面向对象的新型业务综合能源计量系统研究

贺云隆，宋晓林，黄璐涵，李建波，徐 军，谢海鹏

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710100；2.积成电子股份有限公司，山东 济南250100；3.西安交通大学，陕西 西安 710049）

0 引言

随着全球能源互联网的建设，综合能源成为了发展的重点[1]，单一的电能发展需要结合包括水、气、热等在内的能源形式协调发展。而目前综合能源计量技术尚未成熟，智能表计的终端应用程度还不够深入，通信网络构架也尚未形成，给综合能源开发和利用带来了一定困难。

目前，针对综合能源调度方面的研究较多。文献[2]提出了一种综合能源一体化采集系统的多任务自适应实时调度方法。文献[3]针对强电能源计量综合系统测试进行了研究。文献[4]设计了基于用电信息采集系统的一体化多表采集方案。文献[5]研究了基于物联网技术的能源计量采集传输装置。文献[6]设计了支持能源计量一体化的通信模拟测试系统。文献[7]针对水电气多表合一数据自动采集进行了分析。文献[8]对用电信息采集系统的四表合一技术进行了研究。文献[9]分析了用电信息采集系统应用现状及发展趋势。文献[10]设计了水、热、气、电四表合一的数据采集系统。文献[11]针对电力用户用电信息采集系统分布式弹性架构的设计与实现进行了分析。以上文献针对多表合一的研究较多，而对综合能源计量系统的研究不够深入。

为此，针对新型综合能源计量，本文首先说明了电动汽车、分布式电源以及多表合一对综合能源计量的数据需求；然后针对面向对象概念以及面向对象协议进行了分析，针对面向对象的特点，设计了综合能源计量的分层结构，给出了各层的主要功能以及通信构架；最后针对综合能源大数据的计量特征和数据流转进行了说明。

1 新型业务对计量数据的需求

1.1 电动汽车充换电业务

电动汽车越来越多的接入电网充电，其充电方式可根据电流的形式不同，分为交流充电和直流充电。这两种充电形式对电网计量工作都有一定的影响。电动汽车充电功率的计量主要是有功功率计量，目前所用的装置大部分为电子式电能表。早期的计量方法是通过将采样得到的电压和电流波形进行快速傅立叶变换，从而得到相应物理量的谐波分量的频率和幅值，进而通过计算得到各次谐波功率，并确定功率方向。由于快速傅立叶变换对于动态和非稳态的谐波或者暂态信息的分析有一定的局限性，又出现了对傅立叶变换的改进算法，从而提高了计量的准确性。

对于交流充电的电动汽车，计量可以按照普通的形式进行；而对于直流充电的电动汽车，如果仍然按照交流计量收费，则会产生一定的自身损耗成本，这会增加车主的成本支出，按照电费结算的原则，电动汽车直流充电时应在计量过程中安装相应的表计，采用直流计费。由于目前直流计费设备应用相对于交流计费设备广泛性较差，同时又存在相关政策和设备的缺乏，因此电动汽车计量方面存在一定的问题。

1.2 分布式电源接入

分布式电源通常是指包括分布式风机、屋顶光伏、储能设备等组成的小型配网电源。分布式发电可以满足用户和电网之间的双向流动，用户同时存在购电和售电。分布式电源一般分为并网运行和微网孤岛运行。

目前，分布式发电模式一般为自发自用、余电上网和全部上网两种，前者较多使用，在这种模式下，用户只需要进行简单的双向计量便可以完成结算。对于计价方式，一般分为上网电价和净电表计量方式两种。对于前者，分布式电源直接并网在配电网上，无需经过用户电表，单独进行电表计量；后者则需要采用双向计量电表计算用户和电网双向电能的总和，也就是通常使用的自发自用、余电上网的模式。

随着分布式电源在配电网的渗透率不断增加[12]，仅依靠计量用户与电网的双向结算电表，无法直接反映规模日益扩大的用户用电需求，应当进行双向的独立的电能监测，从而为分布式发电的统计和监控以及分布式电源的出力进行预测。

