电力系统公共事业数据集中采集方案研究

钱 奇，闫海峰

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211106；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192)

国家发展改革委、国家能源局发布的《关于促进智能电网发展的指导意见》提出“完善煤、电、油、气领域信息资源共享机制，支持水、气、电集采集抄，建设跨行业能源运行动态数据集成平台，鼓励能源与信息基础设施共享复用”[1]。在电力行业中，各省电力公司均建立了省集中模式的用电信息采集系统(以下简称“用采系统”)，该系统在架构上由主站系统、通信信道、采集终端、智能电表等组成，从功能上涵盖电力用户数据采集管理、费控管理等基本型应用，也开展了线损分析、防窃电等高级应用功能。目前用电信息采集覆盖率及成功率均超过99%，系统技术先进、功能强大、运行稳定、可扩充性强，能兼容多种通信报文和支持多种下行通道通信技术，并且支持海量数据的处理及存储。水、气、热所属公司多为地方或区域性公司，公司规模比较小，自动化采集建设起步晚，大多数公司以人工抄表为主，工作效率低。这些公司要建立各自独立的自动化采集系统，在资金、技术、人员、通信信道等方面面临的困难比较大。

在用电信息采集系统的基础上，实现水、气、热的信息采集，对于构建智慧城市具有重要意义[2]。拓展用采系统应用领域，依托国网各省电力公司用采系统的表计、终端、通信信道及主站等资源，搭建公共事业数据集中采集平台(以下简称“公共事业平台”)，集中采集电表、水表、气表、热表数据(以下简称“四表合一”)，统一结算，统一缴费，实现跨行业用能信息资源共享，彻底改变公用事业管理服务模式。提高能源领域整体智能化控制和自动化管理水平。

1 数据集中采集体系架构

公共事业平台体系架构如图1所示，该架构借鉴电力行业用采系统进行设计，充分利用其采集终端和信道资源，并覆盖现场各种类型的水、气、热表，完成四表合一数据集中采集。

图1 公共事业平台体系架构Fig.1 Public utility platform system architecture

整个架构分为终端设备层、网络通信层、前置解析层、数据层、应用层5部分。其中终端设备层水、电、气、热表计通过通信模块与上层智能电表或集中器的采集模块相连，将采集回来的数据上传至主站前置解析层；前置解析层将数据根据水、电、气、热表计通信协议进行数据解析上送数据层；数据层通过公共事业数据平台集成水、电、气、热数据模型，形成一体化的全景数据模型，通过公共事业采集平台接入四表合一的实采数据，数据平台和采集平台交换静态档案信息、采集信息；应用层调用数据层数据进行数据展示和报表查询等业务功能，同时和营销业务应用通过接口实现客户档案及电表示数的同步[3]，完成水、电、气、热统一核算和统一缴费。

2 数据集中采集关键技术

2.1 一体化数据建模技术

构建水、电、气、热一体化全景公共资源数据模型是实现数据集中采集的基础，各行业各自维护行业内私有数据模型，行业间数据模型标准差异较大，数据模型无法信息交换共享。在电力领域IEC61970标准[4-6]的广泛使用，以及模型的导出、合并、校验等技术的发展，为能源行业间及行业内上下级协调建模奠定了基础。鉴于电力行业在自动化采集控制领域起步较早，有成熟的电力设备、客户档案模型描述标准，公共事业平台数据模型基于电力行业数据模型标准进行扩展[7-9]。构建一体化数据模型主要包括模型适配、模型拼接、模型校验、模型异动分析、模型审核、模型发布[10]，最终形成可支撑公共事业集中采集的全景数据模型。一体化数据建模的模型维护流程关键节点如图2所示。

