智能用電條件下用戶用能管理與服務平臺

葛磊蛟，王守相，張 明，穆世霞

（1.天津大學 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072；2.國網(wǎng)電力科學研究院北京科東電力系統(tǒng)控制有限公司，北京 100092）

0 引言

當前智能電網(wǎng)已將用電信息采集系統(tǒng)、營銷管理系統(tǒng)等信息化平臺廣泛應用于智能用電框架建設(shè)中，自動化、智能化、互動化的智能用電也已經(jīng)在一些示范工程中實施，并取得了很多顯著成果。但仍有一些電力用戶尚未安裝分項電量計量表計，對用電量的統(tǒng)計基本依靠傳統(tǒng)的人工抄報方式，對電能的消費統(tǒng)計依賴于電力公司定期發(fā)送的電費單據(jù)，用電管理方式粗放，用電管理模式比較落后。另外，具備用電設(shè)備能耗評價、評估指標體系的高級用電管理分析工具，大多處在理論研究階段，未有相關(guān)的實際應用；隨著用戶側(cè)分布式電源、微電網(wǎng)以及電動汽車等的大規(guī)模接入，當前的用戶用能管理與服務相關(guān)平臺，在互動性、實時性、可靠性等方面無法滿足電力用戶的多元化、全方位用能管理服務需求。

總體而言，當前用戶用電服務管理存在不足之處，主要體現(xiàn)為：各個業(yè)務應用系統(tǒng)與電力用戶間沒有充分的互動，其功能有待進一步完善，相關(guān)專業(yè)信息系統(tǒng)間的全面數(shù)據(jù)共享尚未實現(xiàn)，無法適應智能用電的全部需求，政策支撐條件不夠穩(wěn)定；對客戶獨立服務需求的響應較差，服務內(nèi)容有待進一步拓展，互動性不足，有待進一步豐富。

近年來，電力行業(yè)也開展了有序用電預案科學編制以及實施工作。部分單位和政府合作，推進各種激勵措施，實現(xiàn)客戶避峰。許多公司試行了綠色電力認購機制，采用電動汽車等電能替代技術(shù)，充分利用新能源優(yōu)勢，將電能在終端能源消費中的比重進一步提升。電力企業(yè)也開展了多種收費方式的應用，制定了許多工作標準和建設(shè)規(guī)范，啟動了95598電話服務熱線以及網(wǎng)上營業(yè)廳標準化建設(shè)工作，實現(xiàn)了管理模式、業(yè)務功能和建設(shè)標準的統(tǒng)一，開展了多項個性化以及增值服務的研究，服務電力用戶用能管理。但由于缺乏智能用電體系架構(gòu)的設(shè)計，諸多業(yè)務均遇到應用瓶頸。

國內(nèi)的電力專家和學者對相關(guān)應用瓶頸問題提出了一些可行的解決方法。文獻[1]提出將光伏等清潔能源有序并網(wǎng)、電動汽車有序充電技術(shù)應用于居民小區(qū)，為其提供快捷方便的自助用電服務，實現(xiàn)多種供用電信息的服務及管理；文獻[2]提出在高級量測體系下，以智能用電技術(shù)體系架構(gòu)為總線，以智能用電雙向互動技術(shù)為核心，實現(xiàn)靈活互動的智能用電服務；文獻[3-5]提出智能用電體系下，相關(guān)的接入技術(shù)標準和體系，提高系統(tǒng)平臺的接入一致性；文獻[6-9]提出智能用電相關(guān)的運營和服務模式，指出智能用電的運行和管理方式；但是關(guān)于用戶用能管理的用能監(jiān)察、用能指導方面涉及較少。

