用戶側多能源數據采集系統設計與應用

馬云龍，王黎明，張法業，張藝藍，張 雷，姜明順

（1.國網江蘇省電力有限公司，江蘇南京 210024；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211100；3.山東大學控制科學與工程學院，山東濟南 250061）

在“智慧電網”[1-2]、“智慧城市”[3]建設的背景下，水網、電網、燃氣、供熱等系統之間存在信息壁壘，尚未建立互通互聯。如何突破跨系統透明訪問與信息共享，實現水、電、氣、熱等系統的全面互聯與信息可靠共享，是智慧電網建設需要解決的重要問題[4-5]。傳統的水、熱、電、氣抄表系統之間互相獨立[6-7]，同一系統內部各城市區域的通信技術標準、檢測技術規范等也存在差異[8-9]，需要一種統一、可靠的多表合一抄表系統，因此，研制用戶側多能源數據采集系統是實現水、電、氣、熱等系統數據的一體化遠程抄收、實現公用事業一體化服務的重要工程，是開展智能電網建設的重要支撐[10-12]。

針對以上需求，該文設計了一種基于通信協議轉換的用戶側多能源數據采集系統設計方案。該系統依托區域全覆蓋的用電信息采集系統，采用自下而上的終端及網絡傳輸層、協議管理層、數據服務層和功能應用層四層架構，通過研制通信接口轉換器，將水、氣、熱表數據引入用電信息采集系統，解決了用戶側多能源數據采集中通信標準不統一、技術方案不統一等問題，實現了用戶側水、電、氣、熱用能數據的有效獲取。

1 多能源數據采集系統框架設計

用戶側多能源數據采集系統總體框架如圖1 所示。系統以用電信息采集系統作為用戶側多能源采集數據共享數據平臺，采用自下而上的終端及網絡傳輸層、協議管理層、數據服務層和功能應用層四層架構，實現水、氣、熱表數據的采集，并將采集數據推送到營銷基礎數據平臺，實現數據共享及應用。其中，終端及網絡傳輸層連接水、氣、熱表與智能電表或集中器的采集單元，并上傳采集數據至協議管理層；協議管理層將水、氣、熱表數據轉換為用電通信協議格式并上傳至數據服務層；數據服務層完成數據存儲及用電信息系統與影像基礎數據平臺的數據同步；應用應用層完成數據可視化、統計查詢、檔案管理及數據深化應用等業務功能。

圖1 多能源數據采集系統總體框架

2 多能源數據采集系統硬件設計

硬件設計時，系統在原有用電信息采集系統的基礎架構上，通過研制通信接口轉換器，利用兩路RS-485 上下行數據鏈路、兩路M-Bus 下行數據鏈路進行數據傳輸[13]，實現水、氣、熱表數據的獲取。其中，電表與水、氣、熱表下行數據通信通過LoRa 無線[14]或M-Bus 來實現，電表與采集器之間上行數據通信通過LoRa 無線、電力線載波或RS-485 來實現。

2.1 用電信息采集模塊設計

用電信息的獲取是實現用戶側多能源數據采集的關鍵，基于計量芯片HLW8112[15-16]構建用電信息采集模塊，如圖2 所示。

圖2 用電信息采集模塊

通道A 為負載設備功率、電壓、電流和用電量檢測通道，通道B 為負載設備漏電檢測通道，根據漏電電流檢測值大小確定設備漏電程度，并通過第15 引腳輸出告警信號。

2.2 通信接口轉換器設計

通信接口轉換器與智能表之間采用LoRa 無線或M-Bus 等通信方式進行數據交換，并轉換為統一的DL/T 645 多功能電能表采集規約，進而采用RS485、電力載波或LoRa 無線將數據傳輸至上層集中器，如圖3 所示。

圖3 通信接口轉換器

3 多能源數據采集系統軟件設計

3.1 系統軟件功能設計

用戶側多能源數據采集系統軟件實現統計查詢、檔案管理、安裝調試、數據采集、多能源數據深化應用、可視化顯示等功能，如圖4 所示。其中，統計查詢模塊實現對綜合數據的查詢、對設備運行情況進行統計、工單生成和查詢等；檔案管理模塊自動同步各業務系統中客戶、設備和參數等檔案信息；安裝調試模塊對終端、采集器、轉換器和水、氣、熱表進行裝接調試及檔案維護，實現水、氣、熱抄表參數管理；數據采集模塊自動生成采集任務，進行實時、日月凍結和歷史等數據的自動召測，并對采集質量進行分析；多能源數據深化應用模塊實現小區單元管理、泄露預警、用能異常、用能異常用戶的統計和分析、水氣表損耗統計和分析、疑似串戶分析、漏水預警、風險預警等功能；可視化顯示模塊實現用戶異常信息匯總展示、用能階梯展示等。

圖4 系統功能

3.2 安裝調試模塊設計

安裝調試由終端安裝調試和表計安裝調試兩部分組成。終端安裝調試采用由頂層至底層的裝接模式，若營銷系統的終端安裝流程需要對現場終端計量點參數、任務參數進行調整，則用電信息采集系統自動進行下發參數、投設任務、確認參數確認等操作，保證現場設備投運正常。終端安裝完成后，需要將終端更改為支持多能源數據采集模式。表計安裝調試可以查詢單個終端下水、氣表檔案，設置水、氣抄表參數，并支持分批分組設置。

3.3 數據采集模塊設計

數據采集模塊根據采集計劃制定采集任務，對水、電、氣、熱表數據進行自動采集，并根據水、電、氣、熱表計通信規約解析數據，利用數據庫進行數據存儲。另外，該模塊還具有采集成功率統計功能，根據供電單位、數據日期、終端型號和儀表類型統計各地區的水氣表的日末凍結數據和月末凍結數據的采集成功率，并支持對采集數據進行手動補采，每天后臺自動進行失敗列表更新、當天成功率的更新統計以及前七天成功率的復統計。具體流程如圖5 所示。

圖5 數據采集流程

3.4 檔案管理模塊設計

檔案管理模塊從用電營銷業務應用系統中自動或手動同步水氣熱公司客戶檔案、表計設備檔案、通信接口轉換器檔案等，實現不同系統檔案信息同步。

3.5 用戶用能分析模塊設計

用戶用能分析模塊采用Spark 數據分析框架，基于BIRCH 層次分析方法，實現了多能源數據采集系統用戶側用能行為分析，流程如圖6 所示。

圖6 用戶用能分析流程

4 試驗測試與分析

為驗證系統性能，在江蘇省電力公司所轄南京、泰州、蘇州等分公司轄區進行了試點應用，開展了連續6 個月的功能測試，測試結果如圖7-10 所示。

圖7 建設情況測試結果

從測試結果可知，該系統能夠實現用戶側水、電、氣、熱等能源數據的有效獲取、統一存儲與管理等功能。

5 結論

該文提出了一種用戶側多能源數據采集系統設計方案，實現了水、電、氣、熱表數據實時讀取、統一存儲及共享應用，為用戶側能源計劃、能源控制、能效管理提供數據支撐。該方案的提出為用戶側水、電、氣、熱等多能源數據獲取提供了一種有效的技術方案。

圖8 用能統計測試結果

圖9 安裝調試測試結果

圖10 多能源數據深化應用測試結果