模塊與上層智能電表或集中器的采集模塊相連，將采集回來的數據上傳至主站前置解析層；前置解析層將數據根據水、電、氣、熱表計通信協議進行數據解析上送數據層；數據層通過公共事業數據平臺集成水、電、氣、熱數據模型，形成一體化的全景數據模型，通過公共事業采集平臺接入四表合一的實采數據，數據平臺和采集平臺交換靜態檔案信息、采集信息；應用層調用數據層數據進行數據展示和報表查詢等業務功能，同時和營銷業務應用通過接口實現客戶檔案及電表示數的同步[3]，完成水、電、氣、熱統一核算和統一繳費。

2 數據集中采集關鍵技術

2.1 一體化數據建模技術

構建水、電、氣、熱一體化全景公共資源數據模型是實現數據集中采集的基礎，各行業各自維護行業內私有數據模型，行業間數據模型標準差異較大，數據模型無法信息交換共享。在電力領域IEC61970標準[4-6]的廣泛使用，以及模型的導出、合并、校驗等技術的發展，為能源行業間及行業內上下級協調建模奠定了基礎。鑒于電力行業在自動化采集控制領域起步較早，有成熟的電力設備、客戶檔案模型描述標準，公共事業平臺數據模型基于電力行業數據模型標準進行擴展[7-9]。構建一體化數據模型主要包括模型適配、模型拼接、模型校驗、模型異動分析、模型審核、模型發布[10]，最終形成可支撐公共事業集中采集的全景數據模型。一體化數據建模的模型維護流程關鍵節點如圖2所示。

圖2 公共事業平臺數據建模Fig.2 Data modeling diagram of public utility platform

(1)基于適配器的標準化數據導入。公共事業平臺復用現有的水、電、氣、熱數據模型，遵循“源端維護、全局共享”原則建設。電力行業的電力用戶模型采用省集中模式維護管理，水、氣、熱用戶模型由地方性行業公司維護管理，客戶模型提供源端在通信協議、服務接口、數據格式均存在很大差異。面向異構系統的數據集成需建立數據模型共享標準，公共事業平臺采用電力領域應用較廣的IEC61970標準進行擴展，形成公共信息模型/組件接口規范，實現信息有效集成和共享。遵循模型共享標準，開發標準適配器，適配器是面向異構系統實現信息交換共享、數據格式轉換、通信協議轉換或服務接口轉換等目標的代理軟件或服務。適配器即可與水、電、氣、熱行業系統相結合分布部署，也可與公共事業平臺結合集中部署。適配器包括協議適配器、接口適配器、數據適配器。協議適配器負責把TCP/IP、JDBC、Web Service、JMS等異構通信協議轉換成標準的通信協議，為信息交換提供可一體化管理的信息通道；接口適配器負責消息格式的適配封裝，接口適配器封裝轉換動詞(Verb)、名字(Noun)、消息源(Source)、時間戳(Time Stamp)、消息ID(Message ID)、關聯ID(Correlation ID)、異步方式(Async Reply Flag)、以及針對消息內容的編碼與壓縮信息，實現消息匹配路由；數據適配器采用數據字典機制實現私有數據格式和標準消息體格式之間的互轉，數據字典是基于標準面向模型對象的抽象，抽象數據對象、對象間關聯性、數據對象屬性域、屬性域間關聯性，在字典中配置私有數據格式與標準模型對象的映射關系，通過數據適配器把數據模型轉換成遵循IEC61970標準的CIM XML格式的模型文件。

(2)一體化全景數據模型拼接。公共事業平臺監聽水、電、氣、熱模型異動消息，并從適配器層獲取標準CIM XML模型文件，模型文件解析和校驗由CIM文件處理器完成，模型處理器基于數據字典進行CIM文件解析，解析結果以模型對象為單元存儲在專享內存空間。定制數據模型校驗庫，模型校驗庫分為錯誤型、告警型。錯誤型屬于數據模型基礎語義、語法錯誤，告警型為不能滿足個體應用要求，錯誤型數據模型需回撤本次異動申請，告警型數據模型可繼續模型維護流程。