通過提升用戶用能管理服務能力，建立典型電力用戶用能設(shè)備能耗監(jiān)測、分析模型，為電力用戶提供不同用能范疇（用能設(shè)備、單元及整體）的能效分析服務，使電力用戶提高能效、合理用能，提高用電營銷管理與服務水平，實現(xiàn)安全經(jīng)濟、穩(wěn)定可靠的電力供需，保障社會用電秩序。構(gòu)建社會公共服務平臺，轉(zhuǎn)變電力服務發(fā)展方式，為電力用戶用電管理提供支持，實現(xiàn)跨平臺跨系統(tǒng)的用電服務業(yè)務集成和知識信息共享、部署規(guī)劃，支持用戶用能管理與服務互動等高級業(yè)務需求，提升電力企業(yè)在推進能源資源優(yōu)化配置中的作用，已經(jīng)成為一個共識，開展智能用電條件下用戶用能管理與服務平臺的研究是未來的技術(shù)發(fā)展趨勢[10-17]。

本文從系統(tǒng)架構(gòu)、軟件架構(gòu)、系統(tǒng)安全、政策適應性等方面對用戶用能管理與服務平臺進行全面的闡述和研究。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

用戶用能管理與服務平臺的系統(tǒng)架構(gòu)主要分為設(shè)備層、通信層和主站層3層，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 用戶用能管理服務平臺系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture of power usage management&service platform

主站層是系統(tǒng)架構(gòu)的核心，為用戶管理與服務平臺的功能應用提供支撐，包括前置層、數(shù)據(jù)層和應用層3層。其中前置層主要完成通信規(guī)約解析、數(shù)據(jù)預處理、信息下發(fā)等，主要包括前置機、負載均衡機等；數(shù)據(jù)層主要完成數(shù)據(jù)的存儲、分析和管理等，包括網(wǎng)絡防火墻、安全認證服務器、實時／歷史數(shù)據(jù)庫服務器、負載均衡機等；應用層主要完成用電管理以及服務應用，包括系統(tǒng)安全認證服務器、網(wǎng)絡防火墻、Web服務器和內(nèi)／外網(wǎng)服務器等。

通信層是系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的樞紐中心，是系統(tǒng)上傳下發(fā)的通信鏈路，負責接收和發(fā)送對應的數(shù)據(jù)信息，光纖專網(wǎng)、以太網(wǎng)、GPRS、CDMA、PTSN 和 RS-485是其支持的主要通信方式。

設(shè)備層主要負責前端信息的采集、互動信息的收發(fā)等，包括傳統(tǒng)采集設(shè)備、IT設(shè)備和系統(tǒng)級設(shè)備。傳統(tǒng)采集設(shè)備主要有智能終端、采集器等；IT設(shè)備主要包括移動終端、手機、iPad、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等；系統(tǒng)級設(shè)備主要包括智能家居、微電網(wǎng)、分布式電源、電動汽車充電樁等。

1.2 系統(tǒng)功能

用戶用能管理與服務平臺是專業(yè)針對用戶用能管理的服務系統(tǒng)，其功能主要包括用電設(shè)備能耗評估和綜合評價子系統(tǒng)、用戶用電監(jiān)察子系統(tǒng)、用戶用電指導子系統(tǒng)、用戶用能管理服務子系統(tǒng)4個功能子系統(tǒng)，4個子系統(tǒng)之間在主站數(shù)據(jù)層實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、信息交互，為實現(xiàn)用戶用能管理提供高效、快捷的技術(shù)支持，其功能完全區(qū)別于以對用戶用電設(shè)備進行自動優(yōu)化控制為主要目的家庭能量管理系統(tǒng)（HEMS）、以采集用電信息為主要目的的用電信息采集系統(tǒng)和以客服為業(yè)務主導的95598系統(tǒng)。

a.用電設(shè)備能耗評估和綜合評價子系統(tǒng)如圖2所示。該子系統(tǒng)一方面通過構(gòu)建用戶用電設(shè)備（設(shè)備級、裝置級、系統(tǒng)級）評價模型，以及結(jié)合現(xiàn)場采集的用戶設(shè)備的電壓、電流、有功功率、無功功率、諧波等電力數(shù)據(jù)，計算用電設(shè)備各項評價指標；另一方面根據(jù)預先設(shè)定的用戶用電設(shè)備評價體系，獲得用戶用電設(shè)備的能耗情況報告和綜合評價信息。

