用電信息采集系統(tǒng)未來應用領(lǐng)域與發(fā)展

苗 翯

（國網(wǎng)徐州供電公司賈汪區(qū)供電公司，江蘇 徐州 221005）

0 引 言

電力用戶用電信息采集系統(tǒng)是信息化、智能化電網(wǎng)建設(shè)的主要內(nèi)容，是由電能量采集系統(tǒng)、電力負荷管理系統(tǒng)、低壓集中抄表系統(tǒng)及關(guān)口電能量采集系統(tǒng)發(fā)展而來，對電能計量、線損統(tǒng)計、用電監(jiān)測及負荷管理等方面工作有重要意義[1]。同時，該系統(tǒng)可以連接營銷業(yè)務系統(tǒng)，有效推進分時電價、階梯電價等電費控制策略，實現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化電力營銷。

1 用電信息采集系統(tǒng)基本概述

1.1 用電信息采集系統(tǒng)重要性

智能電網(wǎng)要融合互聯(lián)網(wǎng)和通信優(yōu)勢，實現(xiàn)電力和信息的雙向流動和實時交換。要實現(xiàn)這一目標，必須要實現(xiàn)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電各環(huán)節(jié)信息采集和實時監(jiān)控。目前，安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、能量管理系統(tǒng)（EMS）和配網(wǎng)管理系統(tǒng)（DMS）相對成熟。隨著電力用戶增多，用電環(huán)節(jié)信息采集難度逐漸增加，成為智能電網(wǎng)建設(shè)的相對薄弱環(huán)節(jié)。因此，用電信息采集系統(tǒng)對智能電網(wǎng)建設(shè)具有重要意義。

1.2 用電信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前的用電信息采集系統(tǒng)由主站系統(tǒng)、通信信道、現(xiàn)場終端三部分組成。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，主站系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫服務器、磁盤陣列、應用服務器、前置服務器、接口服務器、工作站、全球定位系統(tǒng)（GPS）時鐘、防火墻以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，主要實現(xiàn)業(yè)務應用、數(shù)據(jù)采集、控制執(zhí)行、前置通信調(diào)度、數(shù)據(jù)庫管理等功能。通信信道用于主站層與采集點監(jiān)測設(shè)備層之間的通信，主要有無線公網(wǎng)（GPRS/CDMA）、光纖專網(wǎng)、230 MHz無線專網(wǎng)、電力線載波專網(wǎng)等通信方式?，F(xiàn)場終端主要包括智能電能表、專變采集終端、集中器、采集器等設(shè)備，負責實時采集負荷用電信息

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

圖1 用電信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

中國用電信息采集技術(shù)和采集覆蓋率在世界均處于領(lǐng)先地位。2008年9月起，國家電網(wǎng)公司開啟了集“計量、抄表、收費”于一體的研究工作。與此同時，國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一了智能電能表和用電信息采集系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范，對智能電能表和用電信息采集終端的技術(shù)參數(shù)、功能配置、可靠性要求、通信協(xié)議、信息交換安全認證、驗收檢驗等方面都提出了具體要求，為用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)提供支撐和保障。2009年以來，國家電網(wǎng)公司以“全覆蓋、全采集、全費控”為建設(shè)目標，按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一實施”的原則推動智能電能表應用和用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)。截至2013年10月底，已累計安裝應用智能電能表173億只，用電信息采集系統(tǒng)覆蓋1.73億戶。2018年12月，國家電網(wǎng)公司已累計完成4.57億用戶的智能電表安裝替換工作，服務區(qū)采集覆蓋率達99.6%；南方電網(wǎng)公司置換智能電表超過8 000萬只，服務區(qū)采集覆蓋率達90%。截止2020年1月，江蘇省采集覆蓋率已達到99.99%，智能電表覆蓋率已達到99.98%，基本實現(xiàn)了“全覆蓋、全采集、全費控”的目標。目前，國家電網(wǎng)公司所屬27個省公司的用電信息采集系統(tǒng)主站已經(jīng)全部投入運行，用戶用電信息數(shù)據(jù)采集在電量電費計算、抄表收費、線損分析、營銷稽查、業(yè)擴報裝、營配調(diào)一體化等多項業(yè)務技術(shù)中得到廣泛應用，并扮演者重要角色，對提升客戶服務能力、滿足客戶多元化需求、制定有序用電方案、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

國外智能電表的安裝速度和采集覆蓋率慢于國內(nèi)。目前全美范圍采集覆蓋率不到50%，俄羅斯預計在2020年采集覆蓋率才達到18.9%，歐盟要求成員國到2023年要基本完成智能電能表替換工作，采集覆蓋率達到100%。

