本文摘要：摘要：為解決能源互聯(lián)網(wǎng)和電力市場體制改革在用戶側(cè)的能源計(jì)量問題，文章面向?qū)ο筇岢隽艘环N新型業(yè)務(wù)綜合能源計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)架。首先分析了電動汽車充換電、分布式電源接入、多表合一采集等新型業(yè)務(wù)在用戶側(cè)能源計(jì)量中的數(shù)據(jù)內(nèi)容、采集頻率、數(shù)據(jù)質(zhì)量等需求;然
摘要：為解決能源互聯(lián)網(wǎng)和電力市場體制改革在用戶側(cè)的能源計(jì)量問題，文章面向?qū)ο筇岢隽艘环N新型業(yè)務(wù)綜合能源計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)架。首先分析了電動汽車充換電、分布式電源接入、多表合一采集等新型業(yè)務(wù)在用戶側(cè)能源計(jì)量中的數(shù)據(jù)內(nèi)容、采集頻率、數(shù)據(jù)質(zhì)量等需求;然后針對面向?qū)ο蟾拍钜约懊嫦驅(qū)ο笸ㄐ艆f(xié)議，設(shè)計(jì)了面向?qū)ο髤f(xié)議的綜合能源計(jì)量系統(tǒng)，說明了系統(tǒng)構(gòu)架以及模塊功能;最后根據(jù)系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)，研究了分層結(jié)構(gòu)中的計(jì)量數(shù)據(jù)特征以及綜合能源數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)方式。
關(guān)鍵詞：面向?qū)ο?綜合能源計(jì)量;系統(tǒng)構(gòu)架;通信構(gòu)架
0引言隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，綜合能源成為了發(fā)展的重點(diǎn)[1]，單一的電能發(fā)展需要結(jié)合包括水、氣、熱等在內(nèi)的能源形式協(xié)調(diào)發(fā)展。而目前綜合能源計(jì)量技術(shù)尚未成熟，智能表計(jì)的終端應(yīng)用程度還不夠深入，通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架也尚未形成，給綜合能源開發(fā)和利用帶來了一定困難。目前，針對綜合能源調(diào)度方面的研究較多。文獻(xiàn)[2]提出了一種綜合能源一體化采集系統(tǒng)的多任務(wù)自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)度方法。
文獻(xiàn)[3]針對強(qiáng)電能源計(jì)量綜合系統(tǒng)測試進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于用電信息采集系統(tǒng)的一體化多表采集方案。文獻(xiàn)[5]研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源計(jì)量采集傳輸裝置。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了支持能源計(jì)量一體化的通信模擬測試系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]針對水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[8]對用電信息采集系統(tǒng)的四表合一技術(shù)進(jìn)行了研究。
文獻(xiàn)[9]分析了用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了水、熱、氣、電四表合一的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]針對電力用戶用電信息采集系統(tǒng)分布式彈性架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析。以上文獻(xiàn)針對多表合一的研究較多，而對綜合能源計(jì)量系統(tǒng)的研究不夠深入。為此，針對新型綜合能源計(jì)量，本文首先說明 了電動汽車、分布式電源以及多表合一對綜合能源計(jì)量的數(shù)據(jù)需求;然后針對面向?qū)ο蟾拍钜约懊嫦驅(qū)ο髤f(xié)議進(jìn)行了分析，針對面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了綜合能源計(jì)量的分層結(jié)構(gòu)，給出了各層的主要功能以及通信構(gòu)架;最后針對綜合能源大數(shù)據(jù)的計(jì)量特征和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)進(jìn)行了說明。
1新型業(yè)務(wù)對計(jì)量數(shù)據(jù)的需求
1.1電動汽車充換電業(yè)務(wù)
電動汽車越來越多的接入電網(wǎng)充電，其充電方式可根據(jù)電流的形式不同，分為交流充電和直流充電。這兩種充電形式對電網(wǎng)計(jì)量工作都有一定的影響。電動汽車充電功率的計(jì)量主要是有功功率計(jì)量，目前所用的裝置大部分為電子式電能表。
早期的計(jì)量方法是通過將采樣得到的電壓和電流波形進(jìn)行快速傅立葉變換，從而得到相應(yīng)物理量的諧波分量的頻率和幅值，進(jìn)而通過計(jì)算得到各次諧波功率，并確定功率方向。由于快速傅立葉變換對于動態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的諧波或者暫態(tài)信息的分析有一定的局限性，又出現(xiàn)了對傅立葉變換的改進(jìn)算法，從而提高了計(jì)量的準(zhǔn)確性。對于交流充電的電動汽車，計(jì)量可以按照普通的形式進(jìn)行;而對于直流充電的電動汽車，如果仍然按照交流計(jì)量收費(fèi)，則會產(chǎn)生一定的自身損耗成本，這會增加車主的成本支出，按照電費(fèi)結(jié)算的原則，電動汽車直流充電時(shí)應(yīng)在計(jì)量過程中安裝相應(yīng)的表計(jì)，采用直流計(jì)費(fèi)。由于目前直流計(jì)費(fèi)設(shè)備應(yīng)用相對于交流計(jì)費(fèi)設(shè)備廣泛性較差，同時(shí)又存在相關(guān)政策和設(shè)備的缺乏，因此電動汽車計(jì)量方面存在一定的問題。
