電力百科：用電信息采集系統(tǒng)

用電信息采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)抄表及電費結(jié)算的智能化，提高電網(wǎng)營銷科技水平，并能指導(dǎo)社會科學(xué)合理用電，為智能用電服務(wù)提供有力的技術(shù)支持。本節(jié)主要介紹用電信息采集的基本概念、系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。

一、基本概念

用電信息采集系統(tǒng)是對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監(jiān)控的系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息的自動采集、計量異常監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電分析和管理等功能。用電信息采集系統(tǒng)是智能用電管理、服務(wù)的技術(shù)支持系統(tǒng)，為管理信息系統(tǒng)提供及時、完整、準確的基礎(chǔ)用電數(shù)據(jù)。

用電信息采集系統(tǒng)面向電力用戶、電網(wǎng)關(guān)口等，實現(xiàn)購電、供電、售電3個環(huán)節(jié)信息的實時采集、統(tǒng)計和分析，達到購、供、售電環(huán)節(jié)實時監(jiān)控的目的。用電信息采集系統(tǒng)為電網(wǎng)企業(yè)層面的信息共享，逐步建立適應(yīng)市場變化、快速反應(yīng)用戶需求的營銷機制和體制，提供必要的基礎(chǔ)裝備和技術(shù)手段。

用電信息采集系統(tǒng)與高級量測體系之間的關(guān)系：

(1)在信息采集方面兩者有相似性。在實現(xiàn)雙向計量的基礎(chǔ)上，用電信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)計量點電能、電流、電壓、功率因數(shù)、負荷曲線等電氣參量信息的采集;高級量測體系支持更大范圍內(nèi)的電氣及非電氣參量信息采集，如用戶側(cè)供用電設(shè)備運行狀態(tài)、分布式電源運行信息、有序充電監(jiān)控信息、小區(qū)/樓宇各種用能信息等。

(2)支撐的業(yè)務(wù)有較大差異。用電信息采集系統(tǒng)完成用戶電能表的信息采集、電力負荷管理。在此基礎(chǔ)上，高級量測體系還廣泛應(yīng)用智能傳感器，支持用戶側(cè)供用電設(shè)備運行信息采集與監(jiān)控、分布式能源控制、電動汽車有序充電、小區(qū)/樓宇智能能效管理、自助用電服務(wù)等。

(3)實現(xiàn)控制的方式和范圍有較大差異。用電信息采集系統(tǒng)涉及預(yù)付費控制和直接負荷控制，預(yù)付費控制、直接負荷控制方式具有強制性;高級量測體系在需求響應(yīng)技術(shù)支持下，為用戶提供參與電網(wǎng)調(diào)峰的技術(shù)手段，實現(xiàn)柔性負荷控制，更具人性化。用電信息采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)電力負荷控制;高級量測體系不僅可以實現(xiàn)電力負荷控制，還支持用戶側(cè)智能電器控制、供用電設(shè)備監(jiān)控。

(4)從用電信息采集的典型業(yè)務(wù)角度看，采用窄帶通信技術(shù)能滿足需求;高級量測體系是國際范圍內(nèi)的一項整體性系統(tǒng)技術(shù)，一般需寬帶通信技術(shù)支持。

(5)從業(yè)務(wù)層面看，用電信息采集系統(tǒng)是一套支撐性技術(shù)系統(tǒng);高級量測體系采用開放的架構(gòu)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，支持實現(xiàn)更大范圍的信息資源整合，便于構(gòu)建統(tǒng)一的信息平臺。

二、系統(tǒng)架構(gòu)

用電信息采集系統(tǒng)的采集對象包括專線用戶、各類大中小型專用變壓器用戶、各類380/220V供電的工商業(yè)用戶和居民用戶、公用配電變壓器考核計量點。用電信息采集系統(tǒng)的統(tǒng)一采集平臺功能設(shè)計，支持多種通信信道和終端類型，可用來采集其他的計量點，如小水電、小火電上網(wǎng)關(guān)口、統(tǒng)調(diào)關(guān)口、變電站的各類計量點。

