電力系統(tǒng)公共事業(yè)數(shù)據(jù)集中采集方案研究

錢 奇，閆海峰

(1.南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100192)

國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出“完善煤、電、油、氣領(lǐng)域信息資源共享機(jī)制，支持水、氣、電集采集抄，建設(shè)跨行業(yè)能源運(yùn)行動態(tài)數(shù)據(jù)集成平臺，鼓勵能源與信息基礎(chǔ)設(shè)施共享復(fù)用”[1]。在電力行業(yè)中，各省電力公司均建立了省集中模式的用電信息采集系統(tǒng)(以下簡稱“用采系統(tǒng)”)，該系統(tǒng)在架構(gòu)上由主站系統(tǒng)、通信信道、采集終端、智能電表等組成，從功能上涵蓋電力用戶數(shù)據(jù)采集管理、費(fèi)控管理等基本型應(yīng)用，也開展了線損分析、防竊電等高級應(yīng)用功能。目前用電信息采集覆蓋率及成功率均超過99%，系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、可擴(kuò)充性強(qiáng)，能兼容多種通信報文和支持多種下行通道通信技術(shù)，并且支持海量數(shù)據(jù)的處理及存儲。水、氣、熱所屬公司多為地方或區(qū)域性公司，公司規(guī)模比較小，自動化采集建設(shè)起步晚，大多數(shù)公司以人工抄表為主，工作效率低。這些公司要建立各自獨(dú)立的自動化采集系統(tǒng)，在資金、技術(shù)、人員、通信信道等方面面臨的困難比較大。

在用電信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)水、氣、熱的信息采集，對于構(gòu)建智慧城市具有重要意義[2]。拓展用采系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，依托國網(wǎng)各省電力公司用采系統(tǒng)的表計、終端、通信信道及主站等資源，搭建公共事業(yè)數(shù)據(jù)集中采集平臺(以下簡稱“公共事業(yè)平臺”)，集中采集電表、水表、氣表、熱表數(shù)據(jù)(以下簡稱“四表合一”)，統(tǒng)一結(jié)算，統(tǒng)一繳費(fèi)，實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)用能信息資源共享，徹底改變公用事業(yè)管理服務(wù)模式。提高能源領(lǐng)域整體智能化控制和自動化管理水平。

1 數(shù)據(jù)集中采集體系架構(gòu)

公共事業(yè)平臺體系架構(gòu)如圖1所示，該架構(gòu)借鑒電力行業(yè)用采系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，充分利用其采集終端和信道資源，并覆蓋現(xiàn)場各種類型的水、氣、熱表，完成四表合一數(shù)據(jù)集中采集。

圖1 公共事業(yè)平臺體系架構(gòu)Fig.1 Public utility platform system architecture

整個架構(gòu)分為終端設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層、前置解析層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層5部分。其中終端設(shè)備層水、電、氣、熱表計通過通信模塊與上層智能電表或集中器的采集模塊相連，將采集回來的數(shù)據(jù)上傳至主站前置解析層；前置解析層將數(shù)據(jù)根據(jù)水、電、氣、熱表計通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析上送數(shù)據(jù)層；數(shù)據(jù)層通過公共事業(yè)數(shù)據(jù)平臺集成水、電、氣、熱數(shù)據(jù)模型，形成一體化的全景數(shù)據(jù)模型，通過公共事業(yè)采集平臺接入四表合一的實(shí)采數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)平臺和采集平臺交換靜態(tài)檔案信息、采集信息；應(yīng)用層調(diào)用數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示和報表查詢等業(yè)務(wù)功能，同時和營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用通過接口實(shí)現(xiàn)客戶檔案及電表示數(shù)的同步[3]，完成水、電、氣、熱統(tǒng)一核算和統(tǒng)一繳費(fèi)。

2 數(shù)據(jù)集中采集關(guān)鍵技術(shù)

2.1 一體化數(shù)據(jù)建模技術(shù)

