用戶用電信息采集系統的深化應用研究綜述

劉晨，白泰，王家駒，白佳靈，熊思宇

(1. 國網四川省電力公司計量中心，成都 610045； 2. 西南交通大學 電氣工程學院，成都 611756)

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展和能源格局的深刻變化[1-3]，我國社會經濟發展對電能的需求量正逐年攀升[4]。此外，自2003年美國電科院首次提出建設智能電網的愿景后，以“人工智能+大數據”為基礎、“信息互聯+數據共享”為核心的智能電網開始在各個城市興起[5-7]。

在智能電網建設中，用電信息采集系統為其提供了重要的物理基礎[8]。依托自動控制技術、精確傳感技術和快速通信技術，該系統能夠實現數據自動采集、線損統計分析[9-10]、負荷信息管理、電能質量監測[11-12]等基本功能，為電網有效監測用戶用電信息，及時發現異常用電情況和制定用戶用電引導策略提供了重要的技術支持[13-14]。

用電信息采集系統領域相關研究[15]興起于歐美國家，旨在提升客戶滿意度和電網運行效率。從1986年起，美國致力于自動抄表系統研究，至2005年約有980萬臺電能表實現自動抄表[16]。2006年，為調整負荷需求和實現負荷控制，歐盟制定了《歐洲未來電網的愿景和策略》等一系列文件，提出了建設電能表自動管理系統的目標。隨著智能電網概念的提出，用電信息采集系統的建設也不斷發展。美國是第一個取得智能電網在城市中創新性應用成果的國家[17]。2008年，在科羅拉多州博爾德市，通過改善用戶信息測量設施和安裝新型智能電能表的方式，美國Xcel公司建設了世界上首座智能電網城市。在歐洲，意大利率先開展了智能電能表的示范性應用[18]。至2014年，其推行的智能電能表在全國的覆蓋率高達85%，居世界第一。荷蘭在智能電能表部署方面也取得了大量成果，建設了首座阿姆斯特丹智慧城市[19]。德國則是提出了著名的“E-energy計劃”[20]。

在國內，中國電力公司為適應電力市場改革，一方面采用遠方集中抄表方式代替傳統的人工抄表方式，提高了信息采集的自動化程度。另一方面，借助計算機信息化手段完善用戶信息采集系統，提高了電網營銷人員的工作效率[21]。但由于這些系統采用獨立建設方式，因此只能采集局部范圍內的局部信息，沒有統一標準和信息互聯，嚴重限制了基于用采數據的高階應用。為了建設更加精細化和標準化的用電信息采集系統，國家電網公司于2008年提出建立全省統一的用電信息采集系統，以實現用采數據的集中分析與應用擴展。2009年，為進一步推動智能電能表的大規模應用和建設更加完善的用電信息采集系統，各省公司電網按照國網總部“全覆蓋、全采集、全費控”的統一部署，組織開展了智能化采集系統的規劃與建設研究。截至2016年，智能化采集系統得到全面發展，實現了4.52億用戶用電信息采集，成為電網制定精益化管理策略、打造優質服務平臺的重要基礎。

近年來，隨著智能電網的深入建設，用電信息采集系統的功能要求和服務水平也越來越高[22]。因此，在智能電網的背景下，打造具有數字化、智能化、信息化和自動化的用電信息采集系統將會是未來電網發展的重要方向[23]。文章介紹了用電信息采集系統的結構組成，并以四川電網為例對用電信息采集系統的本地深化應用情況進行介紹，為新一代用電信息采集系統的構建和推廣應用提供參考。

1 用電信息采集系統結構組成

用電信息采集系統基于精確傳感、快速通信、自動控制等先進技術，能夠對接入的電能表進行自動抄讀、遠程控制和電價下發等操作，并把相應的數據進行存儲和處理，進而為電力管理系統、營銷服務系統以及其他業務系統提供數據支撐[24]。

一方面，隨著科學技術的進步和電力市場的改革，傳統人工抄表方式已無法滿足電網需要。用電信息采集系統采用智能遠程抄表方式，彌補了人工抄表的缺陷，同時減少了供電營業所的管理成本；另一方面，用電信息采集系統獲取的實時、廣域的用戶用電采集數據能夠為電網優質服務提供全面信息以及為用電負荷管理提供科學依據，這有利于開展節能降損工作、提高客戶滿意度和供電可靠性[25]。