全面采集大型專用變壓器用戶、中小型專用變壓器用戶、三相一般工商業(yè)用戶、單相一般工商業(yè)用戶、居民用戶和公用配電變壓器考核計量點6類用戶，以及分布式能源接入、充放電與儲能裝置接入計量點的電能信息等數(shù)據(jù)，構(gòu)建完善的用電信息數(shù)據(jù)平臺，是智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的重要基礎(chǔ)和用戶用電信息的重要來源。

系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、終端管理、檔案管理、控制、自動抄表管理、費控管理、有序用電管理、用電統(tǒng)計分析、異常用電分析、電能質(zhì)量分析、線/變損分析、運行維護管理、權(quán)限和密碼管理、安全防護等，為智能用電雙向互動服務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)主要從邏輯的角度對用電信息采集系統(tǒng)從主站、信道、終端、采集點等幾個層面進行邏輯分類，為各層次的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。用電信息采集系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖1所示。

用電信息采集系統(tǒng)在邏輯上分為主站層、通信信道層、采集設(shè)備層3個層次。用電信息采集系統(tǒng)集成在營銷應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)交換由營銷應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)一與其他應(yīng)用系統(tǒng)進行接口。營銷應(yīng)用系統(tǒng)指營銷管理業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，除此之外的系統(tǒng)稱之為其他應(yīng)用系統(tǒng)。

(1)主站層分為營銷采集業(yè)務(wù)應(yīng)用、前置采集平臺、數(shù)據(jù)庫管理3部分。業(yè)務(wù)應(yīng)用實現(xiàn)系統(tǒng)的各種應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯。前置采集平臺負責采集終端的用電信息、協(xié)議解析，并負責對終端單元發(fā)操作指令。數(shù)據(jù)庫負責信息存儲和處理。

(2)通信信道層是連接主站和采集設(shè)備的紐帶，提供可用的有線和無線的通信信道。主要采用的通信信道有光纖專網(wǎng)、GPRS/CDMA無線公網(wǎng)、230MHz無線專網(wǎng)。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

(3)采集設(shè)備層是用電信息采集系統(tǒng)的信息底層，負責收集和提供整個系統(tǒng)的原始用電信息。該層可分為終端子層和計量設(shè)備子層。對于低壓集抄部分，包括集中器+電能表和集中器+采集器+電能表等多種形式。終端子層收集用戶計量設(shè)備的信息，處理和凍結(jié)有關(guān)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)與上層主站的交互;計量設(shè)備子層實現(xiàn)電能計量和數(shù)據(jù)輸出等功能。

系統(tǒng)物理架構(gòu)是指用電信息采集系統(tǒng)實際的網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)成，其物理架構(gòu)如圖2所示。用電信息采集系統(tǒng)從物理上可根據(jù)部署位置分為主站、通信信道、現(xiàn)場終端3部分，其中系統(tǒng)主站部分單獨組網(wǎng)，與其他應(yīng)用系統(tǒng)以及公網(wǎng)信道采用安全防護設(shè)備進行安全隔離，保證系統(tǒng)的信息安全。

圖2 用電信息采集系統(tǒng)物理架構(gòu)

(1)主站網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)主要由營銷系統(tǒng)服務(wù)器(包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、磁盤陣列、應(yīng)用服務(wù)器)、前置采集服務(wù)器(包括前置服務(wù)器、工作站、GPS時鐘、安全防護設(shè)備)以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。

(2)通信信道是指系統(tǒng)主站與終端之間的遠程通信信道，主要包括光纖信道、GPRS/CDMA無線公網(wǎng)信道、230MHz無線專網(wǎng)信道等。

(3)現(xiàn)場終端是指安裝在采集現(xiàn)場的終端設(shè)備，主要包括專用變壓器終端、集中器、采集器等。

三、關(guān)鍵技術(shù)

用電信息采集關(guān)鍵技術(shù)包括智能電能表、采集終端、主站軟件、安全加密以及本地及遠程通信技術(shù)。因前述章節(jié)已經(jīng)介紹通信技術(shù)，在此不再敘述。