1.3 多表合一

多表合一是目前针对居民用户的一项重点推进项目，具体包括利用电力系统现有平台，实现电力、水资源、天然气、热力等能源的综合计量一体化[13]。多表合一能够有力促进智慧能源的发展和应用，同时也能够为分析居民用户的用能情况提供较为统一的数据接口，从而方便进一步对用户侧的综合用能情况进行管理。在公共事业领域，多种能源形式有不同的单位管理，在管理上没有重合。多表合一是在原有智能电表基础上的改进和提升，将智能水表、热力表与燃气表的功能进行整合，通过集中抄表和信息数据通信将多表数据传送到统一的管理平台，实现智能化管理。多表合一不仅能够实现工业、商业以及居民用户的用能采集，而且能够对终端能源消耗使用习惯、能源使用结构等方面提供有力的信息支撑。这部分系统是面向用户侧的综合能源计量中的重要环节。

综合能源系统与电能计量之间的关系如图1所示。

图1 综合能源计量Fig.1 Integrated energy metering

2 面向对象协议的新兴业务综合能源计量系统

2.1 面向对象概念

面向对象是计算机编程程序设计的一种思想，计算机编程分为面向对象和面向过程两类。面向过程是指利用计算机分析解决问题所需要的步骤，通过调用函数对问题进行一次解决；面向对象是将问题分解为各个对象，建立对象不是为了描述一个任务的完成，而是为了描述这个事物在整个解决问题步骤中的具体行为。具体来说，面向对象的思想是首先分析具体实体发出的动作，对实体进行定义，并根据其属性和功能增加相应的描述，最后让实体去执行相应的功能和动作。这个过程是建立在认识方法学基础上的，系统也就是对象和消息的组合，从而使得数据和方法有机融合为一个整体，可用于系统的建模，相对于面向过程程序设计，封装性较好。

2.2 面向对象的通信协议

用户用电信息的采集是计量的重要步骤，用户用电信息的采集需要一定的通信协议，目前广泛使用本地通信协议和远程通信协议。本地通信协议用于采集终端到智能电表的数据，远程通信协议用于采集终端到采集主站的数据交换。这两类通信协议在拓展性、兼容性等方面受到一定制约。随着电力大数据的不断推广应用，电网呈现多态化运营模式，多表合一等采集新业务不断出现，因此需要基于面向对象的通信协议来对电能的计量进行采集。

面向对象的通信协议是本地通信协议和远程通信协议的融合，能够在数据格式上进行统一，有利于用户用电信息采集和计量。面向对象的通信协议详细地规定了数据交换协议的数据构架、通信构架、数据链路层、应用层、接口类与对象标识，适用于点对点、多点共线、一点对多点的通讯方式。由于面向对象的通信协议充分借鉴了传统通信协议的经验，融合了国际标准IEC 62056采用面向对象的思想，因此，具有较强的可拓展性以及灵活配置性，这就意味着能够对多种用户类别的用电终端采集以及多表合一的智能表计有着良好的动态管理能力。在服务形式上，面向对象的通信协议能够提供链接、设置、读取、操作、上报、代理等多类型服务，意味着能够大幅增加协议一致性测试的内容，采集范围更加广泛，可以适用于多环节信息采集，包括主站、终端设备、智能电表、多表合一等表计设备[14]。面向对象的通信协议构架如图2所示。

图2 面向对象的通信协议构架Fig.2 Object-oriented communication protocol architecture

2.3 基于面向对象的综合能源计量构架

利用面向对象的通信协议构架，考虑电动汽车、分布式电源以及多表合一的应用需求，建立计量系统。

综合能源计量按照其通信网络可以分为4个部分：用户户内网络、智能表计、外部通信网络以及量测数据管理系统。这4个部分分别涉及到通讯终端、主站和通信通道以及数据采集设备3个层面。对于综合能源计量，用电信息的采集系统所面对的不仅仅是电能，采集的对象更加多样化，采集方式需要更加灵活，采集分析效率需要更高，数据形态范围更加广泛。对于可能会出现的大量新型业务，其多样性和不确定性对计量采集提出了更高的要求，因此该技术构架具有安全、高效、灵活、开放等特点。