图2 公共事业平台数据建模Fig.2 Data modeling diagram of public utility platform

(1)基于适配器的标准化数据导入。公共事业平台复用现有的水、电、气、热数据模型，遵循“源端维护、全局共享”原则建设。电力行业的电力用户模型采用省集中模式维护管理，水、气、热用户模型由地方性行业公司维护管理，客户模型提供源端在通信协议、服务接口、数据格式均存在很大差异。面向异构系统的数据集成需建立数据模型共享标准，公共事业平台采用电力领域应用较广的IEC61970标准进行扩展，形成公共信息模型/组件接口规范，实现信息有效集成和共享。遵循模型共享标准，开发标准适配器，适配器是面向异构系统实现信息交换共享、数据格式转换、通信协议转换或服务接口转换等目标的代理软件或服务。适配器即可与水、电、气、热行业系统相结合分布部署，也可与公共事业平台结合集中部署。适配器包括协议适配器、接口适配器、数据适配器。协议适配器负责把TCP/IP、JDBC、Web Service、JMS等异构通信协议转换成标准的通信协议，为信息交换提供可一体化管理的信息通道；接口适配器负责消息格式的适配封装，接口适配器封装转换动词(Verb)、名字(Noun)、消息源(Source)、时间戳(Time Stamp)、消息ID(Message ID)、关联ID(Correlation ID)、异步方式(Async Reply Flag)、以及针对消息内容的编码与压缩信息，实现消息匹配路由；数据适配器采用数据字典机制实现私有数据格式和标准消息体格式之间的互转，数据字典是基于标准面向模型对象的抽象，抽象数据对象、对象间关联性、数据对象属性域、属性域间关联性，在字典中配置私有数据格式与标准模型对象的映射关系，通过数据适配器把数据模型转换成遵循IEC61970标准的CIM XML格式的模型文件。

(2)一体化全景数据模型拼接。公共事业平台监听水、电、气、热模型异动消息，并从适配器层获取标准CIM XML模型文件，模型文件解析和校验由CIM文件处理器完成，模型处理器基于数据字典进行CIM文件解析，解析结果以模型对象为单元存储在专享内存空间。定制数据模型校验库，模型校验库分为错误型、告警型。错误型属于数据模型基础语义、语法错误，告警型为不能满足个体应用要求，错误型数据模型需回撤本次异动申请，告警型数据模型可继续模型维护流程。

基于数据模型库，结合存储在内存的模型对象完成模型的完整、高效校验。模型拼接是构建公共事业一体化全景模型的关键技术之一。公共事业全景数据模型分为基础模型和扩展模型，基础模型为默认接入模型，扩展模型由应用层定制，模型消减程序自动裁剪多余数据模型，保证模型容量最小化。水、电、气、热数据模型孤立，模型合并程序负责各行业模型拼接，各行业数据模型抽象出用户对象，用户对象由证件号码、用户名、用户地址等关键特征属性抽象。系统采用基于用户对象的特征识别技术，定位水、电、气、热共同的用户实体，支持对于未能识别匹配的用户对象手工拼接，模型拼接后裁剪掉多余边界设备，保证用户对象唯一，并且登记模型边界，便于模型异动后边界二次拼接。

(3)模型多态多应用校核发布。多态多应用模型发布如图3所示。

图3 多态多应用模型发布示意Fig.3 Publishing of polymorphic multi application model

一体化全景数据模型需支撑水、电、气、热四大业务应用，模型校核发布程序提供模型异动分析、模型审核、多态发布等核心功能。系统通过内存加载异动后模型和在线运行模型，并进行比对分析，形成属性级异动分析报告；应用决策者基于异动分析报告审核模型，模型审核支持一审、二审多级审核机制；维护模型支持运行态、未来态多态一体化维护，运行态和未来态可互转，多态机制实现模型超前维护，实时发布。模型发布时可动态生成水、电、气、热四大全景应用在线模型，数据资源间相互不干扰。这样形成了模型一体化维护，动态分裂成若干运行模型。

2.2 通信及采集终端资源共享

公共事业平台以集中器为界分为上行通道和下行通道。上行通道主要包括无线公网、230 MHz无线专网、光纤专网等远程通信技术[11]。智能电表的下行通道以载波和RS-485通信技术为主；水、气、热表下行通道所采用的通信技术主要有M-BUS总线、RS-485、微功率无线、无线公网、电力线载波等[12-13]。主要通信方案对比见表1。

表1 主要通信方案对比Tab.1 Comparison of main communication schemes

在用电采集系统中，除专变用户、配变终端等少量表计通过RS-485或其他方式与集中器相连外，其余绝大多数低压户表是通过载波模块与采集器或集中器连接。在公共事业平台中，以户为单位的水、气、热表的安装位置一般都比较集中且距离电能表不太远。结合上表几种通信技术的优缺点，在不破坏居民家居设施的前提下，推荐图4为该平台典型的组网方式。上行通道和集中器直接共享使用系统的上行通道和集中器，将水、气、热表的采集数据从集中器传送到网关前置。在下行通道中，水、气、热表可通过微功率无线直接与集中器通信；也可通过微功率无线与智能电能表通信，再由智能电能表通过载波与集中器通信；还可通过微功率无线与采集器通信，再由采集器通过载波与集中器相连。除此之外，下行通道还有基于M-BUS、RS-485、电力载波以及上述几种通信技术灵活搭配的组网方式，其原理大体相似[14-15]。