(一)智能電能表技術(shù)

(1)智能電能表是電能智能計量設(shè)備，由計量與數(shù)據(jù)處理、存儲單元、通信單元及接口單元組成，具有方便美觀的操作、顯示與交互界面。

傳統(tǒng)電網(wǎng)只是單向為用戶提供電能。而智能電網(wǎng)與電力用戶可能會有雙向功率流動，用戶可以通過電網(wǎng)選擇并買賣電能。智能電能表更主要的目的是為用戶提供用電使用信息，從而使用戶調(diào)整自己的用電行為，減少能源消耗。

智能電能表能實現(xiàn)連續(xù)的帶有時標的多種間隔用電計量，提升傳統(tǒng)電能表單一電能計量功能，它實際上是分布于智能電網(wǎng)上的測量點和智能傳感器。

485或紅外接口等。-(2)目前廣為應(yīng)用的電子式電能表可以稱為第二代電能表。它滿足基本的電能計量功能，具有分時和復(fù)費率計量功能，可以選配預(yù)付費和負荷控制功能，硬件上采用大規(guī)模集成電路、LCD或機械計度器、RS

485接口、載波PLC為基本接口配置，可以選配以太網(wǎng)、微功率無線通信方式。-(3)在第二代電能表的基礎(chǔ)上，為滿足電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的需要，近幾年國內(nèi)已開發(fā)出第三代電能表。第三代電能表集成了電能多功能計量、自動采集、預(yù)付費、階梯電價等多方面功能，因此在硬件平臺的選擇和產(chǎn)品設(shè)計上更加注重運行速度、存儲空間、功耗等因素;除了以上功能的擴展，在通信接口和性能方面有較大提升，即除原有的RS

但第三代電能表技術(shù)距智能電網(wǎng)建設(shè)要求還存在很大的差距，主要體現(xiàn)在電表網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議功能簡單、嵌入式通信技術(shù)不成熟、安全防護性能差、微處理器基本上依賴國外核心技術(shù)進行設(shè)計等多個方面，難以滿足雙向互動、分布式電源接入、需求響應(yīng)等智能用電需求?，F(xiàn)有的電能表主要記錄用戶所消耗的電能，不能夠?qū)崟r接收電網(wǎng)實時電價等信息，尚無節(jié)電管理等功能。

除了基本功能外，智能電能表還需具備以下功能：① 有功電能和無功電能雙向計量，支持分布式能源用戶的接入。② 具備階梯電價、預(yù)付費及遠程通斷電功能，支持智能需求側(cè)管理。③ 可以實時監(jiān)測電網(wǎng)運行狀態(tài)、電能質(zhì)量和環(huán)境參量，支持智能用電用能服務(wù)。④ 具備異常用電狀況在線監(jiān)測、診斷、報警及智能化處理功能，滿足計量裝置故障處理和在線監(jiān)測。⑤ 配備專用安全加密模塊，保障電能表信息安全儲存、運算和傳輸。

(二)采集終端設(shè)備技術(shù)

(1)用電信息采集終端，用于非居民用戶及居民用戶用電信息采集，并對用電異常信息進行管理和監(jiān)控。用電信息采集終端一般包括專用變壓器采集終端、集中器和采集器，以及用于通信的專用通信模塊等。

專用變壓器采集終端是對專用變壓器用戶用電信息進行采集的設(shè)備，可以實現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)的采集、電能計量設(shè)備工況和供電電能質(zhì)量監(jiān)測，以及用戶用電負荷和電能量的監(jiān)控，并對采集數(shù)據(jù)進行管理和雙向傳輸。專用變壓器采集終端不僅用于采集、監(jiān)測、計算與傳輸電能表的各種數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進行負荷控制，以及進行遙控和告警提示。此類終端主要應(yīng)用于大中小型專用變壓器用戶。