圖2 用戶設(shè)備能耗評估和綜合評價子系統(tǒng)Fig.2 User equipment power consumption evaluation and comprehensive evaluation subsystem

b.用戶用電監(jiān)察子系統(tǒng)如圖3所示。該子系統(tǒng)一方面根據(jù)用戶設(shè)備能耗評估和綜合評價結(jié)論，結(jié)合當前電力營銷的管理需求、策略，以及現(xiàn)場實時采集數(shù)據(jù)等因素，對用戶的用電情況進行自動監(jiān)察，從而評定用戶用電設(shè)備的優(yōu)、良、中、差等級分布情況；另一方面結(jié)合用電安全隱患排查以及事故動作保護記錄數(shù)據(jù)，進行相應的用電安全分析計算，達到監(jiān)察用戶用電設(shè)備的目的。

圖3 用戶用電監(jiān)察子系統(tǒng)Fig.3 Power usage supervisory subsystem

c.用戶用電指導子系統(tǒng)如圖4所示。該子系統(tǒng)一方面根據(jù)對用戶用電監(jiān)察的結(jié)果，開展基于綜合評價模型和基于需求響應模型的用電指導服務，與用戶通過移動終端、手機、iPad、郵件等進行互聯(lián)網(wǎng)信息互動，對用戶用電進行科學指導，引導用戶節(jié)電省錢；另一方面在社會服務區(qū)域的LED屏幕或者公共信息發(fā)布信息服務平臺，將結(jié)合當?shù)貙嶋H情況的科學用電方法和生活方法，公示給用戶，引導用戶節(jié)約用電、節(jié)能減排。

圖4 用戶用電指導子系統(tǒng)Fig.4 Power usage guide subsystem

d.用戶用能管理子系統(tǒng)如圖5所示。該子系統(tǒng)一方面與用戶基于網(wǎng)絡信息共享平臺或者門戶網(wǎng)站自動推送等方式，開展主從模式、互動模式和服務模式等多種模式服務，發(fā)布客戶側(cè)用電安全監(jiān)測技術(shù)手段、檢測技術(shù)和實現(xiàn)方法；另一方面支持用戶預設(shè)定用能計劃管理，方便用戶的生活需求。

圖5 用戶用能管理子系統(tǒng)Fig.5 Power usage management subsystem

2 軟件架構(gòu)

主站系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖6所示，其主要采用多層體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計理念是使系統(tǒng)具有良好的靈活性、可集成性、可伸縮性、可維護性，體現(xiàn)系統(tǒng)對業(yè)務變化、技術(shù)變化的適應能力，并且對各種應用模式具有很好的支持。

圖6 用戶用能管理與服務平臺軟件架構(gòu)Fig.6 Software structure of power usage management&service platform

數(shù)據(jù)訪問層主要包括Entity Framework、其他應用程序服務和數(shù)據(jù)實體三部分，負責處理數(shù)據(jù)，并管理訪問實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫等不同數(shù)據(jù)庫。

業(yè)務邏輯層主要包括工作流設(shè)計器、工作流活動、業(yè)務處理和業(yè)務實體四部分，主要負責處理系統(tǒng)的核心算法和業(yè)務。

服務層主要完成服務任務，一方面與業(yè)務邏輯層進行數(shù)據(jù)契約式數(shù)據(jù)交互和業(yè)務集成，另一方面與公共組件和其他應用程序進行服務契約式數(shù)據(jù)交互和業(yè)務集成。

展示層采用 MCV（Models-Controller-View）框架設(shè)計理念，主要包括頁面模型（models）、控制器（controller）和視圖（view）三部分，一方面負責系統(tǒng)與公共組件的數(shù)據(jù)交互，另一方面使得業(yè)務邏輯層與系統(tǒng)之間可以有效交互。