1.2分布式電源接入
分布式電源通常是指包括分布式風(fēng)機(jī)、屋頂光伏、儲能設(shè)備等組成的小型配網(wǎng)電源。分布式發(fā)電可以滿足用戶和電網(wǎng)之間的雙向流動，用戶同時(shí)存在購電和售電。分布式電源一般分為并網(wǎng)運(yùn)行和微網(wǎng)孤島運(yùn)行。目前，分布式發(fā)電模式一般為自發(fā)自用、余電上網(wǎng)和全部上網(wǎng)兩種，前者較多使用，在這種模式下，用戶只需要進(jìn)行簡單的雙向計(jì)量便可以完成結(jié)算。對于計(jì)價(jià)方式，一般分為上網(wǎng)電價(jià)和凈電表計(jì)量方式兩種。
對于前者，分布式電源直接并網(wǎng)在配電網(wǎng)上，無需經(jīng)過用戶電表，單獨(dú)進(jìn)行電表計(jì)量;后者則需要采用雙向計(jì)量電表計(jì)算用戶和電網(wǎng)雙向電能的總和，也就是通常使用的自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的模式。隨著分布式電源在配電網(wǎng)的滲透率不斷增加[12]，僅依靠計(jì)量用戶與電網(wǎng)的雙向結(jié)算電表，無法直接反映規(guī)模日益擴(kuò)大的用戶用電需求，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行雙向的獨(dú)立的電能監(jiān)測，從而為分布式發(fā)電 的統(tǒng)計(jì)和監(jiān)控以及分布式電源的出力進(jìn)行預(yù)測。
1.3多表合一
多表合一是目前針對居民用戶的一項(xiàng)重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目，具體包括利用電力系統(tǒng)現(xiàn)有平臺，實(shí)現(xiàn)電力、水資源、天然氣、熱力等能源的綜合計(jì)量一體化[13]。多表合一能夠有力促進(jìn)智慧能源的發(fā)展和應(yīng)用，同時(shí)也能夠?yàn)榉治鼍用裼脩舻挠媚芮闆r提供較為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，從而方便進(jìn)一步對用戶側(cè)的綜合用能情況進(jìn)行管理。在公共事業(yè)領(lǐng)域，多種能源形式有不同的單位管理，在管理上沒有重合。
多表合一是在原有智能電表基礎(chǔ)上的改進(jìn)和提升，將智能水表、熱力表與燃?xì)獗淼墓δ苓M(jìn)行整合，通過集中抄表和信息數(shù)據(jù)通信將多表數(shù)據(jù)傳送到統(tǒng)一的管理平臺，實(shí)現(xiàn)智能化管理。多表合一不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)、商業(yè)以及居民用戶的用能采集，而且能夠?qū)K端能源消耗使用習(xí)慣、能源使用結(jié)構(gòu)等方面提供有力的信息支撐。這部分系統(tǒng)是面向用戶側(cè)的綜合能源計(jì)量中的重要環(huán)節(jié)。
2面向?qū)ο髤f(xié)議的新興業(yè)務(wù)綜合能源計(jì)量系統(tǒng)
2.1面向?qū)ο蟾拍?/p>
面向?qū)ο笫怯?jì)算機(jī)編程程序設(shè)計(jì)的一種思想，計(jì)算機(jī)編程分為面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程兩類。面向過程是指利用計(jì)算機(jī)分析解決問題所需要的步驟，通過調(diào)用函數(shù)對問題進(jìn)行一次解決;面向?qū)ο笫菍栴}分解為各個對象，建立對象不是為了描述一個任務(wù)的完成，而是為了描述這個事物在整個解決問題步驟中的具體行為。具體來說，面向?qū)ο蟮乃枷胧鞘紫确治鼍唧w實(shí)體發(fā)出的動作，對實(shí)體進(jìn)行定義，并根據(jù)其屬性和功能增加相應(yīng)的描述，最后讓實(shí)體去執(zhí)行相應(yīng)的功能和動作。這個過程是建立在認(rèn)識方法學(xué)基礎(chǔ)上的，系統(tǒng)也就是對象和消息的組合，從而使得數(shù)據(jù)和方法有機(jī)融合為一個整體，可用于系統(tǒng)的建模，相對于面向過程程序設(shè)計(jì)，封裝性較好。
2.2面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議
用戶用電信息的采集是計(jì)量的重要步驟，用戶用電信息的采集需要一定的通信協(xié)議，目前廣泛使用本地通信協(xié)議和遠(yuǎn)程通信協(xié)議。本地通信協(xié)議用于采集終端到智能電表的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程通信協(xié)議用于采集終端到采集主站的數(shù)據(jù)交換。這兩類通信協(xié)議在拓展性、兼容性等方面受到一定制約。隨著電力大數(shù)據(jù)的不斷推廣應(yīng)用，電網(wǎng)呈現(xiàn)多態(tài)化運(yùn)營模式，多表合一等采集新業(yè)務(wù)不斷出現(xiàn)，因此需要基于面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議來對電能的計(jì)量進(jìn)行采集。
2.3基于面向?qū)ο蟮木C合能源計(jì)量構(gòu)架
利用面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議構(gòu)架，考慮電動汽車、分布式電源以及多表合一的應(yīng)用需求，建立計(jì)量系統(tǒng)。綜合能源計(jì)量按照其通信網(wǎng)絡(luò)可以分為4個部分：用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、智能表計(jì)、外部通信網(wǎng)絡(luò)以及量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。