抄表終端通常包含集中器和采集器兩部分，用于低壓非居民用戶、居民用戶用電信息采集，并對用電異常信息進行管理和監(jiān)控。

485等。-專用通信模塊按照功能劃分，可以分為上行通信模塊和下行通信模塊。上行通信模塊目前常用的通信技術(shù)為230MHz無線專網(wǎng)、GPRS/CDMA無線公網(wǎng)、光纖、以太網(wǎng)等，下行通信模塊常用PLC、微功率短距離無線(RF)、RS

(2)在用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)完成后，將向高級量測體系(AMI)發(fā)展。AMI 采用雙向通信網(wǎng)絡(luò)，讀取智能電能表，并能把表計信息包括故障報警和裝置干擾報警近于實時地從電能表傳到數(shù)據(jù)中心。AMI采用開放性架構(gòu)和統(tǒng)一的技術(shù)標準，因而能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的無縫通信。

從AMI的組成看，局域網(wǎng)連接電能表和數(shù)據(jù)集中器，而數(shù)據(jù)集中器則通過廣域網(wǎng)和主站相連。數(shù)據(jù)集中器是局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的交匯點。對于電力光纖到戶的用電信息采集，亦可直接從采集主站抄讀數(shù)據(jù)，下發(fā)參數(shù)或指令。

(三)安全加密技術(shù)

根據(jù)對稱密碼算法和非對稱密碼算法的特點，在終端中采用了對稱密碼算法和非對稱密碼算法相結(jié)合的混合密碼算法。

對稱密碼算法的加密和解密均采用同一密鑰，并且通信雙方都必須獲得并保存該密鑰，較典型的有DES (Data Encryption Standard)、 AES(Advanced Encryption Standard)、國密SM1算法等。其特點是數(shù)據(jù)加密速度較快，適用于加密大量數(shù)據(jù)的場合。

非對稱密碼算法采用的加密密鑰(公鑰)和解密密鑰(私鑰)不同，密鑰(公鑰和私鑰)成對產(chǎn)生，使用時公開加密密鑰，保密解密密鑰，較典型的有RSA、國密ECC算法等。其特點是算法比較復(fù)雜，安全性較高，抗攻擊能力強，加解密速度慢等。

專用變壓器采集終端和集中器中采用國家密碼管理局認可的硬件安全模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加解密。專用變壓器終端和集中器采用的硬件安全模塊應(yīng)同時集成有國家密碼管理局認可的對稱密碼算法和非對稱密碼算法。

智能電能表中采用國家認可的硬件安全模塊以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加解密。智能電能表采用的硬件安全模塊內(nèi)部集成有國家密碼管理局認可的對稱密碼算法。

安全模塊是含有操作系統(tǒng)和加解密邏輯單元的集成電路，可以實現(xiàn)安全存儲、數(shù)據(jù)加解密、雙向身份認證、存取權(quán)限控制、線路加密傳輸?shù)劝踩刂乒δ堋?/p>

(四)主站軟件技術(shù)

(1)用電信息采集主站系統(tǒng)是包括軟、硬件設(shè)備的電力自動化準實時系統(tǒng)，包含用電信息采集業(yè)務(wù)的管理，管理著整個電能信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用以及系統(tǒng)的運行和安全，并統(tǒng)一管理與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成和交換。

用電信息采集主站軟件實現(xiàn)對電力用戶用電信息的采集和管理，并與營銷業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)互聯(lián)互通，支撐智能用電服務(wù)的基礎(chǔ)信息業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺。

現(xiàn)有的用電信息采集系統(tǒng)整合電網(wǎng)關(guān)口電能采集、電力負荷管理、公用配電變壓器信息采集、低壓集中抄表等相關(guān)功能，通過企業(yè)信息總線技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)全部整合納入統(tǒng)一平臺。

在系統(tǒng)功能方面，主站軟件主要為了滿足電費結(jié)算和電量分析、線損統(tǒng)計分析和異常處理、電能計量裝置監(jiān)測、反竊電分析、負荷預(yù)測分析及供電質(zhì)量管理需求，不能實現(xiàn)雙向互動等智能電網(wǎng)高級應(yīng)用功能。

