用户侧多能源数据采集系统设计与应用
时间：2023-06-15 17:15:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
马云龙，王黎明，张法业，张艺蓝，张 雷，姜明顺
（1.国网江苏省电力有限公司，江苏南京 210024；
2.江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211100；
3.山东大学控制科学与工程学院，山东济南 250061）
在“智慧电网”[1-2]、“智慧城市”[3]建设的背景下，水网、电网、燃气、供热等系统之间存在信息壁垒，尚未建立互通互联。如何突破跨系统透明访问与信息共享，实现水、电、气、热等系统的全面互联与信息可靠共享，是智慧电网建设需要解决的重要问题[4-5]。传统的水、热、电、气抄表系统之间互相独立[6-7]，同一系统内部各城市区域的通信技术标准、检测技术规范等也存在差异[8-9]，需要一种统一、可靠的多表合一抄表系统，因此，研制用户侧多能源数据采集系统是实现水、电、气、热等系统数据的一体化远程抄收、实现公用事业一体化服务的重要工程，是开展智能电网建设的重要支撑[10-12]。
针对以上需求，该文设计了一种基于通信协议转换的用户侧多能源数据采集系统设计方案。该系统依托区域全覆盖的用电信息采集系统，采用自下而上的终端及网络传输层、协议管理层、数据服务层和功能应用层四层架构，通过研制通信接口转换器，将水、气、热表数据引入用电信息采集系统，解决了用户侧多能源数据采集中通信标准不统一、技术方案不统一等问题，实现了用户侧水、电、气、热用能数据的有效获取。
用户侧多能源数据采集系统总体框架如图1 所示。系统以用电信息采集系统作为用户侧多能源采集数据共享数据平台，采用自下而上的终端及网络传输层、协议管理层、数据服务层和功能应用层四层架构，实现水、气、热表数据的采集，并将采集数据推送到营销基础数据平台，实现数据共享及应用。其中，终端及网络传输层连接水、气、热表与智能电表或集中器的采集单元，并上传采集数据至协议管理层；
协议管理层将水、气、热表数据转换为用电通信协议格式并上传至数据服务层；
数据服务层完成数据存储及用电信息系统与影像基础数据平台的数据同步；
应用应用层完成数据可视化、统计查询、档案管理及数据深化应用等业务功能。
图1 多能源数据采集系统总体框架
硬件设计时，系统在原有用电信息采集系统的基础架构上，通过研制通信接口转换器，利用两路RS-485 上下行数据链路、两路M-Bus 下行数据链路进行数据传输[13]，实现水、气、热表数据的获取。其中，电表与水、气、热表下行数据通信通过LoRa 无线[14]或M-Bus 来实现，电表与采集器之间上行数据通信通过LoRa 无线、电力线载波或RS-485 来实现。
2.1 用电信息采集模块设计
用电信息的获取是实现用户侧多能源数据采集的关键，基于计量芯片HLW8112[15-16]构建用电信息采集模块，如图2 所示。
图2 用电信息采集模块
通道A 为负载设备功率、电压、电流和用电量检测通道，通道B 为负载设备漏电检测通道，根据漏电电流检测值大小确定设备漏电程度，并通过第15 引脚输出告警信号。
2.2 通信接口转换器设计
通信接口转换器与智能表之间采用LoRa 无线或M-Bus 等通信方式进行数据交换，并转换为统一的DL/T 645 多功能电能表采集规约，进而采用RS485、电力载波或LoRa 无线将数据传输至上层集中器，如图3 所示。
图3 通信接口转换器
3.1 系统软件功能设计
用户侧多能源数据采集系统软件实现统计查询、档案管理、安装调试、数据采集、多能源数据深化应用、可视化显示等功能，如图4 所示。其中，统计查询模块实现对综合数据的查询、对设备运行情况进行统计、工单生成和查询等；
档案管理模块自动同步各业务系统中客户、设备和参数等档案信息；
安装调试模块对终端、采集器、转换器和水、气、热表进行装接调试及档案维护，实现水、气、热抄表参数管理；
数据采集模块自动生成采集任务，进行实时、日月冻结和历史等数据的自动召测，并对采集质量进行分析；
多能源数据深化应用模块实现小区单元管理、泄露预警、用能异常、用能异常用户的统计和分析、水气表损耗统计和分析、疑似串户分析、漏水预警、风险预警等功能；
可视化显示模块实现用户异常信息汇总展示、用能阶梯展示等。
图4 系统功能
3.2 安装调试模块设计
安装调试由终端安装调试和表计安装调试两部分组成。终端安装调试采用由顶层至底层的装接模式，若营销系统的终端安装流程需要对现场终端计量点参数、任务参数进行调整，则用电信息采集系统自动进行下发参数、投设任务、确认参数确认等操作，保证现场设备投运正常。终端安装完成后，需要将终端更改为支持多能源数据采集模式。表计安装调试可以查询单个终端下水、气表档案，设置水、气抄表参数，并支持分批分组设置。
3.3 数据采集模块设计
数据采集模块根据采集计划制定采集任务，对水、电、气、热表数据进行自动采集，并根据水、电、气、热表计通信规约解析数据，利用数据库进行数据存储。另外，该模块还具有采集成功率统计功能，根据供电单位、数据日期、终端型号和仪表类型统计各地区的水气表的日末冻结数据和月末冻结数据的采集成功率，并支持对采集数据进行手动补采，每天后台自动进行失败列表更新、当天成功率的更新统计以及前七天成功率的复统计。具体流程如图5 所示。
图5 数据采集流程
3.4 档案管理模块设计
档案管理模块从用电营销业务应用系统中自动或手动同步水气热公司客户档案、表计设备档案、通信接口转换器档案等，实现不同系统档案信息同步。
3.5 用户用能分析模块设计
用户用能分析模块采用Spark 数据分析框架，基于BIRCH 层次分析方法，实现了多能源数据采集系统用户侧用能行为分析，流程如图6 所示。
图6 用户用能分析流程
为验证系统性能，在江苏省电力公司所辖南京、泰州、苏州等分公司辖区进行了试点应用，开展了连续6 个月的功能测试，测试结果如图7-10 所示。
图7 建设情况测试结果
从测试结果可知，该系统能够实现用户侧水、电、气、热等能源数据的有效获取、统一存储与管理等功能。
该文提出了一种用户侧多能源数据采集系统设计方案，实现了水、电、气、热表数据实时读取、统一存储及共享应用，为用户侧能源计划、能源控制、能效管理提供数据支撑。该方案的提出为用户侧水、电、气、热等多能源数据获取提供了一种有效的技术方案。
图8 用能统计测试结果
图9 安装调试测试结果
图10 多能源数据深化应用测试结果
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