這4個部分分別涉及到通訊終端、主站和通信通道以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備3個層面。對于綜合能源計(jì)量，用電信息的采集系統(tǒng)所面對的不僅僅是電能，采集的對象更加多樣化，采集方式需要更加靈活，采集分析效率需要更高，數(shù)據(jù)形態(tài)范圍更加廣泛。對于可能會出現(xiàn)的大量新型業(yè)務(wù)，其多樣性和不確定性對計(jì)量采集提出了更高的要求，因此該技術(shù)構(gòu)架具有安全、高效、靈活、開放等特點(diǎn)。
3綜合能源計(jì)量數(shù)據(jù)特征分析及流轉(zhuǎn)
綜合能源系統(tǒng)包括的能源類別較多，在能源綜合計(jì)量過程中，不同類型能源的時(shí)間顆粒度存在一定差異，并且能源的使用形式以及本質(zhì)屬性的差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)元素存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲等內(nèi)容的較大差異。針對電能這類實(shí)時(shí)生產(chǎn)和消耗的、不可大規(guī)模存儲的能源，時(shí)間采集顆粒度較小，并且采集面較廣;而對于水、氣、熱等，采集時(shí)間顆粒度較大，一般生活中的數(shù)據(jù)采集均是按月計(jì)量，每日數(shù)據(jù)的采集需求不高。
綜合能源計(jì)量數(shù)據(jù)特征如圖6所示。 綜合能源的計(jì)量與大數(shù)據(jù)、能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)十分緊密，應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)不同能源類型數(shù)據(jù)采集的頻率和采集方式。由于綜合能源計(jì)量過程中面對的是不同采集時(shí)間尺度要求、不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)元素構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此，有必要對綜合能源計(jì)量的數(shù)據(jù)體系進(jìn)行深入研究。綜合能源涉及到較多的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量，不同能源使用形式的數(shù)據(jù)采集到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計(jì)量時(shí)涉及到數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。
目前數(shù)據(jù)領(lǐng)域中，針對數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)主要分為數(shù)據(jù)削峰、數(shù)據(jù)解耦和數(shù)據(jù)異步。數(shù)據(jù)削峰是將數(shù)據(jù)寫入和處理分開進(jìn)行，將大量的數(shù)據(jù)寫入到計(jì)量消息隊(duì)列中，后端再根據(jù)數(shù)據(jù)的處理能力進(jìn)行進(jìn)一步分析;數(shù)據(jù)解耦是將大量的數(shù)據(jù)分解到不同的服務(wù)器中，從多個數(shù)據(jù)寫入端和數(shù)據(jù)讀取端進(jìn)行分布式處理;數(shù)據(jù)異步是指讀寫狀態(tài)的時(shí)間差異性。針對綜合能源大數(shù)據(jù)計(jì)量，在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程中，可以結(jié)合不同能源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采取不同的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)方案，減輕數(shù)據(jù)存儲器的處理壓力，提高能源綜合計(jì)量效率和質(zhì)量。
電子論文投稿刊物：《電測與儀表》(月刊)創(chuàng)刊于1964年，由中國儀器儀表學(xué)會電磁測量信息處理儀器分會主辦。是我國唯一的電工儀器儀表專業(yè)核心科技期刊，主要報(bào)道電磁參數(shù)的測量方法，測量儀器、儀表、測試系統(tǒng)以及非電量測量的電測技術(shù)。
5結(jié)論
本文針對面向?qū)ο蟮木C合能源計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行了分析。首先說明了電動汽車、分布式電源以及多表合一對綜合能源計(jì)量的數(shù)據(jù)需求;然后針對面向?qū)ο蟮母拍钜约懊嫦驅(qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議進(jìn)行了分析，針對面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了綜合能源計(jì)量的分層結(jié)構(gòu)，給出了各層的主要功能以及通信構(gòu)架;最后針對綜合能源大數(shù)據(jù)的計(jì)量特征和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)進(jìn)行了說明。通過本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以為綜合能源計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展提供一定思路。
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作者：賀云隆1，宋曉林1，黃璐涵1，李建波1，徐軍2，謝海鵬3
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