(2)采集主站系統(tǒng)軟件研究的內(nèi)容主要包括三層/多層架構(gòu)等系統(tǒng)設(shè)計，多信道、多規(guī)約支持技術(shù)，大數(shù)據(jù)量處理技術(shù)，應(yīng)用集成與接口適配技術(shù)，雙向互動技術(shù)。按照目前主流技術(shù)需求和管理業(yè)務(wù)的要求，采集主站應(yīng)采用三層架構(gòu)體系，與采集主站關(guān)系最為密切的營銷業(yè)務(wù)管理應(yīng)用系統(tǒng)目前基本采用J2EE體系。

建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集主站平臺是必然的選擇，因此，支持目前已存在的各種終端設(shè)備和多種規(guī)約是必須解決的問題。支持多通信信道類型和多種通信規(guī)約，需要研究設(shè)計出統(tǒng)一的采集接口模型和通信接口模型。

采集范圍達到“全采集、全覆蓋”目標，采集對象和采集的數(shù)據(jù)較目前應(yīng)用將呈幾何級數(shù)的增長，能夠及時、穩(wěn)定、快速處理數(shù)據(jù)，這些都對采集系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，除了采用負載均衡技術(shù)外，在整個系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，特別是采集服務(wù)器設(shè)計時，要對提高采集處理效率的技術(shù)措施進行深入研究和優(yōu)化。

實現(xiàn)橫向集成、縱向貫通的應(yīng)用集成功能不僅對架構(gòu)模型提出新的要求，同時由于建設(shè)先后和技術(shù)適應(yīng)性的要求不同，在同樣采用三層架構(gòu)技術(shù)設(shè)計的系統(tǒng)中，采用的技術(shù)體系和標準也不盡相同，因此，需要研發(fā)高效的中間件技術(shù)。

(3)隨著智能電網(wǎng)研究的深入和發(fā)展，用電信息采集主站軟件關(guān)鍵技術(shù)研究在技術(shù)策略上將考慮以下內(nèi)容：

1)高效采集監(jiān)控。采用一體化通信平臺技術(shù)，屏蔽通信方式和通信協(xié)議的差異，集中管理各類通信信道和終端，滿足繼承和發(fā)展的要求。采用單節(jié)點并發(fā)控制及存儲技術(shù)，有效解決大規(guī)模終端并發(fā)采集與實時存儲瓶頸，在有限時間內(nèi)完成對全部終端的數(shù)據(jù)采集和存儲。

2)標準化數(shù)據(jù)管理。按照數(shù)據(jù)模型設(shè)計要求，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，并實現(xiàn)與營銷檔案的日同步更新和基于XML的標準化數(shù)據(jù)傳遞，從而保證信息的一致性。運用數(shù)據(jù)加速器、智能甄別處理模型、模型適配器等技術(shù)提升數(shù)據(jù)綜合管理的能力，采用數(shù)據(jù)歸檔管理、備份恢復(fù)管理機制保障數(shù)據(jù)的安全。

3)數(shù)據(jù)可視化展示。采用儀表盤、餅圖、曲線圖、雷達圖、柱形圖等多種統(tǒng)計圖形進行可視化展示。采用電網(wǎng)線路圖、系統(tǒng)模擬監(jiān)控圖等仿真圖形進行實時的可視化監(jiān)控。采用地理信息技術(shù)對運行檢修業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)密度分布、用戶采集點等進行可視化展示和操作。

4)多維度信息挖掘。采用多維提取分析技術(shù)，從時間、區(qū)域、用戶等多維度視角對線損、電量、負荷、運行質(zhì)量等進行分主題統(tǒng)計和分層次數(shù)據(jù)挖掘。

5)雙向互動應(yīng)用。為智能用電服務(wù)互動平臺提供用戶用電采集信息，支持與電力用戶進行電力流、信息流、業(yè)務(wù)流的友好互動，滿足智能用電服務(wù)的需要。