用電信息采集系統主要由主站、通信網絡、集中器和電能表四個部分組成，其組成結構圖如圖1所示。

圖1 用電信息采集系統結構圖Fig.1 Structure diagram of electricity consumption information acquisition system

采集系統主站是指通過信道對集中器中的信息進行采集、處理和管理的設備的總稱，主要包括：(1)應用服務器，主要功能是管理采集系統的前置機和數據庫，并且配備有配網智能化管理所需的數據接口；(2)數據服務器，包含一臺主服務器和數臺備份服務器，負責采集系統的數據保存和備份工作；(3)前置服務器，通常包含一臺或多臺服務器，承擔著與采集系統進行通信的功能，并根據主站的需要抄收數據和發送相應的命令[26]。

通信網絡可以分為上行通信(主站與集中器之間的通信)和下行通信(集中器與采集終端之間的通信)。上行通信方式主要有有線電話網通信、GSM/GPRS無線通信和光纖以太網通信等。下行通信方式主要有電力線載波通信、微功率無線組網通信、M-Bus總線通信和RS-485總線通信等。幾種通信方式之間的比較如表1所示[27-31]。

表1 各種通行方式比較Tab.1 Comparisons of various communication modes

集中器是對采集終端數據進行收集、處理和存儲的設備，并且具有和主站數據交換的功能，其組成結構如圖2所示。其主要性能有：路由管理、遠程控制、參數設置、數據凍結、數據抄讀和存儲、自診斷、缺相或停電自動報警、重點用戶管理等。

圖2 集中器結構框圖Fig.2 Concentrator structure block diagram

電能表是安裝在現場的計量設備，負責采集電力系統的原始用電信息。目前電能表的種類主要有：單相電能表、三相電能表、單三相預付費電能表、三相多功能電能表和網絡電能表等。

2 用電信息采集系統的深化應用

2.1 有序用電和負荷控制

近年來，為應對能源轉型，電力需求側管理成為學術界和產業界的熱點問題[32]。其中，有序用電是電力需求側管理的基本環節。傳統的有序用電采取硬性調控方式，沒有從用戶的角度出發，因此用戶的參與性和響應度不高。由于用電信息采集系統能夠實時監測目標客戶用電信息，基于此用采數據，分析可以得到不同數據背后的用戶用電行為規律，這有助于電力行業了解用戶多元化需求，從而制定科學、精細的有序用電方案，實現電網資源靈活調配。

以四川電網為例，基于用采數據的有序用電系統具有負荷預測和有序用電管理兩個模塊，子功能涉及有序用電指標管理、有序用電方案管理、有序用電任務編制、有序用電任務執行、有序用電任務解除、有序用電分析、有序用電信息發布、有序用電綜合分析等。其中，負荷預測模塊借助于四川省各城市用電負荷曲線，通過日負荷特征分析以預測未來短期負荷特征，從而制定相應負荷引導策略，達到電力負荷控制和用戶有序用電的目的。有序用電管理模塊依托數據可視化技術，支持四川電網用戶管理、執行效果監測、有序用電電量查詢、有序用電壓降查詢和任務執行等多個功能。一項有序用電方案的執行涉及營銷服務系統和用電信息采集系統，其具體實施流程圖如圖3所示。首先，由四川國網營銷服務系統制定有序用電方案，并向用電信息采集系統發送請求。用電信息采集系統收到請求后獲取有序用電方案并執行，最后再反饋執行結果給營銷服務系統。

圖3 有序用電方案執行流程圖Fig.3 Implementation flow chart of orderly electricity consumption scheme

2.2 HPLC深化應用

HPLC通信技術是一種以電力線為通信介質的新型數據傳輸技術。近年來，HPLC在低壓電力線載波抄表領域發展迅速，并以其高可靠、高速率、低功耗和互聯互通的優點，成為智能樓宇、電動汽車充電、新能源發電等應用場景的主要通信方式。