图4 集中采集典型组网Fig.4 Typical networking of centralized acquisition

基于图4模式，要实现四表合一数据集中采集的技术方案，需要对集中器、智能电能表等设备进行必要的改造。首先将水、气、热表更换成带微功率无线模块的表计，然后再将集中器、智能电能表、采集器的通信模块更换成双模模块(即载波模块和微功率无线模块)，最后在网关前置、集中器、采集器、智能电能表中升级软件功能，使网关前置能正确解析水、气、热表计的上下行报文，集中器、采集器、4种表计能准确完成集中抄表的相关命令。

2.3 基于多层架构的分布式采集处理

随着电力用户用电的“全采集、全覆盖、全费控”不断推进，系统接入的客户档案、终端数量不断扩大，并且配电、运监、调度、检修等专业均对用电信息采集提出高密度数据需求，预估未来中等省份用电信息采集数据将日增65 GB，用采系统主站至少保存3年数据，数据总量将达到70 TB，加之水、气、热行业的数据采集，系统主站在数据采集处理及数据存储上都将面临新的挑战[16-17]。公共事业数据采集平台在架构上采用前置机功能拆分、基于信息流的数据总线、基于专享通道的数据加工模型、支持高效存储的实时库、分布式数据处理及存储技术实现公共事业数据高效、高频采集。多层架构的分布式数据采集架构如图5所示。

图5 分布式采集处理架构Fig.5 Architecture of distributed acquisition and processing

(1)前置机功能拆分技术。前置机拆分为通信网关和采集前置。通信网关主要负责用采系统与终端的链路维护，采集前置主要负责终端上送报文的解析处理。该技术实现采集终端链路维护和报文解析处理的解耦，用采系统主站可依据当前终端接入情况评判出所需的网络资源和计算资源，网络资源出现瓶颈扩充通信网关，计算资源出现瓶颈则扩充采集前置。前置机拆分通信网关和采集前置技术解决2个问题：①实现用电信息采集纵向负载分摊；②针对资源瓶颈类别(网络资源和计算资源)针对性扩充硬件资源，硬件升级所耗费资源最小化。

(2)数据总线技术。基于责任区的分布式采集前置进行报文协议解析，并把解析结果发布给基于内存的数据总线，该数据总线与分布式采集前置相配套，数据总线提供发布订阅的消息推送模式，也提供流式事件处理模式，数据总线按业务划分归类形成若干数据通道，该通道为基于业务的专享数据通道，专享数据通道能减少逻辑数据容量，便于信息快速检索。

(3)数据模型加工技术。基于数据总线的业务专享数据通道单元，抽象出数据计算加工及任务调度模型，当专享数据通道数据变更后实时发布给数据加工模型和任务调度模型，数据加工模型基于专享数据实时加工数据，并按需启动任务调度，实现数据的高效处理和有序调度。

3 数据集中采集应用

水、电、气、热是关乎民生的4个重要能源行业，涉及千家万户。其中抄表、核算、收费、运维等工作也牵扯大量的人力物力。依托现有用采系统主站和营销业务应用系统，采用数据集中采集技术，实现水、电、气、热四表数据的统一归集、统一存储，全面推进公共事业数据一体化抄收、一体化结算、一体化缴费及一体化运维[18-19]，将极大减少人力成本，提高服务质量，实现资源共享，减少重复投资。同时也将促进智慧城市发展，提升公共事业部门的总体运营水平。

四表合一的集中采集系统能实现计量装置的在线监测和用户水、电、气、热相关重要信息的实时采集，及时、完整、准确地为其他系统提供基础数据，为企业经营管理各环节的分析、决策提供数据支撑，为实现智能双向互动服务提供信息基础；也可利用该系统提供的事件异常处理机制，自动记录异常事件详细信息，及时触发异常事件处理流程，快捷、有效地定位异常位置，缩短异常的处理时间。

4 结论

面向公共事业数据集中采集技术是用电信息采集系统在公共事业领域的一个深化应用。国网公司已经把“四表合一”数据采集应用作为在新形势下为加快公司科学发展而采取的一项重要举措，本方案在北京、湖南、吉林等多省电力公司试点建设，得到了有效的验证，具有良好的应用推广价值。