综合能源计量构架由通信前置、实时业务分析、后台统计服务、智能分析、可视化模块和对外接口服务6个子系统构成，如图3所示。

图3 面向对象的综合能源计量构架Fig.3 Structure of object oriented integrated energy metering

①前置系统

通信前置系统是多能源综合采集系统的基础，多能源综合采集系统需要采集来自不同通信信道上的多种数据，包括水、电、气、热等计量装置提供的成百上千的大数据。因此，通信前置子系统采用弹性构架设计，通过信息通信技术达到日均处理信息量尽可能多的目的。通信系统所利用的通信通道主要是各能源公司提供的专用网络、光纤通信、以太网等。采集设备是现场计量设备、采集终端的集合，主要包括多表合一表计、集中器、智能终端等设备，可以使用多种频率的通信方式，以实现不同能源类别的通信。

②实时业务分析系统

实时业务分析系统主要针对各类能源信息系统的处理和分析，应用流处理技术和大数据处理技术，能够有效地分析各类能源信息数据，实现对多种能源类别的运行以及负荷预测，还能够根据大数据系统分析发现各种能源使用过程中的异常和故障，支撑水、电、气、热故障的快速排查和检修。实时业务分析系统可以根据不同能源类别的运行情况和统计时长，按照不同的时间间隔进行分类和处理。

③智能分析子系统

智能分析子系统是建立在实时业务分析系统上的进一步的优化和分析系统。智能分析子系统能够针对不同类别的数据，结合时间和地理位置信息双重维度对数据进行统计，建立与能源供应商、能源设备、能源消费者三者之间的行为分析、关系梳理等，能够有效地帮助建立用户侧和能源供应侧的互动，从而为制定相应的需求侧管理和设备整体运行状态提供决策支撑服务。

④可视化展示系统

可视化展示系统是根据不同的能源类别进行可视化展示的分析系统。由于多种能源运行数据相互融合，具有实时变化和规模庞大等特点，依靠传统的分析方法对数据进行展示的分析效率较低，难以及时获得有关能源使用情况的重要信息。通过可视化数据展示技术，利用计算机图形学和图像分析处理技术，将多种类型的数据转换成不同的图形或图像，实现数据的交互融合和直接展示，能够有效地分析数据的结果和数据运行情况。

⑤对外接口服务系统

对外接口服务系统能够建立综合能源计量系统与其他市政公共业务系统、能源营销等业务的交互模型。通过与其他服务接口的连接，能够查询相应的用能分析结果和用能采集情况，对外发布数据，实现能源计量系统业务的全方位融合。

⑥后台统计服务

后台统计服务能够对前置系统和实时业务分析系统得到的数据进行后台处理，从而为智能分析子系统提供相应的前端数据。后台统计服务需要利用相应的高速消息中间件进行传输，该中间件与通信网关服务器具有直接关系，因而后台统计分析服务器能够实现相应的通信、电力数据等方面的处理。

综合能源计量系统能够极大地提高各种能源的使用数据、分析和采集效率，丰富用户体验，实现多种能源的综合利用向数据驱动转变，能够为相关的决策机构部门制定节能减排等措施提供有力的数据支撑。通过对各类用户的综合用能情况的统计分析，实现公共事业、生产经营的能源需求，从而不断的为资源集约化能源发展提供有力的数据支撑。

2.4 综合能源计量通信体系

以电能为例，用电信息计量系统的通信协议如下：主站与采集终端之间遵循Q/GDW 1376.1-2013通信协议或IEC 62056标准体系协议（IECTC13）[15]；终端与智能电能表之间遵循DL/T 645-2007通信协议。系统间设备通信方式如图4所示[16]。本文综合能源通信体系可参考进行设计。