基于HPLC技術和智能電能表，四川電網用電信息采集系統可以實現以下八大業務功能：

(1)高頻數據采集：HPLC技術的發展提高了電力線通信信道的數據傳輸能力和通信能力。以其高速率優點，能夠高頻采集電能表數據，在自動抄表方面發揮了重要作用。其中，在四川計量中心，HPLC高頻采集的業務包括日凍結數據采集、高頻實時數據采集、負荷曲線及小時凍結數據采集等。如圖4所示是采集到的四川某一用戶振蕩數據。基于此高頻采集數據，能夠有效監測負荷波動、分析電能質量以及發現線路異常等情況；

圖4 四川電網某一用戶采集振蕩數據Fig.4 Collected oscillation data of users in Sichuan power grid

(2)停電主動上報：利用HPLC技術的低時延特點，能夠保障停電/復電事件的上報和遠程遙控指令下發的及時性。以四川電網為例，該過程可以通過在HPLC子節點的通信模塊中(如電能表STA，II型采集器)配置超級電容來實現。通過停/復電后的事件主動上報，可以將被動搶修變為主動搶修，對于提高供電可靠性和提升客戶服務保障能力具有重要的現實意義；

(3)時鐘精準管理：依托HPLC技術的低時延通信和靈活的廣播校時機制，可以保證電能表與集中器之間的時鐘同步以及精準管理，為四川電網分時電價、階梯電價政策的實施提供技術保障；

(4)相位拓撲識別：供電線路的三相不平衡負荷會降低供電線路和變壓器的工作效率。當某相嚴重過載時還可能導致該相的導線燒斷，繼而引起斷路器損壞、變壓器燒毀等連鎖事故，嚴重威脅供電的安全可靠性。其中，根據不同相線終端過零點時刻不同的特點，過零檢測法的相位識別原理如圖5所示。基于HPLC的相位拓撲識別，分析線路的三相相位和拓撲關系，對于改善配網三相不平衡度及提高線損分相治理水平具有重要價值；

圖5 過零檢測法相位識別原理Fig.5 Phase identification principle of zero-crossing detection method

(5)臺區自動識別：實現臺區線損精確計算的基礎是建立準確的臺區戶變關系。因此，臺區識別至關重要。為更加準確的判斷臺區戶變關系，四川電網利用臺區識別技術對基于HPLC網絡的不同工作臺區進行識別。通過此方式，可以進一步提升臺區線損的管理水平，實現電網的經濟運行；

(6)ID統一標識管理：依托全球統一物聯網ID標識管理系統，可以給每一個HPLC芯片打上統一的身份標簽。基于此標簽，可以實現從芯片出廠再到檢驗環節以及最后的運行環節的全壽命追蹤管理。此外，通過身份鑒權機制可以避免非法設備的接入，保障了網絡的安全；

(7)檔案自動同步：利用HPLC高速率的特點，以及臺區自動識別的功能，四川電網公司通過基于面向對象的通信協議[33]，能夠實現對電能表參數信息完成自上而下和自下而上的雙向傳遞，直到達到信息的雙向同步。該方式進一步提升了設備檔案信息的準確度[34]；

(8)通信性能監測和網絡優化等功能：由于每個HPLC節點都具有相鄰節點信息、網絡路徑信息和信號強度等參數，因此在主站可以監測每個設備的狀態信息以及對不同的芯片廠商、模塊廠商設備運行情況進行評價。此外，通過監測數據，可以分析網絡運行水平并調整HPLC性能參數，達到對通信網絡進行持續優化的目的。

2.3 配變監測

基于HPLC高頻數據采集功能可以實現臺區低電壓及配變監測功能，并且展示配變監測業務應用中的各類數據信息，包括總體情況、可開放容量、臺區負載率情況、臺區三相不平衡情況等。當前四川電網的采集系統已具備低電壓監測、負載率分析、可開放容量分析、三相不平衡分析四大功能模塊，四川電力公司計量中心建設的配變監測各模塊界面顯示如圖6所示。

圖6 四川電力公司計量中心低電壓及配變監測大屏顯示界面Fig.6 Low voltage and distribution transformer monitoring large screen display content in measurement center of state grid Sichuan electric power company