構(gòu)建水、電、氣、熱一體化全景公共資源數(shù)據(jù)模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中采集的基礎(chǔ)，各行業(yè)各自維護(hù)行業(yè)內(nèi)私有數(shù)據(jù)模型，行業(yè)間數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)差異較大，數(shù)據(jù)模型無法信息交換共享。在電力領(lǐng)域IEC61970標(biāo)準(zhǔn)[4-6]的廣泛使用，以及模型的導(dǎo)出、合并、校驗(yàn)等技術(shù)的發(fā)展，為能源行業(yè)間及行業(yè)內(nèi)上下級協(xié)調(diào)建模奠定了基礎(chǔ)。鑒于電力行業(yè)在自動化采集控制領(lǐng)域起步較早，有成熟的電力設(shè)備、客戶檔案模型描述標(biāo)準(zhǔn)，公共事業(yè)平臺數(shù)據(jù)模型基于電力行業(yè)數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展[7-9]。構(gòu)建一體化數(shù)據(jù)模型主要包括模型適配、模型拼接、模型校驗(yàn)、模型異動分析、模型審核、模型發(fā)布[10]，最終形成可支撐公共事業(yè)集中采集的全景數(shù)據(jù)模型。一體化數(shù)據(jù)建模的模型維護(hù)流程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 公共事業(yè)平臺數(shù)據(jù)建模Fig.2 Data modeling diagram of public utility platform

(1)基于適配器的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)導(dǎo)入。公共事業(yè)平臺復(fù)用現(xiàn)有的水、電、氣、熱數(shù)據(jù)模型，遵循“源端維護(hù)、全局共享”原則建設(shè)。電力行業(yè)的電力用戶模型采用省集中模式維護(hù)管理，水、氣、熱用戶模型由地方性行業(yè)公司維護(hù)管理，客戶模型提供源端在通信協(xié)議、服務(wù)接口、數(shù)據(jù)格式均存在很大差異。面向異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成需建立數(shù)據(jù)模型共享標(biāo)準(zhǔn)，公共事業(yè)平臺采用電力領(lǐng)域應(yīng)用較廣的IEC61970標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展，形成公共信息模型/組件接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)信息有效集成和共享。遵循模型共享標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)適配器，適配器是面向異構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換共享、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換或服務(wù)接口轉(zhuǎn)換等目標(biāo)的代理軟件或服務(wù)。適配器即可與水、電、氣、熱行業(yè)系統(tǒng)相結(jié)合分布部署，也可與公共事業(yè)平臺結(jié)合集中部署。適配器包括協(xié)議適配器、接口適配器、數(shù)據(jù)適配器。協(xié)議適配器負(fù)責(zé)把TCP/IP、JDBC、Web Service、JMS等異構(gòu)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，為信息交換提供可一體化管理的信息通道；接口適配器負(fù)責(zé)消息格式的適配封裝，接口適配器封裝轉(zhuǎn)換動詞(Verb)、名字(Noun)、消息源(Source)、時間戳(Time Stamp)、消息ID(Message ID)、關(guān)聯(lián)ID(Correlation ID)、異步方式(Async Reply Flag)、以及針對消息內(nèi)容的編碼與壓縮信息，實(shí)現(xiàn)消息匹配路由；數(shù)據(jù)適配器采用數(shù)據(jù)字典機(jī)制實(shí)現(xiàn)私有數(shù)據(jù)格式和標(biāo)準(zhǔn)消息體格式之間的互轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)字典是基于標(biāo)準(zhǔn)面向模型對象的抽象，抽象數(shù)據(jù)對象、對象間關(guān)聯(lián)性、數(shù)據(jù)對象屬性域、屬性域間關(guān)聯(lián)性，在字典中配置私有數(shù)據(jù)格式與標(biāo)準(zhǔn)模型對象的映射關(guān)系，通過數(shù)據(jù)適配器把數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成遵循IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的CIM XML格式的模型文件。