基于數據模型庫，結合存儲在內存的模型對象完成模型的完整、高效校驗。模型拼接是構建公共事業一體化全景模型的關鍵技術之一。公共事業全景數據模型分為基礎模型和擴展模型，基礎模型為默認接入模型，擴展模型由應用層定制，模型消減程序自動裁剪多余數據模型，保證模型容量最小化。水、電、氣、熱數據模型孤立，模型合并程序負責各行業模型拼接，各行業數據模型抽象出用戶對象，用戶對象由證件號碼、用戶名、用戶地址等關鍵特征屬性抽象。系統采用基于用戶對象的特征識別技術，定位水、電、氣、熱共同的用戶實體，支持對于未能識別匹配的用戶對象手工拼接，模型拼接后裁剪掉多余邊界設備，保證用戶對象唯一，并且登記模型邊界，便于模型異動后邊界二次拼接。

(3)模型多態多應用校核發布。多態多應用模型發布如圖3所示。

圖3 多態多應用模型發布示意Fig.3 Publishing of polymorphic multi application model

一體化全景數據模型需支撐水、電、氣、熱四大業務應用，模型校核發布程序提供模型異動分析、模型審核、多態發布等核心功能。系統通過內存加載異動后模型和在線運行模型，并進行比對分析，形成屬性級異動分析報告；應用決策者基于異動分析報告審核模型，模型審核支持一審、二審多級審核機制；維護模型支持運行態、未來態多態一體化維護，運行態和未來態可互轉，多態機制實現模型超前維護，實時發布。模型發布時可動態生成水、電、氣、熱四大全景應用在線模型，數據資源間相互不干擾。這樣形成了模型一體化維護，動態分裂成若干運行模型。

2.2 通信及采集終端資源共享

公共事業平臺以集中器為界分為上行通道和下行通道。上行通道主要包括無線公網、230 MHz無線專網、光纖專網等遠程通信技術[11]。智能電表的下行通道以載波和RS-485通信技術為主；水、氣、熱表下行通道所采用的通信技術主要有M-BUS總線、RS-485、微功率無線、無線公網、電力線載波等[12-13]。主要通信方案對比見表1。

表1 主要通信方案對比Tab.1 Comparison of main communication schemes

在用電采集系統中，除專變用戶、配變終端等少量表計通過RS-485或其他方式與集中器相連外，其余絕大多數低壓戶表是通過載波模塊與采集器或集中器連接。在公共事業平臺中，以戶為單位的水、氣、熱表的安裝位置一般都比較集中且距離電能表不太遠。結合上表幾種通信技術的優缺點，在不破壞居民家居設施的前提下，推薦圖4為該平臺典型的組網方式。上行通道和集中器直接共享使用系統的上行通道和集中器，將水、氣、熱表的采集數據從集中器傳送到網關前置。在下行通道中，水、氣、熱表可通過微功率無線直接與集中器通信；也可通過微功率無線與智能電能表通信，再由智能電能表通過載波與集中器通信；還可通過微功率無線與采集器通信，再由采集器通過載波與集中器相連。除此之外，下行通道還有基于M-BUS、RS-485、電力載波以及上述幾種通信技術靈活搭配的組網方式，其原理大體相似[14-15]。

圖4 集中采集典型組網Fig.4 Typical networking of centralized acquisition

基于圖4模式，要實現四表合一數據集中采集的技術方案，需要對集中器、智能電能表等設備進行必要的改造。首先將水、氣、熱表更換成帶微功率無線模塊的表計，然后再將集中器、智能電能表、采集器的通信模塊更換成雙模模塊(即載波模塊和微功率無線模塊)，最后在網關前置、集中器、采集器、智能電能表中升級軟件功能，使網關前置能正確解析水、氣、熱表計的上下行報文，集中器、采集器、4種表計能準確完成集中抄表的相關命令。