低電壓監測模塊負責對各單位、各類型的低電壓情況進行統計和明細展示。首先，該模塊能夠按照供電單位、供電所(運維班組)、時間段等條件查詢低壓用戶數據并生成報表展示用戶電壓、電流等信息；再以臺區為單位分析臺區低電壓及其下層用戶的低電壓情況；然后對發生低壓的原因進行自動分析并給出解決建議；最后生成數據診斷報告，報告內容包括總體情況、問題分析、解決建議等。

負載率分析模塊主要是根據變壓器容量并結合配變負荷數據，以臺區為單位研判臺區是否發生了重載、過載等負載情況，并分析其臺區容量、平均負載率以及最大負荷和其發生時間，最后展示負載率的統計和明細信息。可開放容量分析模塊能夠實時監測日用電負荷大小，同時對比系統額定容量和負荷監測結果，從而獲得各個臺區的當前可用包裝容量，然后以臺區為單位研判臺區處于可開放容量充足、可開放容量預警且允許臨時接入、可開放容量告警且禁止接入中的哪種狀態，最后展示可開放容量統計和明細的相關信息。

三相不平衡分析模塊可以展示臺區三相不平衡的統計和明細信息，輔助分析不平衡原因，并給出調整建議。該模塊以臺區為單位研判臺區是否發生了三相不平衡事件并對相應臺區發生三相不平衡的總次數以及累計持續時間進行統計，自動生成診斷單分析其發生三相不平衡的原因并給出解決建議。

基于HPLC的配電監測有效解決了傳統方式靠系統主動巡檢用戶電壓進行電壓判斷的低效、準確率差等問題；并且通過對負荷的曲線監測實現了對負載率、可開放容量、配變臺區經濟效益等問題的分析與解決，也為后續臺區擴容、電動汽車充電樁的接入等拓展業務提供了數據參考。

2.4 臺區體檢

臺區是電網的重要環節之一，起著連接供電站與終端用戶的樞紐作用。尤其四川配網系統臺區數量眾多，且與用戶緊密接觸，加強臺區指標考核，快速準確評估臺區健康度對于臺區治理和管理至關重要。其中，基于用采數據的臺區體檢是對臺區進行精細化管理的基本措施。針對臺區情況進行全面統計分析，從采集因素、檔案因素、計量因素、竊電因素、設備因素等方面對臺區進行全面體檢，實現對臺區健康度的量化，從而為臺區的精細化管理和電網經濟運行水平的提升提供有效決策參考。

四川電網臺區體檢體系結構圖如圖7所示。體檢內容包含三個層次：第一層是綜合體檢，即綜合考慮所有可能影響臺區健康的因素(包括采集、檔案、計量、竊電和設備等)評估臺區的整體健康狀態；第二層是針對每一個影響因素分別進行臺區體檢；第三層則是對每一個影響因素下的各項內容進行評估。

圖7 四川電網臺區體檢體系結構圖Fig.7 Structure diagram of station area examination system in Sichuan power grid

2.5 遠程開戶

低壓本地費控用戶新裝或換裝電能表后需要開戶領卡購電。四川電網營業廳過去采用傳統開戶方式，即客戶需要在新裝或換裝電能表流程結束后在營業時間到營業廳領取購電卡。然而，營業廳的營業時間往往與客戶工作時間重疊，且營業廳輻射面積大，給客戶領卡帶來不便。此外，客戶領卡后需插表才能繼續購電，極易造成客戶多次往返。現有客戶大量存在持卡開戶后未插卡又進行遠程購電，造成購電次數不一致而購電失敗的現象，影響客戶遠程購電體驗。

為解決批量換表和現場開戶不變等問題，在現有業務的基礎上，四川電網各營業廳新增了遠程開戶業務。遠程開戶后，新裝客戶可直接遠程購電，減少因購電次數不一致而影響客戶遠程購電的問題，提升遠程購電下發成功率。換裝客戶可以繼續通過遠程或者持卡(舊卡)購電，無需到營業廳換領新卡，基本達到無感換表，提高客戶用電滿意度。遠程開戶流程如下：用戶新裝或換裝流程結束后，營銷系統生成遠程開戶下發任務傳送給采集系統，由采集系統以遠程的方式下發至用戶現場的電能表，開戶成功后用戶在營銷系統自動開通遠程充值業務，實現用戶無感換表。目前遠程開戶任務發送到采集系統后，前1 h每15 min驗證執行一次，1 h之后下發間隔為1 h，下發開戶信息前會先驗證電能表組網是否成功，下發成功則及時反饋結果給營銷，下發失敗用戶會召測電能表戶號信息驗證并修正下發狀態，一直下發失敗用戶48 h后將強制返回結果給營銷系統。