2 用電信息采集系統(tǒng)未來主要應用領(lǐng)域

用電信息采集系統(tǒng)傳統(tǒng)應用領(lǐng)域包括電能計量、自動化抄表、電能表電量信息查詢、采集成功率與采集應用率統(tǒng)計、線損統(tǒng)計與管理及電力負荷監(jiān)控等。未來用電信息采集系統(tǒng)將覆蓋分布式能源業(yè)務、綜合能源信息采集及源-網(wǎng)-荷友好互動系統(tǒng)建設(shè)等領(lǐng)域。

2.1 分布式能源業(yè)務

隨著化石能源資源的日益枯竭和全球氣候變暖問題的日益突出，開發(fā)和利用風能、太陽能等可再生能源已成必然趨勢。未來的電力系統(tǒng)中分布式能源發(fā)電比例將逐步提高。未來用電信息采集系統(tǒng)將增加分布式能源發(fā)電、電動汽車充放電及微電網(wǎng)等業(yè)務模型，完成支撐分布式能源監(jiān)控終端與用戶側(cè)智能終端研制。分布式能源監(jiān)控終端能雙向收集電能表信息，通過用電信息采集系統(tǒng)，監(jiān)控風能、分布式光伏等能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)與電能質(zhì)量，從而控制分布式能源接入電網(wǎng)。

2.2 綜合能源信息采集

目前，水表、天然氣表、暖氣熱表主要采用人工抄表采集，效率不高、抄采準確率較低。要進一步發(fā)揮用電信息采集系統(tǒng)價值，實現(xiàn)水、電、氣、熱綜合能源數(shù)據(jù)集約化、規(guī)范化遠程抄表采集的“多表合一”建設(shè)。未來“多表合一”通信方案可歸納為5種：M-BUS總線通信、RS-485通信方案、微功率無線通信、無線公網(wǎng)和電力線載波。文獻[2]提出了更換雙模模塊、升級雙模模塊、增加通信接口轉(zhuǎn)換器三種“多表合一”建設(shè)方案，并指出了其應用環(huán)境。江蘇省電力公司2020年將繼續(xù)做好“多表合一”建設(shè)試點工作，增設(shè)“多表合一”新型系統(tǒng)，并采集30萬戶，支持綜合能源城市與智慧城市建設(shè)。

2.3 源-網(wǎng)-荷友好互動

目前，智能電網(wǎng)最本質(zhì)、最明顯的特征就是用戶可以參與需求側(cè)管理。未來的用電信息采集系統(tǒng)將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化、人機交互原則，實時提供用電數(shù)據(jù)、電價政策等信息，達到指導用戶合理用電，調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷負荷的目的。當用電緊缺時，用戶可以根據(jù)自身負荷重要程度的特點，選擇合理的負荷，分級別、分時段合理削減負荷，調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷水平，實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷友好互動。而電網(wǎng)公司根據(jù)不同時段負荷的情況制定合理的電價補貼。必須建設(shè)大帶寬、響應速度快、安全可靠的通信鏈路，滿足源-網(wǎng)-荷友好互動系統(tǒng)大量分散終端的數(shù)據(jù)采集和控制。

2.4 遠程智能費控

根據(jù)“全覆蓋、全采集、全費控”的建設(shè)目標，國家電網(wǎng)公司采用遠程智能費控模式，對客戶用電實施管理，即用戶“先交費后用電”。采用費控模式時，用電信息采集系統(tǒng)將根據(jù)用戶電量，計算用戶剩余電費，并將電費余額告知用戶。當余額不足時，通過發(fā)送信息等方式提示用戶繳費，當電費余額為零時，跳閘機構(gòu)啟動，斷開電源。遠程智能費控技術(shù)可由主站、采集終端、智能電能表3個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)執(zhí)行，因此，遠程智能費控技術(shù)實現(xiàn)方式有主站費控技術(shù)、采集終端費控技術(shù)和智能電能表費控技術(shù)3種。遠程智能費控技術(shù)對通信的響應能力要求較高，由于目前本地通信主要采用電力線載波，因此，需要進一步提高載波通信工作的實時性、可靠性和穩(wěn)定性，為實現(xiàn)遠程智能費控提供技術(shù)支撐。

3 用電信息采集系統(tǒng)發(fā)展趨勢

3.1 大數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、服務層、存儲層和處理分析層、應用層等部分構(gòu)成。高效能的數(shù)據(jù)計算工具和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)融入用電信息采集系統(tǒng)，可圍繞電量、電價、電費、線損等數(shù)據(jù)進行建模分析。搭建基于大數(shù)據(jù)的綜合仿真平臺，實現(xiàn)了電量、負荷、接線異常的診斷以及反竊電功能；對供電臺區(qū)線損數(shù)據(jù)的綜合解析，發(fā)現(xiàn)了季節(jié)和天氣對線損的影響，通過對解析結(jié)果的制定策略，有效降低了線損。文獻[3]指出，基于大數(shù)據(jù)的用電信息采集系統(tǒng)可實現(xiàn)電動汽車充電樁科學選址，充放電信息分析、潮流分析、降低諧波對電網(wǎng)污染；通過Web GIS技術(shù)和分布式能源計量點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分布式能源并網(wǎng)可視化實時監(jiān)控。

