美国德州电力市场智能计量系统概述

王 木，贾 鑫，马子明，周 超，赵双双，欧阳曾恺，夏国芳

（1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学 电机系），北京 100084；2.国网江苏省电力有限公司 电力科学研究院，南京 211103；3.国家电网公司 电能计量重点实验室，南京 211103）

0 引言

随着我国现货市场的建立和售电市场的不断放开，市场主体数量急剧增加，主体类型趋于多元化，售电侧价格机制灵活化，用户在售电商之间的切换更加频繁，用户费率的日期差异性、时段差异性、阶梯差异性将成为售电市场的常态。这都意味着电网企业与用户之间将会有更频繁的数据交互，其中用户电能量数据是核心。电能量数据作为电网企业进行交易结算、市场分析、成本核算、停电管理等业务应用以及企业运营管理的重要基础，保障电能计量准确、可靠，是电网公司开展客户管理服务、业务经营、市场交易与结算的前提。因此，电能量数据的准确采集和科学管理能够支撑零售市场开放环境下灵活多样且动态变化的售电套餐结算，支持网荷互动模式下的结算与考核，具有重要的价值与现实意义。

国内学者对电力市场环境下的计量系统开展了相关研究。文献［1］分析了在电力零售环境下对自动抄表系统的要求，对照自动抄表实时电价结算、人工抄表实时电价结算、人工抄表固定电价结算等3 种计量方式开展了比较研究。文献［2］回顾了电能量计量系统的发展进程，提出了计量系统的设计原则，分析了其主要特点以及有关功能的实施，并对各种接入方案进行了归纳和比较。文献［3］提出了一种基于J2EE 架构的新一代电能量计量系统的实现技术方案。文献［4］介绍了电能量远程计量及综合应用环境的组成、系统结构、功能以及主站系统和终端装置的主要配置。现有研究多注重于供电侧，对售电侧放开和网荷互动环境下的计量系统研究较少。

当前世界上各个国家和地区的电力产业改革形态各不相同，许多国家开放了售电侧竞争，形成了形态各异的售电侧市场。德州电力零售市场（electric reliability council of Texas，ERCOT）是美国最早开放的电力零售市场，也是世界上最活跃的电力零售市场之一。为支撑德州零售市场的高效运营，德州建立了计量系统（smart meter Texas，SMT），充分利用智能电能表及相关通信和信息技术，提高了能源数据的访问和利用效率。本文通过对德州电力市场计量系统SMT的调研，分析现货市场与售电市场建设对计量系统提出的要求，对我国计量系统改造提出建议。

1 ERCOT售电市场概况

德州电力市场是北美最活跃的电力零售市场，拥有数百个售电主体，德州85%的用户都有自由选择供电商的权利［5］。图1展示了ERCOT组织架构及各个成员之间的关系［6］。

图1 美国德州电力市场组织架构Fig.1 Structure of ERCOT

1.1 售电业务管理

多数售电商会根据自己的负荷量和服务类型与发电企业签订长期合同，与其他的电力大用户一样参与现货市场，购买所需电能。售电商可以根据其自身成本设计相应的电力“产品”，自行设定费率并收取电费。根据德州公共事业委员会（public utility committee of Texas，PUCT）的要求，所有售电商都须将用电套餐和细则公布出来，以供用户选择［7］。

1.2 售电套餐

售电商的售电套餐一般分为3 类：固定套餐（Fixed Rate）、变动套餐（Variable Rate）和市场价格套餐（Indexed）。固定套餐是指零售电价在较长时期（数月至两年）内保持不变，方便用户准确估计自己的电费预算，但是当市场价格较低时，用户在固定套餐合同时限终止前无法享受较低的电价；变动套餐通常并不签订月度合同，但其费率会随着市场价格每月变化，用户需要关注套餐价格的变动；以适时调整其自身的电能消费；市场价格套餐的价格直接与批发市场现货电价挂钩。

虽然售电套餐主要由上述的3 种类型构成，但售电公司会根据实际需要推出各式各样的售电套餐。如分时电价套餐，为了鼓励用户在负荷低谷时段用电，这种套餐的价格会根据使用时段或使用日期的不同而变化。

2 ERCOT计量系统

德州计量系统SMT是由PUCT发起的、电力市场利益相关方共同推动组织的计量系统，由AEP德克萨斯州中央公司（American Electric Power Texas Central Company）、AEP 德克萨斯州北部公司（American Electric Power Texas North Company）、CenterPoint 能源休斯顿电气有限责任公司（CenterPoint Energy Houston Electric）、Oncor供电公司（Oncor Electric Delivery Company）和德克萨斯州-新墨西哥电力公司（Texas-New Mexico Power Company）组成［8］。

