戶內能耗數據采集平臺的建設

曹敏

摘 要 本文針對戶內能耗數據采集平臺建設及研究過程，闡述了該平臺的建設背景及意義，明確了能夠精細化的獲取到電力用戶數據的必要性，并重點介紹了該平臺的建設思路，通過平臺的架構進行分析，設計了戶內通信鏈路，保證了戶內能耗數據采集平臺的安全部署，最終確保了戶內能耗數據從戶內能耗采集終端到電網大數據服務平臺的準確、實時、高效采集。

【關鍵詞】戶內能耗 數據采集 通信鏈路 通信安全 非侵入式 前置服務

1 建設背景及意義

電力交易逐步進入市場化，需要充分掌握發電企業、售電企業、電力用戶等數據，然后以市場為主體搭建流程規范、運作透明、功能完善、便于監管的交易平臺來滿足日益增長的電力交易需求。當前電力系統中，在發電、輸電、變電、配電領域存在大量的在線監測設備、采集分析設備及軟件系統平臺，但在用戶側，除了電表之外的監測設備并不多，無法精細化的獲取到電力用戶數據，因此需要建立一套完整的、能精細化采集到用戶戶內各個電器或區域的能耗數據來滿足電力需求側響應分析，構建一套精細化程度更高的電力市場交易平臺，最終能夠更好地為電力用戶服務。

2 建設思路

戶內能耗數據采集平臺主要包括：戶內能耗數據采集裝置開發研究、前置服務協議制定及開發、通信安全策略考慮、實現戶內能耗數據接入等過程。

2.1 戶內非侵入式負荷數據采集

非侵入式能耗數據采集技術（如圖 1所示）是采樣到居民用電入口處的電壓、電流信號后，通過DSP模塊進行AD轉換及諧波提取等計算，采用ARM芯片進行數據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，主要用于與當前市場上的智能插座進行交互通信；LED顯示模塊主要用于實時顯示裝置所監測分析出來的電量及能耗信息。

諧波提取過程（如圖 2所示），開始需要對入戶口原始的電壓、電流進行采集，然后將原始的模擬信號進行A/D轉換以后變成數字信號，最終通過FFT進行諧波分析得進行諧波提取計算，需要提取出相應的總負荷特征，并根據每一類用電設備各自的負荷特征，通過算法判斷采樣到的總特征是由哪幾類用電設備的特征共同作用形成的，以此辨識出各類用電設備的工作狀態。

2.2 戶內能耗數據采集通信協議制定

本戶內能耗數據采集通信協議主要是參照國家計量行業標準Q/GDW 376.1-2009《電力用戶用電信息采集系統通信協議：主站與采集終端通信協議》來進行編制，與之不同之處在于增加了對戶內設備的控制，異常反饋信息更加準確等。主要包括對參數設置、參數查詢、實時數據查詢、凍結數據查詢、登錄及心跳機制、設備遠程升級、系統重置及開關控制等接口規約制定，考慮了在數據傳輸過程中的每一個細節，可保證各個命令幀的有效性、及時性、高效反饋等，幀格式（如圖 3所示）。

2.3 高性能采集服務器開發及數據接入

戶內能耗數據采集需要依賴于前置服務，對各個采集裝置的數據進行采集、規約解析、異常分析處理、設備狀態管理、網絡鏈路管理、數據轉發等。因此要求前置服務具備多終端接入能力、大數據并發處理能力、設備網絡鏈路及狀態管理機制。前置服務包括高性能TCP通信服務模塊，能給能采集終端提供高性能的網絡通信鏈路，可實現數據采集、控制策略下發，通過測試后可支持大量采集終端同時在線，并提供相應交互通信服務。該數據采集前置服務的核心為IOCP模型，在前置服務的開發上采用了重疊I/O技術、內存共享技術、多線程處理技術、消息路由轉發技術等，采用了分布式集群服務器架構方式，最終保證的數據的高效實時采集傳輸。

與電網大數據平臺的數據接入過程采用了HTTPS安全傳輸通道，具體采用了JSON字符串的格式進行上送，簡化了數據的復雜性，保證了數據接入的高效及實時。

3 平臺架構分析及戶內通信鏈路設計

戶內能耗數據采集平臺架構主要分為三層（如圖 4所示），即：傳感設備層、網絡層、采集層。傳感設備層主要包括：戶內能耗采集終端，主要功能是采集分析戶內能耗數據及戶內電器控制的網關；上網寶，主要功能是采集水表、電表、氣表的數據；四路開關、智能開關/插座、智能家電設備及水電氣表等設備。網絡層主要包括ONU及OLT等光交換路由設備。采集層主要包括：前置通信服務器，主要功能是作為戶內能耗采集終端及上網寶設備的前置服務端，具備網絡通信服務、規約解析、數據并發處理、數據存儲、數據采集上送服務、設備管理等功能，采用分布式集群部署，具備高效的完成數據采集及設備控制等服務。戶內能耗采集平臺可以與電網大數據服務平臺及手機APP進行數據采集傳輸及設備控制等功能。

現階段，在有線及無線通信領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）、藍牙、紅外通信技術等。各種通信方式有各自的通信特點，可根據具體應用場景及特點來進行選擇，在本戶內能耗采集系統開發設計過程中，經過對各種通信進行試驗測試驗證后，最終確定戶內能耗采集終端與智能插座通信鏈路采用ZigBee無線通信，戶內能耗采集終端與四路開關的通信采用RS485，上網寶與水表、氣表的通信鏈路為MBus，上網寶與電表的通信鏈路為以太網，戶內能耗采集終端與上網寶采用以太網、微功率無線（470）或者ZigBee都可以，具體根據現場環境來決定，其中手機APP對戶內能耗采集終端也可以與藍牙通信方式進行本地數據查詢及設備控制。

5 小結

通過對戶內能耗采集平臺的建業及研究應用，實現了電網對用戶戶內各家用電器的數據采集及配用電數據采集通信網絡的一體化，保證各類實時數據傳輸的實時性和同步性，通信網絡具備良好的易用性和擴展性。通過研發戶內能耗采集終端、前置采集服務、上網寶及智能插座等軟硬件設備，與光纖網絡相結合，實現了用戶用電信息的全面采集和精細化采集管控，本文研究成果為電力用戶與電網公司互動提供了基礎平臺，為電力市場化交易及需求側響應服務提供了支撐。endprint

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作者單位

1.云南電網有限責任公司電力科學研究院 云南省昆明市 650217

2.云南電網有限責任公司 云南省昆明市 650217

3.昆明能訊科技有限責任公 云南省昆明市 650217

4.中國南方電網電能計量重點實驗室 云南省昆明市 650217endprint