3.2 云計算技術(shù)

基于云計算技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)特點是具有分布式計算、虛擬化、冗余熱備份、高容錯機制等特點。通過服務器搭建云計算環(huán)境，并進行并行分析實驗。仿真結(jié)果表明，基于云計算的用電信息采集系統(tǒng)有效提升海量數(shù)據(jù)檢索、分析、計算性能。未來，云計算技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應用也存在不少技術(shù)難點。數(shù)據(jù)模型存在差異、日益復雜的用電業(yè)務需求、數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性的解耦是制約云技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中推廣與發(fā)展的幾個因素。同時，不同系統(tǒng)之間接口問題、云計算系統(tǒng)與傳統(tǒng)用電信息采集系統(tǒng)過渡都是未來亟需解決的技術(shù)問題。

3.3 三網(wǎng)融合技術(shù)

圍繞中國建設(shè)智能電網(wǎng)的總體目標，基于廣電網(wǎng)、電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的“三網(wǎng)融合”用電信息采集系統(tǒng)，完美的將語音通信、電信息數(shù)據(jù)和視頻技術(shù)有效結(jié)合。利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建完整的系統(tǒng)架構(gòu)，節(jié)約了更多的通信線路投資和運行方面的相關(guān)費用。文獻[4]指出，基于三網(wǎng)融合技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)應包含緊急呼叫服務、事故點定位、負荷實時監(jiān)控的信息管理系統(tǒng)，滿足未來電力營銷的需求。三網(wǎng)融合背景下，數(shù)據(jù)高度共享與融合，信息安全與保密面臨巨大挑戰(zhàn)，加強信息安全管理機制，提升信息安全管理水平尤為重要。

3.4 新型通信技術(shù)

未來用電信息采集系統(tǒng)要從實現(xiàn)通信模塊互聯(lián)互通、提升通信速率、提高數(shù)據(jù)采集效率和終端利用率等方面開展研究。在通信方案方面，文獻[5]就指出，改變EPON組網(wǎng)方案、接入方式和通信架構(gòu)，用電信息傳遞能力、質(zhì)量、效率將得到極大的提升，同時減少信息丟失。文獻[6]提出了一種EPON-LTEPLC-Zig bee相結(jié)合的新型AMI（高級計量架構(gòu)）用電信息方案，解決了單一通信方案的技術(shù)弊端。通信協(xié)議方面，文獻[7]提出一種支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的通信協(xié)議，增強終端各項功能性能，有效提高數(shù)據(jù)采集效率和采集成功率。文獻[8]提出基于高速無線與載波通信、e SIM通信方案的的新型模組化采集終端系統(tǒng)，具有北斗與GPS雙星授時定位、電表掉電快速上報、老化線路識別功能。

3.5 移動作業(yè)技術(shù)

傳統(tǒng)計量采集現(xiàn)場作業(yè)需要預先打印工作單，按照作業(yè)指導書和工作單要求進行操作，作業(yè)完成后，通過手工方式，將用戶電能表數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，效率低、耗時長、準確性差。移動作業(yè)技術(shù)是移動數(shù)據(jù)采集業(yè)務的應用，各項功能通過手持移動作業(yè)終端實現(xiàn)。作業(yè)人員可針對計量現(xiàn)場作業(yè)內(nèi)容，完成現(xiàn)場電能表數(shù)據(jù)錄入、現(xiàn)場稽查、業(yè)擴報裝辦理、移動地理信息系統(tǒng)（GIS）應用、移動知識庫、現(xiàn)場抄表等任務。移動作業(yè)技術(shù)的普及，很大程度上高了作業(yè)人員工作效率，有效實現(xiàn)了計量作業(yè)現(xiàn)場精益化管理，具有較好的應用前景。

4 結(jié) 論

本文簡要介紹用電信息采集系統(tǒng)現(xiàn)狀后，指出未來用電信息采集系統(tǒng)將覆蓋分布式能源業(yè)務、綜合能源信息采集、源-網(wǎng)-荷友好互動系統(tǒng)建設(shè)以及遠程智能費控等領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上指出未來用電信息采集系統(tǒng)將包含大數(shù)據(jù)、云計算、三網(wǎng)融合、新型通信以及移動作業(yè)等技術(shù)。因此，未來用電信息采集系統(tǒng)將是涵蓋更多業(yè)務功能，具備數(shù)據(jù)采集、檢索、分析、挖掘能力的高級應用管理平臺，對電力工業(yè)發(fā)展具有更加重要意義。