(2)一體化全景數(shù)據(jù)模型拼接。公共事業(yè)平臺監(jiān)聽水、電、氣、熱模型異動消息，并從適配器層獲取標(biāo)準(zhǔn)CIM XML模型文件，模型文件解析和校驗(yàn)由CIM文件處理器完成，模型處理器基于數(shù)據(jù)字典進(jìn)行CIM文件解析，解析結(jié)果以模型對象為單元存儲在專享內(nèi)存空間。定制數(shù)據(jù)模型校驗(yàn)庫，模型校驗(yàn)庫分為錯誤型、告警型。錯誤型屬于數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)語義、語法錯誤，告警型為不能滿足個體應(yīng)用要求，錯誤型數(shù)據(jù)模型需回撤本次異動申請，告警型數(shù)據(jù)模型可繼續(xù)模型維護(hù)流程。

基于數(shù)據(jù)模型庫，結(jié)合存儲在內(nèi)存的模型對象完成模型的完整、高效校驗(yàn)。模型拼接是構(gòu)建公共事業(yè)一體化全景模型的關(guān)鍵技術(shù)之一。公共事業(yè)全景數(shù)據(jù)模型分為基礎(chǔ)模型和擴(kuò)展模型，基礎(chǔ)模型為默認(rèn)接入模型，擴(kuò)展模型由應(yīng)用層定制，模型消減程序自動裁剪多余數(shù)據(jù)模型，保證模型容量最小化。水、電、氣、熱數(shù)據(jù)模型孤立，模型合并程序負(fù)責(zé)各行業(yè)模型拼接，各行業(yè)數(shù)據(jù)模型抽象出用戶對象，用戶對象由證件號碼、用戶名、用戶地址等關(guān)鍵特征屬性抽象。系統(tǒng)采用基于用戶對象的特征識別技術(shù)，定位水、電、氣、熱共同的用戶實(shí)體，支持對于未能識別匹配的用戶對象手工拼接，模型拼接后裁剪掉多余邊界設(shè)備，保證用戶對象唯一，并且登記模型邊界，便于模型異動后邊界二次拼接。

(3)模型多態(tài)多應(yīng)用校核發(fā)布。多態(tài)多應(yīng)用模型發(fā)布如圖3所示。

圖3 多態(tài)多應(yīng)用模型發(fā)布示意Fig.3 Publishing of polymorphic multi application model

一體化全景數(shù)據(jù)模型需支撐水、電、氣、熱四大業(yè)務(wù)應(yīng)用，模型校核發(fā)布程序提供模型異動分析、模型審核、多態(tài)發(fā)布等核心功能。系統(tǒng)通過內(nèi)存加載異動后模型和在線運(yùn)行模型，并進(jìn)行比對分析，形成屬性級異動分析報告；應(yīng)用決策者基于異動分析報告審核模型，模型審核支持一審、二審多級審核機(jī)制；維護(hù)模型支持運(yùn)行態(tài)、未來態(tài)多態(tài)一體化維護(hù)，運(yùn)行態(tài)和未來態(tài)可互轉(zhuǎn)，多態(tài)機(jī)制實(shí)現(xiàn)模型超前維護(hù)，實(shí)時發(fā)布。模型發(fā)布時可動態(tài)生成水、電、氣、熱四大全景應(yīng)用在線模型，數(shù)據(jù)資源間相互不干擾。這樣形成了模型一體化維護(hù)，動態(tài)分裂成若干運(yùn)行模型。

2.2 通信及采集終端資源共享

公共事業(yè)平臺以集中器為界分為上行通道和下行通道。上行通道主要包括無線公網(wǎng)、230 MHz無線專網(wǎng)、光纖專網(wǎng)等遠(yuǎn)程通信技術(shù)[11]。智能電表的下行通道以載波和RS-485通信技術(shù)為主；水、氣、熱表下行通道所采用的通信技術(shù)主要有M-BUS總線、RS-485、微功率無線、無線公網(wǎng)、電力線載波等[12-13]。主要通信方案對比見表1。