2.1 SMT的市场背景

德州电力市场是配售分离市场，输配电服务供应商（transmission and distribution service provider，TDSP）拥有配电网和电能计量系统，即TDSP可以读取计量数据。而售电商通常不拥有电力设备，为了基于用户智能电能表数据开展结算、开发零售套餐和提供风险管理等业务，协作式智能计量系统成为有效的解决方案。

2.2 SMT概念模型与系统架构

SMT 是一种基于网络的协作式信息系统，是规范多个市场参与者之间通过安全通道交换计量信息的互操作型解决方案。SMT基于输配电企业的高级计量系统通信网络，成为访问能源使用数据和与家庭局域网络设备通信的通用接口。

图2 是SMT 概念模型［9］，展示了各市场参与者之间的能源使用信息和家庭局域网（home area network，HAN）通信有关的数据通信。SMT 涉及多个电力市场主体，包括用户、服务提供商（REP 和第三方服务商）以及输配电企业。ERCOT与售电市场相关的主要职能是管理SMT 账户与数据访问的授权。不同的市场主体有特定的数据需求和不同的访问安全级别，图中标识了每一方的数据要求。

图2 SMT概念模型Fig.2 Conceptual model of SMT

SMT 拥有一个通用数据库，可存储由智能电能表以15 min 或更短时间间隔记录的电能使用数据，并向用户、经用户授权的零售商以及ERCOT提供这些数据的安全访问权限。

2.3 SMT功能

SMT有8个业务流程：

（1）访问电能表数据。用户、输配电企业、零售商和ERCOT 分别拥有对电能表数据的不同访问权限。可以访问电能使用数据和历史数据，SMT 保证数据安全性与格式的标准化；

（2）履行服务订单。常规服务，如读取、写入∕输出、断开∕重新连接和用户切换零售商。这些服务涉及输配电企业、零售企业和ERCOT之间的交互；

（3）提供用户服务。处理业务申请，解决问题和投诉，提供订单状态、停电恢复信息和使用数据的权限；

（4）结算批发市场。向ERCOT 提供批发市场结算所需的计量数据；

（5）提供使用数据。向用户和零售商提供电能使用数据，用以零售市场的需求响应和账单结算。该项最初是一个单独的业务流程，但后来被纳入业务流程1；

（6）安装电能表。进行智能电能表的初始安装；

（7）建立高级计量系统和HAN 之间的联系。添加∕删除HAN设备通过安全通信通道向HAN设备发送和接收消息；

（8）用户培训。有关高级计量系统的用户培训，包括帮助用户合理用电、降低成本等。

上述功能中，访问电能表数据、建立HAN 通信和用户培训是SMT 的基础功能。SMT 能够实现智能表计数据的互操作访问功能，第三方服务商通过用户授予权限，也能够访问用户的电能使用数据，并与HAN设备进行通信，这对零售市场环境下的需求响应有重要意义。

下面分别对这3项基础功能进行详细叙述。

（1）访问电能表数据

SMT为用户提供便捷高效的客户能源使用数据存储和查询业务。

如图3 所示［10］，计量数据从用户智能电能表传输到输配电服务供应商、SMT 和ERCOT，从SMT 传输到数据库以及在册零售商和第三方FTPS文件夹。

图3 计量数据传输流向Fig.3 Transmission direction of measurement data

SMT可提供的信息包括：按需计量表读数、15 min用电量、每日用电量、月度用电量等。

SMT的服务对所有输配电服务供应商的智能电能表具有通用性，以此保证了消费者、零售商和第三方服务商能够得到连续且及时的用电信息［11］。零售市场主体均可按需（如日内）向SMT 请求计量数据。SMT会计算和显示近乎实时的用户电力消耗情况。用户可以通过SMT 门户网站在线查看选择时段内的数据报告，通过分析比较使用户更好地管理用能行为并降低每月的电费支出。

零售商主要通过存储在SMT 的FTPS 文件夹中的文件接收客户的使用数据。同时零售商也可以在SMT的门户网站上或使用应用程序接口（API）申请特定客户的电能使用报告。由客户授权的第三方服务商能够访问客户的电能使用信息，在充分了解其能源使用和账单情况的前提下为客户定制更多创新的能效方案有助于提高能源利用效率。

如果没有SMT的组织，多个数据门户的开发和运营、多个接口的集成以及不统一的通信标准将增加输配电企业、零售商和第三方服务商获取客户用电信息的成本，进一步导致电力服务成本升高［12］。

（2）HAN通信

PUCT 规定了各输配电企业的高级计量系统必须支持“基于国家承认公开的协议同室内装置通信的能力，包含但不限于用电监控装置，负荷控制设备和预缴费系统”。

各输配电服务供应商的业务覆盖地理范围不同，业务需求和计量系统发展阶段存在差异，每个输配电服务供应商安装的智能电能表来自不同仪表制造商，通信网络的类型也不同。针对上述问题，SMT 通过开发支持ZigBee SEP 协议的标准HAN应用程序接口（API）加以解决。