图4 用电信息系统中设备的通信方式Fig.4 Communication mode of the electricity information system

数据收集和传输的通信渠道可以是有线网络、无线网络或者其他组合。智能表计可实现能源计量表与公用事业中央管控系统之间的双向实时通信。这使实用程序能够收集间隔数据、基于时间的需求数据，实现中断管理、服务中断、服务恢复、服务质量监控、配电网络分析、配电计划等。近年来，高级计量构架（AMI）不断发展成熟并应用。AMI中的关键要素是智能表计与公用事业之间的通信服务器[17]。另外，计量系统与物理实体之间的通信还需要依靠物联网，因此物联网是综合计量通信体系中的重要内容。

本文针对计量的分层结构，提出如图5所示的综合能源计量系统通信构架。

图5 综合能源计量系统通信构架Fig.5 Communication architecture

该通信系统的结构分为终端、计量系统、物联网以及数据分析终端层。物联网是数据通信的过程层，实现实体设备与终端的通信。物联网层还包括量测网关和Hub，用于与计量系统进行通信。通过该通信系统，实现了用户设备、量测表计、网关、网络、数据中心之间的通信。

3 综合能源计量数据特征分析及流转

综合能源系统包括的能源类别较多，在能源综合计量过程中，不同类型能源的时间颗粒度存在一定差异，并且能源的使用形式以及本质属性的差异导致数据元素存在数据结构、数据存储等内容的较大差异。针对电能这类实时生产和消耗的、不可大规模存储的能源，时间采集颗粒度较小，并且采集面较广；而对于水、气、热等，采集时间颗粒度较大，一般生活中的数据采集均是按月计量，每日数据的采集需求不高。综合能源计量数据特征如图6所示。

图6 综合能源计量数据特征Fig.6 Data features of mixed energy metering

综合能源的计量与大数据、能源互联网的建设十分紧密，应当协调不同能源类型数据采集的频率和采集方式。由于综合能源计量过程中面对的是不同采集时间尺度要求、不同数据结构元素构成的复合数据结构，因此，有必要对综合能源计量的数据体系进行深入研究。

综合能源涉及到较多的数据类型和数据量，不同能源使用形式的数据采集到统一的数据库进行计量时涉及到数据流转。目前数据领域中，针对数据流转主要分为数据削峰、数据解耦和数据异步。数据削峰是将数据写入和处理分开进行，将大量的数据写入到计量消息队列中，后端再根据数据的处理能力进行进一步分析；数据解耦是将大量的数据分解到不同的服务器中，从多个数据写入端和数据读取端进行分布式处理；数据异步是指读写状态的时间差异性。针对综合能源大数据计量，在数据流转过程中，可以结合不同能源的数据结构采取不同的数据流转方案，减轻数据存储器的处理压力，提高能源综合计量效率和质量。

4 系统仿真

以多表合一为背景，对本文所提系统的效率进行测试。本文所提多表合一与传统表计的功能对比如表1所示，其中√表示支持该功能。

表1 功能对比Table 1 Comparison of functions

对采集终端进行带载测试，结果如表2所示。另外，测试过程中，终端有功功率最大值为2.22 W，视在功率最大值为5.02 VA。

从表2可以看出，多表合一的功能和测试数据相较传统表计有一定提高和改善。本文的综合能源表计还可以推广至电动汽车充放电功率以及可再生能源能量交换的计量。

5 结论

本文针对面向对象的综合能源计量系统进行了分析。首先说明了电动汽车、分布式电源以及多表合一对综合能源计量的数据需求；然后针对面向对象的概念以及面向对象的通信协议进行了分析，针对面向对象的特点，设计了综合能源计量的分层结构，给出了各层的主要功能以及通信构架；最后针对综合能源大数据的计量特征和数据流转进行了说明。通过本文的系统设计，可以为综合能源计量系统的发展提供一定思路。