電力交易改革與互動式電能表設計初探

張樂平，胡珊珊，李向鋒，葉幫武，付文娟

(1. 南方電網科學研究院有限責任公司，廣州 510000； 2.杭州海興電力科技股份有限公司，杭州 310011；3.云南電網有限責任公司楚雄供電局，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，以廠網分離、競價上網、大用戶直購電為代表的電力市場化試點在全國陸續展開。“全國電改看廣東”，廣東電力交易改革肇始于2005年，截止2018年2月27日，廣東省經信委公布的符合準入條件的售電公司共378家，在電力交易系統注冊電力大用戶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電力交易平臺，于新電改(中發〔2015〕9號)文件發布后的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計情況。

廣東電力交易中心采用的是雙邊自主協商、月度集中競價、掛牌交易方式，發電和用電企業市場報價是以其用電基準電價(目錄電價)的負值出價(最高位：0元/MW·h)，由交易中心進行成交匹配，并在每月25日前公布中標價。 電網公司收取固定的過網費。具體出清規則如下：

(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]。

與歐美主要發達國家較為成功的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 廣東電力交易規則與歐美主流交易規則的差異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揮決定性作用，引導市場主體有效生產、有效消費和有效投資。

然而，電力不同于普通商品，能難以大規模、經濟性地存儲，必須依托電網將電源和負荷連接起來，生產和消費必須同時完成，并且，電網的頻率和電壓應保持穩定。

電力交易市場化的難點體現在：

(1)電力不是孤立的市場，其價格與煤炭、石油、天然氣市場有很強的聯動關系；

(2)電力負荷波動較大，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)風力和光伏發電間歇性強，核電和火電、水電等調控彈性很小，電力市場化既要考慮經濟效益，又要兼顧社會效益。

綜合來看，擴大電力交易范圍和增加更多交易主體，逐步開放日前現貨市場和平衡市場，適時增設容量和服務市場，是市場化的大勢所趨。

2018年7月初，南方能源監管局組織召開南方(以廣東起步)電力現貨市場交易規則專家研討會暨市場監管研討會。廣東電力現貨市場規則初步確定為一個基本規則和八個實施細則的“1+8”模式，以運營基本規則為基礎，從現貨電能量交易、中長期交易、交易結算、市場管理等八個方面對電力現貨市場的運行進行細化規定。根據南方電網2018年的部署，廣東電網將在近期建立現貨交易市場[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。

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

(1)高密度(1～15分鐘間隔)的電能負荷記錄功能，為電力現貨交易提供基礎負荷預測與成交數據，且至少保存1年;

(2)既支持常規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、日前現貨交易等方式的費率合同，能實現費控和負控等功能;

(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需要在交易期間及事后獲取相關數據;

(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)顯示內容更加豐富，點陣式LCD是最佳選擇;

(6)采用面向對象的通信規約，具有互操作能力;

(7)法制計量功能應相對獨立，不能升級;

(8)具有高速遠程通信接口;

(9)具備光伏發電雙向計量、補貼換算等功能;

(10)具有水表、燃氣表等下行通信接口，為未來能源互聯網下的能效管理提供可能。

綜上所述，能夠滿足新電改發展趨勢的新一代智能電能表，應該按OIML R46標準進行設計[7-8]。并且，新智能電能表需要實現發電源、配電網、用電負荷等多方互動交易，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。

下面結合研發的基于IEC 62056和WELMEC標準的歐洲互動式智能電能表方面的經驗，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，做一些技術探討。

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方法

在電力市場化情況下，電源、電網、用電負荷(簡稱“源網荷”)互動交易離不開電價合同。電能表是貿易結算工具，為了體現交易的公平性，防止產生不必要的爭議，交易合同應該以一定的格式下發到電能表中，并參與費控；此外，互動交易的過程和結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規約的智能電能表，是按照分時費率和月階梯，并且只有設計了主副費率套，并在ESAM中設計了當前電價文件和備用電價文件[9]。這個費率電價機制是以當前時段和特殊節假日及累積用電量為計費依據的。其缺點是：

(1)沒有交易主體的概念，所以，無法按照電源、電網、用戶三方主體分別結算電價;

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

(3)沒有根據負荷預測進行現貨及實時平衡交易的電價結算方式，無法實現按照負荷曲線購電方式結算;

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

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

歐盟發達國家在電力市場化交易方面起步較早，在2007年以后陸續引入了電價合同的設計要求，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。