表1 主要通信方案對比Tab.1 Comparison of main communication schemes

在用電采集系統(tǒng)中，除專變用戶、配變終端等少量表計通過RS-485或其他方式與集中器相連外，其余絕大多數(shù)低壓戶表是通過載波模塊與采集器或集中器連接。在公共事業(yè)平臺中，以戶為單位的水、氣、熱表的安裝位置一般都比較集中且距離電能表不太遠(yuǎn)。結(jié)合上表幾種通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，在不破壞居民家居設(shè)施的前提下，推薦圖4為該平臺典型的組網(wǎng)方式。上行通道和集中器直接共享使用系統(tǒng)的上行通道和集中器，將水、氣、熱表的采集數(shù)據(jù)從集中器傳送到網(wǎng)關(guān)前置。在下行通道中，水、氣、熱表可通過微功率無線直接與集中器通信；也可通過微功率無線與智能電能表通信，再由智能電能表通過載波與集中器通信；還可通過微功率無線與采集器通信，再由采集器通過載波與集中器相連。除此之外，下行通道還有基于M-BUS、RS-485、電力載波以及上述幾種通信技術(shù)靈活搭配的組網(wǎng)方式，其原理大體相似[14-15]。

圖4 集中采集典型組網(wǎng)Fig.4 Typical networking of centralized acquisition

基于圖4模式，要實(shí)現(xiàn)四表合一數(shù)據(jù)集中采集的技術(shù)方案，需要對集中器、智能電能表等設(shè)備進(jìn)行必要的改造。首先將水、氣、熱表更換成帶微功率無線模塊的表計，然后再將集中器、智能電能表、采集器的通信模塊更換成雙模模塊(即載波模塊和微功率無線模塊)，最后在網(wǎng)關(guān)前置、集中器、采集器、智能電能表中升級軟件功能，使網(wǎng)關(guān)前置能正確解析水、氣、熱表計的上下行報文，集中器、采集器、4種表計能準(zhǔn)確完成集中抄表的相關(guān)命令。

2.3 基于多層架構(gòu)的分布式采集處理

隨著電力用戶用電的“全采集、全覆蓋、全費(fèi)控”不斷推進(jìn)，系統(tǒng)接入的客戶檔案、終端數(shù)量不斷擴(kuò)大，并且配電、運(yùn)監(jiān)、調(diào)度、檢修等專業(yè)均對用電信息采集提出高密度數(shù)據(jù)需求，預(yù)估未來中等省份用電信息采集數(shù)據(jù)將日增65 GB，用采系統(tǒng)主站至少保存3年數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量將達(dá)到70 TB，加之水、氣、熱行業(yè)的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)主站在數(shù)據(jù)采集處理及數(shù)據(jù)存儲上都將面臨新的挑戰(zhàn)[16-17]。公共事業(yè)數(shù)據(jù)采集平臺在架構(gòu)上采用前置機(jī)功能拆分、基于信息流的數(shù)據(jù)總線、基于專享通道的數(shù)據(jù)加工模型、支持高效存儲的實(shí)時庫、分布式數(shù)據(jù)處理及存儲技術(shù)實(shí)現(xiàn)公共事業(yè)數(shù)據(jù)高效、高頻采集。多層架構(gòu)的分布式數(shù)據(jù)采集架構(gòu)如圖5所示。

圖5 分布式采集處理架構(gòu)Fig.5 Architecture of distributed acquisition and processing

(1)前置機(jī)功能拆分技術(shù)。前置機(jī)拆分為通信網(wǎng)關(guān)和采集前置。通信網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)用采系統(tǒng)與終端的鏈路維護(hù)，采集前置主要負(fù)責(zé)終端上送報文的解析處理。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集終端鏈路維護(hù)和報文解析處理的解耦，用采系統(tǒng)主站可依據(jù)當(dāng)前終端接入情況評判出所需的網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源，網(wǎng)絡(luò)資源出現(xiàn)瓶頸擴(kuò)充通信網(wǎng)關(guān)，計算資源出現(xiàn)瓶頸則擴(kuò)充采集前置。前置機(jī)拆分通信網(wǎng)關(guān)和采集前置技術(shù)解決2個問題：①實(shí)現(xiàn)用電信息采集縱向負(fù)載分?jǐn)?；②針對資源瓶頸類別(網(wǎng)絡(luò)資源和計算資源)針對性擴(kuò)充硬件資源，硬件升級所耗費(fèi)資源最小化。