2.3 基于多層架構的分布式采集處理

隨著電力用戶用電的“全采集、全覆蓋、全費控”不斷推進，系統接入的客戶檔案、終端數量不斷擴大，并且配電、運監、調度、檢修等專業均對用電信息采集提出高密度數據需求，預估未來中等省份用電信息采集數據將日增65 GB，用采系統主站至少保存3年數據，數據總量將達到70 TB，加之水、氣、熱行業的數據采集，系統主站在數據采集處理及數據存儲上都將面臨新的挑戰[16-17]。公共事業數據采集平臺在架構上采用前置機功能拆分、基于信息流的數據總線、基于專享通道的數據加工模型、支持高效存儲的實時庫、分布式數據處理及存儲技術實現公共事業數據高效、高頻采集。多層架構的分布式數據采集架構如圖5所示。

圖5 分布式采集處理架構Fig.5 Architecture of distributed acquisition and processing

(1)前置機功能拆分技術。前置機拆分為通信網關和采集前置。通信網關主要負責用采系統與終端的鏈路維護，采集前置主要負責終端上送報文的解析處理。該技術實現采集終端鏈路維護和報文解析處理的解耦，用采系統主站可依據當前終端接入情況評判出所需的網絡資源和計算資源，網絡資源出現瓶頸擴充通信網關，計算資源出現瓶頸則擴充采集前置。前置機拆分通信網關和采集前置技術解決2個問題：①實現用電信息采集縱向負載分攤；②針對資源瓶頸類別(網絡資源和計算資源)針對性擴充硬件資源，硬件升級所耗費資源最小化。

(2)數據總線技術。基于責任區的分布式采集前置進行報文協議解析，并把解析結果發布給基于內存的數據總線，該數據總線與分布式采集前置相配套，數據總線提供發布訂閱的消息推送模式，也提供流式事件處理模式，數據總線按業務劃分歸類形成若干數據通道，該通道為基于業務的專享數據通道，專享數據通道能減少邏輯數據容量，便于信息快速檢索。

(3)數據模型加工技術。基于數據總線的業務專享數據通道單元，抽象出數據計算加工及任務調度模型，當專享數據通道數據變更后實時發布給數據加工模型和任務調度模型，數據加工模型基于專享數據實時加工數據，并按需啟動任務調度，實現數據的高效處理和有序調度。

3 數據集中采集應用

水、電、氣、熱是關乎民生的4個重要能源行業，涉及千家萬戶。其中抄表、核算、收費、運維等工作也牽扯大量的人力物力。依托現有用采系統主站和營銷業務應用系統，采用數據集中采集技術，實現水、電、氣、熱四表數據的統一歸集、統一存儲，全面推進公共事業數據一體化抄收、一體化結算、一體化繳費及一體化運維[18-19]，將極大減少人力成本，提高服務質量，實現資源共享，減少重復投資。同時也將促進智慧城市發展，提升公共事業部門的總體運營水平。

四表合一的集中采集系統能實現計量裝置的在線監測和用戶水、電、氣、熱相關重要信息的實時采集，及時、完整、準確地為其他系統提供基礎數據，為企業經營管理各環節的分析、決策提供數據支撐，為實現智能雙向互動服務提供信息基礎；也可利用該系統提供的事件異常處理機制，自動記錄異常事件詳細信息，及時觸發異常事件處理流程，快捷、有效地定位異常位置，縮短異常的處理時間。

4 結論

面向公共事業數據集中采集技術是用電信息采集系統在公共事業領域的一個深化應用。國網公司已經把“四表合一”數據采集應用作為在新形勢下為加快公司科學發展而采取的一項重要舉措，本方案在北京、湖南、吉林等多省電力公司試點建設，得到了有效的驗證，具有良好的應用推廣價值。