公共組件主要包括安全組件、日志組件和公共類庫，為系統(tǒng)的應用提供公共數(shù)據(jù)和應用方面的支撐。

3 系統(tǒng)安全

主站系統(tǒng)安全關(guān)系平臺的順利運行和業(yè)務開展至關(guān)重要，需要從全局的角度，進行整個平臺的安全部署，包括軟件安全和信息安全兩部分。

3.1 軟件安全

為了確保軟件的安全，從以下方面進行部署。

a.應用軟件訪問權(quán)限控制：用戶訪問權(quán)限控制、文件安全控制和目錄安全控制。

b.操作系統(tǒng)、應用軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)備份；系統(tǒng)軟件配置和應用軟件改動的備份及記錄文檔。

c.了解各軟件漏洞，并及時進行更新修正。

d.記錄應用軟件開發(fā)的完整技術(shù)文檔和源代碼的詳盡注釋。

3.2 信息安全

為了保障信息數(shù)據(jù)的安全，所采用數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站遵循國家已公布的相關(guān)規(guī)范條例，建立對應信息安全技術(shù)框架，通過各種技術(shù)防護措施或非技術(shù)防護措施實現(xiàn)信息安全，主要有以下4個方面。

a.基礎(chǔ)設(shè)施安全。將完善的網(wǎng)絡信息安全設(shè)施應用于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，包括用戶信息識別、網(wǎng)絡防火墻、入侵檢測、病毒防范等信息安全軟硬件系統(tǒng)，并進行日常監(jiān)控管理與更新。

b.為確保服務器的安全，將所有服務器全部放置在具有防火墻保護的獨立網(wǎng)段（中立區(qū)）。

c.系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備建立冗余后備系統(tǒng)。

d.將信息基礎(chǔ)設(shè)備安置在具有較好電磁兼容工作環(huán)境的專用機房，工作電源具有良好的接地，并具有防磁、防塵、防靜電保護、防止電磁泄漏等功能。

4 政策適應性

節(jié)能減排是用戶用能管理服務平臺的重要目標，適當?shù)恼哐a貼不僅符合國家的政策規(guī)范，也是其營運的可靠保障。當前，國家相關(guān)部委對節(jié)能減排出臺了許多相應的補貼政策，主要有以下幾個方面。

a.合同能源管理政府補貼。財政部門按照相關(guān)年節(jié)能量及標準對合同能源管理項目給予一次性獎勵，用以補助相關(guān)支出。

b.節(jié)能產(chǎn)品財政補貼。采取間接補貼的財政補貼方式，對中標企業(yè)進行相關(guān)補貼，再由中標企業(yè)按差價銷售給終端用戶。

由于用戶用能管理平臺具有實時性強、發(fā)布范圍廣等特性，在未來出臺法律、法規(guī)等政策性指導意見時，不僅要對相應的設(shè)備廠家、節(jié)能服務公司等提出相應的補貼政策，還應當考慮實際的節(jié)能效果，將節(jié)能補貼落實到電力用戶端，并通過用戶用能管理平臺予以實現(xiàn)。

5 總結(jié)與展望

用戶用能服務管理平臺是一個基礎(chǔ)性的服務平臺，對于節(jié)能減排、經(jīng)濟用電具有很重要的作用。本文從系統(tǒng)架構(gòu)、軟件架構(gòu)、信息安全以及政策適用性方面，進行相關(guān)內(nèi)容的闡述，對于用戶服務相關(guān)的技術(shù)開發(fā)和應用推廣，具有一定的借鑒作用。

同時，可以將用能管理服務能力和智能用電互動化等方面的研究成果，應用在用戶用能管理服務平臺上，構(gòu)建電網(wǎng)公司與電力用戶之間電力流、信息流、業(yè)務流實時互動，滿足用戶多元化需求，引導用戶合理用電，保障社會用電秩序，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟安全的電力供應，提高用電營銷服務水平。