(2)數(shù)據(jù)總線技術(shù)。基于責(zé)任區(qū)的分布式采集前置進(jìn)行報文協(xié)議解析，并把解析結(jié)果發(fā)布給基于內(nèi)存的數(shù)據(jù)總線，該數(shù)據(jù)總線與分布式采集前置相配套，數(shù)據(jù)總線提供發(fā)布訂閱的消息推送模式，也提供流式事件處理模式，數(shù)據(jù)總線按業(yè)務(wù)劃分歸類形成若干數(shù)據(jù)通道，該通道為基于業(yè)務(wù)的專享數(shù)據(jù)通道，專享數(shù)據(jù)通道能減少邏輯數(shù)據(jù)容量，便于信息快速檢索。

(3)數(shù)據(jù)模型加工技術(shù)?；跀?shù)據(jù)總線的業(yè)務(wù)專享數(shù)據(jù)通道單元，抽象出數(shù)據(jù)計算加工及任務(wù)調(diào)度模型，當(dāng)專享數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)變更后實(shí)時發(fā)布給數(shù)據(jù)加工模型和任務(wù)調(diào)度模型，數(shù)據(jù)加工模型基于專享數(shù)據(jù)實(shí)時加工數(shù)據(jù)，并按需啟動任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理和有序調(diào)度。

3 數(shù)據(jù)集中采集應(yīng)用

水、電、氣、熱是關(guān)乎民生的4個重要能源行業(yè)，涉及千家萬戶。其中抄表、核算、收費(fèi)、運(yùn)維等工作也牽扯大量的人力物力。依托現(xiàn)有用采系統(tǒng)主站和營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)集中采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水、電、氣、熱四表數(shù)據(jù)的統(tǒng)一歸集、統(tǒng)一存儲，全面推進(jìn)公共事業(yè)數(shù)據(jù)一體化抄收、一體化結(jié)算、一體化繳費(fèi)及一體化運(yùn)維[18-19]，將極大減少人力成本，提高服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)資源共享，減少重復(fù)投資。同時也將促進(jìn)智慧城市發(fā)展，提升公共事業(yè)部門的總體運(yùn)營水平。

四表合一的集中采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)計量裝置的在線監(jiān)測和用戶水、電、氣、熱相關(guān)重要信息的實(shí)時采集，及時、完整、準(zhǔn)確地為其他系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為企業(yè)經(jīng)營管理各環(huán)節(jié)的分析、決策提供數(shù)據(jù)支撐，為實(shí)現(xiàn)智能雙向互動服務(wù)提供信息基礎(chǔ)；也可利用該系統(tǒng)提供的事件異常處理機(jī)制，自動記錄異常事件詳細(xì)信息，及時觸發(fā)異常事件處理流程，快捷、有效地定位異常位置，縮短異常的處理時間。

4 結(jié)論

面向公共事業(yè)數(shù)據(jù)集中采集技術(shù)是用電信息采集系統(tǒng)在公共事業(yè)領(lǐng)域的一個深化應(yīng)用。國網(wǎng)公司已經(jīng)把“四表合一”數(shù)據(jù)采集應(yīng)用作為在新形勢下為加快公司科學(xué)發(fā)展而采取的一項重要舉措，本方案在北京、湖南、吉林等多省電力公司試點(diǎn)建設(shè)，得到了有效的驗(yàn)證，具有良好的應(yīng)用推廣價值。