SMT提供了一个通用接口发送标准HAN消息给客户HAN设备，并提供了在客户HAN内安装和删除HAN 设备的标准方法。SMT 的HAN 支持的功能为客户和第三方提供简单易行的管理工具管理和控制用户的HAN设备。输配电服务供应商也可以被授权添加和删除其服务范围内的HAN设备，从而为客户提供支持服务。每个不同SMT用户可以通过接口访问HAN功能，各SMT接口有其对应的HAN功能。

HAN 设备使智能计量系统的优势更为凸显。HAN设备在多种电力服务方面扮演着重要的角色，例如可编程通信式恒温器、发送给HAN设备的账单更新信息、创新型零售产品和需求响应计划等。

（3）用户培训

SMT的另一项重要功能是帮助客户了解自身的用电情况，并培训用户如何使用和访问SMT 功能。SMT 门户网站提供了帮助和培训功能，包括帮助板块、个性化助理功能、常见问题解答、用户指南、咨询页面及其他客户服务信息。SMT 还为用户提供SMT 计划中断通知和SMT 新功能提示，帮助用户合理用电、降低成本。总体而言，SMT门户网站与用户有较强的互动性。

2.4 SMT价值

整体上，SMT 给予了德州电力市场各参与主体很多益处，其中最为关键的就是促进了能源数据的获取和利用。通过及时获取能源使用数据，用户能够优化管理自身能源消费方案，从而降低月度能源支出，并从零售商和第三方服务商开发的创新智能电网产品（如账单告警、使用汇总、预付费服务、同类产品比较等）中受益。零售商和第三方服务商也不用关心客户所属的输配电服务商业务范围，可在公共的平台下载客户能源使用数据。SMT的实施带来的另一个关键益处是为第三方服务商与HAN 设备的通信提供了统一接口，激励了零售产品（例如可编程通信恒温器）和价格套餐的革新，保障了账单信息及时可见，使得需求响应优势更为凸显。

3 我国计量系统现状及面临问题

3.1 我国计量系统应用现状

3.1.1 计量系统应用现状

随着电网公司计量、营销业务集约化管理的推进，我国大部分网省公司已建成省级数据监管或采集平台并投入使用，将关口电能量采集系统、变电站关口电量采集系统、负荷管理系统、低压集中抄表系统数据全部整合纳入统一平台，实现了客户用电信息基础数据与营销技术支持系统的连接与共享。

电量统计功能实现了“网-省-地”分级汇总统计总电量、上一周期总电量、电量增长率、专变电量、专线电量、公变电量等内容。针对具体用户，未实现低压集抄覆盖的，电量统计以手工抄表值作为依据。

3.1.2 计量装置应用现状

在发电侧，大多数分部、省直调电厂的电量数据由电能量采集主站获取，具备每天96点的负荷数据采集条件，各电压等级的电量数据全部接入用电信息采集系统，多为24点小时电量数据。省级及以上的通信通道采用调度数据网传输，设备及通道均实现全覆盖。

在用户侧，南方电网公司已全面完成智能电表和低压集抄全覆盖工作，全网智能电表和低压集抄覆盖率达到100%；国家电网公司供电服务区域内智能电表和用电信息采集覆盖率均超过99%。从计量装置具备的功能看，电能表能够支持正、反向有功、无功电量和日冻结电量的记录，满足尖、峰、平、谷4个费率各时段电能量的记录要求，支持设定的时间点启动第二套费率计量。

3.2 我国计量系统改造需求

随着售电市场不断放开和现货市场建设，现有电能计量系统无法适应新形势下的电网业务需求，突出表现为以下3 个方面：电量数据采集频度无法匹配分时电价及网荷互动模式；费率时段相对固定，无法适应灵活多变的零售套餐；通信系统无法支撑海量数据传输。

电能计量系统从计量采集、数据传输到分析处理都应适应性发展，每个环节都应满足电力市场结算的需求。另一方面，电力市场计量、结算涉及不同机构、不同部门及不同系统，数据交互的安全性、可靠性与及时性十分重要。

美国德州智能计量系统利用智能电表及相关通信技术提高了能源数据的访问和利用效率，有效地支撑了德州竞争性电力市场的运行。SMT的构建经验对我国当前计量系统的改造具有一定的借鉴意义。