2.6 遠程充值優化提升

為進一步提升遠程充值成功率，減少現場工單派發量，提升用戶感知體驗，四川電網針對遠程充值問題在采集側進行了功能應用升級，以便能夠對下行通信進行分析，同時方便基層單位查詢并分析遠程充值情況，提升主站遠程下發成功率。

在實踐過程中，四川電網遠程充值服務在線上充值功能、線上充值短板和線上繳費推廣三個方面進行優化提升，全方位提升客戶感知：(1)優化線上充值功能，其內容包括充值后余額實時提醒、余額不足短信提醒、閾值定制、遠程合閘和用戶保電。在業務流程改造前，客戶智能電能表剩余金額僅在掌上電力APP上可查詢0點凍結剩余金額，不能及時反應當前余額，充值后客戶也無法及時獲取表頭剩余電費量。經過改造后，營銷系統會在客戶線上渠道繳費后根據采集系統分鐘級采回的表上余額向客戶短信推送表上余額數據。同時，營銷系統同步推送更新后的表上余額給掌上電力APP、微信或支付寶等線上繳費渠道，實現繳費后余額信息分鐘級向客戶推送和展示。考慮到各用戶用電情況不同，將原來的兩檔余額不足提醒閥值增加至五檔，客戶可選擇2檔作為提醒的設置檔位，實現余額不足短信個性化定制提醒。若客戶出現欠費跳閘情況，無需前往表計現場手動復電，營銷系統會主動向采集系統發起合閘命令，實現便民遠程合閘、足不出戶復電服務。此外，針對重要客戶換表期間，省市重要政企客戶用電等特殊情況，制定了用戶保電等級劃分規則、用戶保電等級認定、保電/取消保電任務、保電期間電費核收等流程，實現重要敏感客戶事前無感保電服務；(2)強補線上充值短板，包括不具備條件限制線上充值、單邊帳治理、錯發短信電話號碼治理等。換表等在途業務、表頭寫卡次數不一致、不具備采集下發條件和非欠費停電四類技術原因導致用戶遠程充值下發失敗，嚴重影響客戶遠程充值體驗。對此，增加上述四類不具備線上繳費條件限制客戶線上充值場景，制定配套的遠程充值失敗應急服務機制。針對代收機構與營銷系購電記錄不一致的情況，建立單邊帳實時查詢及異常處理流程，營銷系統可反向查詢第三方繳費記錄流程。針對營銷系統中用戶電話號碼不準確，造成短信錯發引起用戶繳費錯誤等投訴事件，電話號碼校驗規則和分類標簽設置，促進服務信息的精準發布；(3)強化線上繳費推廣，針對低壓線上繳費推廣精準度不夠、線上繳費推廣手段單一的問題，建立具備線上繳費但未線上繳費客戶清單的客戶量提取機制，精準鎖定線下繳費目標客戶，開展針對性推廣流程、綜合施策強化推廣。

3 結束語

在當前智能電網的背景下，四川電網公司已經建設了“全覆蓋、全采集、全費控”的用戶用電信息采集系統，完成了國家電網公司的統一部署目標。并且，基于信息共享、能源互聯網交互和大數據處理等新技術，用戶用電信息采集系統在有序用電和負荷控制、高速寬帶電力線載波深化應用、配變監測、臺區體檢、遠程開戶以及遠程充值優化提升等多項業務方面取得了深化應用的顯著成效。文章介紹的關于四川電網用戶用電信息采集系統的深化應用情況將為建立新一代愈發完善、智能的用戶用電信息采集系統提供參考，對于提高營銷服務的自動化程度，提升用戶用電服務質量，保障電網安全穩定運行，促進國家經濟可持續發展具有重要意義。