為了實現電價合同管理功能，IEC62056 DLMS /COSEM標準引入了費率腳本的概念，能夠很好地解決電費合同導入和管理問題[12]。費率腳本可以實現電力市場化交易需要的與更多交易主體(Provider /Retailer /Distributor /End Customer)相關的費率寄存器(通過邏輯名進行分類)以及更復雜的費率依賴關系(只要是OBIS規定的數據對象都可以使用，例如：現貨交易需要的高密度負荷曲線，計費與繼電器拉合閘關聯—實現預付費和負荷控制功能)，這樣可以實現各種復雜的電價合同。在IDIS2中，還有更進一步的規范[13]。費率腳本采用ITU-T X.693和x.694標準的ASN.1和XSD編程規則的XML腳本語言，計費系統端通過DLMS/COSEM通信規約遠程下發到電能表中。腳本化的費率表結構關系如圖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

以已研發的基于歐洲OPEN meter架構的單/三相系列互動式智能電能表為例，共實現了14個費率合同，其中10個是與電力供應商(如：發電商、售電公司)相關的合同，4個是不涉及交易主體的用電合同(從配電網直接購電，包括常規用電和應急購電)，這14個合同對應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、光伏發電、甚至充電樁等，此時，可以將與交易主體相關的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)、發電量(W·h)、時間(秒)等替換，實現“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程升級實現方法

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(本地或遠程)升級的，MID對軟件檢查及升級作了明確指引[15]。IR46-1標準同樣允許對非法制計量部分軟件進行在線升級[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，國內現在傾向于采用“雙芯”化設計，即：將法制計量相關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標準的要求進行了法制部分和非法制部分的分離，產品通過了MID (2014/32/EU )認證，已在歐盟地區大批量安裝使用。

由于國情差異，中國的電能表安裝基數龐大，且制造企業近百家。各廠家電能表采用的微處理器(MCU)規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。現場安裝時，也幾乎做不到一個臺區只安裝同一批次的電能表。這給下一代IR46標準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、內存分區、傳輸完整性檢查四部分。但還是很難避免因管理疏忽導致跨硬件平臺升級，造成電能表功能異常甚至死機的風險。

要想避免跨平臺升級引發的電能表功能失常，有兩種管控方法：

(1)統一硬件和軟件設計，不允許有差異化；

(2)采用跨硬件平臺運行的虛擬機技術，即在電能表內植入統一標準的代碼解釋器，電能表應用軟件基于虛擬機開發，統一編譯，統一升級。

第一種方式，不僅是會限制技術進步這么簡單，而且技術風險過于集中，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應用非常成熟的Java虛擬機技術(JVM)進行移植，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是所研發的HXE110/310互動式智能電能表的軟件平臺總體架構。

圖4 互動式電能表軟件平臺采用容器化技術Fig.4 Interactive meter software platform adopts containerization technology

APP插件層是電能表功能的應用層軟件，面向所有電能表研發工程師，設計語言為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的應用軟件以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調度的OS和Java虛擬機(JVM)，以及內存管理等等，這部分代碼不需要開放，以確保軟件平臺的穩定。

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調用，這樣既可以進一步簡化APP的代碼量，又可以在有限的上行通信帶寬下，實現軟件高效率升級。

硬件驅動層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語言設計。

該軟件平臺有專用SDK應用開發包，未來可根據需要開放。

4 互動式電能表實現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。電能表作為貿易結算的計量器具，各利益相關方對與其相關的電量基礎數據應該可以方便(經過獨立密鑰授權)獲取。

以研發的系列電能表為例，上行通信既支持IEC 62056 DLMS/COSEM常規協議，又支持DLMS/IP協議。電能表的IP地址既可以由系統遠程分配，也可以本地編程產生。電能表內可分配16個以上端口(跟MCU的RAM容量有關)，供不同市場主體進行登錄訪問。每個端口的訪問權限可由管理員進行分配。DLMS協議的TCP/UDP通信架構如圖5所示。

圖5 DLMS協議的TCP/UDP通信架構Fig.5 TCP/UDP communication architecture of DLMS protocol

以研發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議購電，通過網上競價購電，或通過配電網購電。由于電能表具有多客戶端接入功能，因此，各利益相關方可隨時與電能表建立互動關系，其多客戶端互動通信模式如圖6所示。

研發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或零售商購電。電能表既能依據購電(水、氣等)合同執行費控功能，又支持屋頂光伏等分布式電源接入，并優先消納和計算補貼。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DL/T 698.45通信協議，可以借用DLMS/IP協議的封裝方式，對其進行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 結束語

采用最新的DLMS/COSEM規約研發出針對國際市場應用的新一代互動式智能電能表系列產品不僅通過了MID認證，而且通過了IDIS2國際認證。新電能表的上行通信方式已經支持LTE、G3-PLC(FCC)、WiSUN、BPLC等。

面向國內市場需要的新一代互動式智能電能表正與南方電網合作采用IR46標準研發之中。新電能表平臺將增加防竊電、能效管理、負載非侵入識別等高級應用功能，通信規約擬對DL/T 698.45[16]進行TCP/UDP擴展，增加費率腳本等擴展功能。