4 我国计量系统未来发展趋势

为满足现货市场实施及零售市场放开的需要，我国电能计量系统未来发展趋势包含以下几个方面。

4.1 适应竞争性电力零售市场交易结算和网荷互动的电能表计量模式

随着售电侧市场逐步放开、网荷互动运行常态化和精细化，更为密集的功率计量是保障网荷互动实时监控、事后结算的重要依据。综上，电能表的计量模式应至少满足以下基本要求：

（1）电能计量频度提升的要求。由售电公司代理的用户，其冻结电量的计量频度应不低于批发市场上电价变化的频度，根据现货市场推进建设的预期，有可能实现30 min、15 min、5 min 实时市场出清的频度，需对目前小时或日冻结电量的计费模式做出改变。

（2）费率时段设置的可变性要求。不同的售电公司对其所辖范围内的用户经营策略不尽相同，有可能产生多样化的费率时段组合；目前电能表的费率设置时段功能单一，且在表计本地设置，在售电侧逐步放开的现实条件下应用受限，不能满足不同的售电公司对终端用户的多样化结算需求。

（3）功率计量的频度提升要求。随着源荷互动、网荷互动的发展，用户针对新能源的不确定性出力，以及线路阻塞、调峰∕备用资源缺乏等问题的响应趋向精细化，为有效评估用户侧互动行为的有效性，保障结算的可行性，针对大用户和部分低压集抄用户采用15 min 的功率计量频度已不再满足应用要求。

对于参与网荷互动的用户，由于系统互动需求的时段通常较短，并对用户的响应时间进行考核，所需的电能计量分辨率要求大大提高，现有的电能表无法支撑网荷互动模式下电力用户的考核、结算业务需求。

（4）存储能力提升要求。依据现有业务需求，采集终端的存储容量一般都不大于128 MB。随着竞争性零售市场的开放和网荷互动的开展，采集对象的增加和内容的丰富、频度的增加对存储空间提出新的要求，同时要求终端增加本地存储，甚至数据的全生命周期存储，需要设计处理能力更强、存储空间（内存和外存）更大的终端设备。

（5）数据采集范围和终端开放性要求。数据采集的覆盖范围不断增大，目前要求覆盖用户侧10 kV及以上工商业用户以及发电侧中调及以上机组，随着售电侧开放程度的增加，远期计划内对10 kV以下的用户逐步纳入。随着售电市场的开放，同一变压器母线下的用户可能选择不同的售电公司，偏差结算就需要获取每个用户的电能计量数据，以汇总成售电公司的电能量数据。

4.2 准确的电能计量装置时钟校正策略

随着售电侧开放程度逐步的增加、网荷互动精确程度的提高以及电能量数据计量频度的提升，时钟对时的准确性、对电费结算的影响逐步凸显。目前计量主站一般具有与终端对时的功能，理论上可以实现终端时钟一致，但终端对表计对时的准确性仍无法保证。因此，应特别关注表计对时校正策略的设计与实现，对时校正操作应附加安全防护措施，避免因结算费用修改的动机执行的恶意操作。

4.3 高效的通信组网模式和通信规约

为适应海量数据的通信需求，通信方式可分上、下层进行层次化设置，上层通信在采集终端与主站之间，采用4G、公专一体化通信双模通信，以加密处理方式实现大容量、安全性的技术需求；下层通信在采集终端与计量表计之间，采用HPLC通信，实现实时性、稳定性、准确性和完整性“四位一体”的技术需求。

4.4 电能量数据的完整性保障机制和补正方法

针对电力零售市场结算的表计或终端数据的完整性，应由售电公司、用户和电网公司等多方讨论明确数据容错机制。根据邻近前后数据点行数据插值，并对经过容错机制处理得到的近似数据做近似标记，容错补正后数据完整率应达到100%，必要条件下，采用副表计量以保证重要用户或发电机组的电能量数据质量。

4.5 实现传统计量主站到用电数据共享平台的转变

主站功能配置应提升原有管理、计算分析等模块的性能，除满足基本的市场结算需求外，还应支撑海量数据分层挖掘分析的需求。数据接口、系统集成技术要进一步提高。依据市场业务关系，明确市场相关方，建立类似SMT的用户用电数据共享平台，合理放开数据访问权限及数据放开维度。基于海量用户用电量数据挖掘分析，结合售电侧放开进程，依托共享平台实现营销增值业务的扩展。

5 结束语

本文深入分析了美国德州电力市场的智能计量系统SMT，并详细阐述了访问电能表数据、建立HAN通信和用户培训是SMT提供的3项基本功能。在此基础上，本文总结了我国计量系统的研究和应用现状，提出了我国电能计量系统的发展趋势和相关要求，针对我国当前计量系统的改造提出相关建议，以适应市场环境下的复杂结算和网荷互动需求。推进与落实智能家用设备的通信标准统一，开发基于新型架构的电能计量系统，研发新型计量装置，才能有效支撑电力零售市场改革和网荷互动新业务模式。本文研究能够为我国电力市场环境下的计量系统发展提供有益参考和借鉴。D