户内能耗数据采集平台的建设

曹敏

摘 要 本文针对户内能耗数据采集平台建设及研究过程，阐述了该平台的建设背景及意义，明确了能够精细化的获取到电力用户数据的必要性，并重点介绍了该平台的建设思路，通过平台的架构进行分析，设计了户内通信链路，保证了户内能耗数据采集平台的安全部署，最终确保了户内能耗数据从户内能耗采集终端到电网大数据服务平台的准确、实时、高效采集。

【关键词】户内能耗 数据采集 通信链路 通信安全 非侵入式 前置服务

1 建设背景及意义

电力交易逐步进入市场化，需要充分掌握发电企业、售电企业、电力用户等数据，然后以市场为主体搭建流程规范、运作透明、功能完善、便于监管的交易平台来满足日益增长的电力交易需求。当前电力系统中，在发电、输电、变电、配电领域存在大量的在线监测设备、采集分析设备及软件系统平台，但在用户侧，除了电表之外的监测设备并不多，无法精细化的获取到电力用户数据，因此需要建立一套完整的、能精细化采集到用户户内各个电器或区域的能耗数据来满足电力需求侧响应分析，构建一套精细化程度更高的电力市场交易平台，最终能够更好地为电力用户服务。

2 建设思路

户内能耗数据采集平台主要包括：户内能耗数据采集装置开发研究、前置服务协议制定及开发、通信安全策略考虑、实现户内能耗数据接入等过程。

2.1 户内非侵入式负荷数据采集

非侵入式能耗数据采集技术（如图 1所示）是采样到居民用电入口处的电压、电流信号后，通过DSP模块进行AD转换及谐波提取等计算，采用ARM芯片进行数据交互传输及分析工作；通信模块包含Wi-Fi、红外、433、ZigBee四种无线通信模块，主要用于与当前市场上的智能插座进行交互通信；LED显示模块主要用于实时显示装置所监测分析出来的电量及能耗信息。

谐波提取过程（如图 2所示），开始需要对入户口原始的电压、电流进行采集，然后将原始的模拟信号进行A/D转换以后变成数字信号，最终通过FFT进行谐波分析得进行谐波提取计算，需要提取出相应的总负荷特征，并根据每一類用电设备各自的负荷特征，通过算法判断采样到的总特征是由哪几类用电设备的特征共同作用形成的，以此辨识出各类用电设备的工作状态。

2.2 户内能耗数据采集通信协议制定

本户内能耗数据采集通信协议主要是参照国家计量行业标准Q/GDW 376.1-2009《电力用户用电信息采集系统通信协议：主站与采集终端通信协议》来进行编制，与之不同之处在于增加了对户内设备的控制，异常反馈信息更加准确等。主要包括对参数设置、参数查询、实时数据查询、冻结数据查询、登录及心跳机制、设备远程升级、系统重置及开关控制等接口规约制定，考虑了在数据传输过程中的每一个细节，可保证各个命令帧的有效性、及时性、高效反馈等，帧格式（如图 3所示）。

2.3 高性能采集服务器开发及数据接入

户内能耗数据采集需要依赖于前置服务，对各个采集装置的数据进行采集、规约解析、异常分析处理、设备状态管理、网络链路管理、数据转发等。因此要求前置服务具备多终端接入能力、大数据并发处理能力、设备网络链路及状态管理机制。前置服务包括高性能TCP通信服务模块，能给能采集终端提供高性能的网络通信链路，可实现数据采集、控制策略下发，通过测试后可支持大量采集终端同时在线，并提供相应交互通信服务。该数据采集前置服务的核心为IOCP模型，在前置服务的开发上采用了重叠I/O技术、内存共享技术、多线程处理技术、消息路由转发技术等，采用了分布式集群服务器架构方式，最终保证的数据的高效实时采集传输。

与电网大数据平台的数据接入过程采用了HTTPS安全传输通道，具体采用了JSON字符串的格式进行上送，简化了数据的复杂性，保证了数据接入的高效及实时。

3 平台架构分析及户内通信链路设计

户内能耗数据采集平台架构主要分为三层（如图 4所示），即：传感设备层、网络层、采集层。传感设备层主要包括：户内能耗采集终端，主要功能是采集分析户内能耗数据及户内电器控制的网关；上网宝，主要功能是采集水表、电表、气表的数据；四路开关、智能开关/插座、智能家电设备及水电气表等设备。网络层主要包括ONU及OLT等光交换路由设备。采集层主要包括：前置通信服务器，主要功能是作为户内能耗采集终端及上网宝设备的前置服务端，具备网络通信服务、规约解析、数据并发处理、数据存储、数据采集上送服务、设备管理等功能，采用分布式集群部署，具备高效的完成数据采集及设备控制等服务。户内能耗采集平台可以与电网大数据服务平台及手机APP进行数据采集传输及设备控制等功能。

现阶段，在有线及无线通信领域存在较多的通信链路，其中使用较为广泛的有线通信物理链路主要包括：RS232/485、CAN、USB、网线、光纤及M-Bus等，无线通信物理链路主要包括：ZigBee、Wi-Fi、4G、Z-Wave、UWB、NFC、微功率无线（470）、蓝牙、红外通信技术等。各种通信方式有各自的通信特点，可根据具体应用场景及特点来进行选择，在本户内能耗采集系统开发设计过程中，经过对各种通信进行试验测试验证后，最终确定户内能耗采集终端与智能插座通信链路采用ZigBee无线通信，户内能耗采集终端与四路开关的通信采用RS485，上网宝与水表、气表的通信链路为MBus，上网宝与电表的通信链路为以太网，户内能耗采集终端与上网宝采用以太网、微功率无线（470）或者ZigBee都可以，具体根据现场环境来决定，其中手机APP对户内能耗采集终端也可以与蓝牙通信方式进行本地数据查询及设备控制。

5 小结

通过对户内能耗采集平台的建业及研究应用，实现了电网对用户户内各家用电器的数据采集及配用电数据采集通信网络的一体化，保证各类实时数据传输的实时性和同步性，通信网络具备良好的易用性和扩展性。通过研发户内能耗采集终端、前置采集服务、上网宝及智能插座等软硬件设备，与光纤网络相结合，实现了用户用电信息的全面采集和精细化采集管控，本文研究成果为电力用户与电网公司互动提供了基础平台，为电力市场化交易及需求侧响应服务提供了支撑。endprint

参考文献

[1]孔祥飞，吕石磊，辛亚娟，吴薇.Energy consumption，indoor environmental quality，and benchmark for office buildings in Hainan Province of China[J].Journal of Central South University，2012（03）：783-790.

[2]徐建平，徐静.电力光纤入户的智能小区配用电信息采集系统解决方案[J].电力需求侧管理，2012（04）：41-44+52.

[3]周文琼.大数据环境下的电力客户服务数据分析系统[J].计算机系统应用，2015（04）：51-57.

[4]胡文平，尹项根，张哲.电气设备在线监测技术的研究与发展[J].华北电力技术，2003（02）：23-26+29.

[5]高賜威，梁甜甜，李扬.自动需求响应的理论与实践综述[J].电网技术，2014（02）：352-359.

[6]Xiaoyang Long，Jing Ye，Di Zhao，Sheng-Jia Zhang.Magnetogenetics： remote non-invasive magnetic activation of neuronal activity with a magnetoreceptor[J].Science Bulletin，2015（24）：2107-2119.

[7]田桂花.浅谈无线通信技术的发展[J].价值工程，2010（22）：151-152.

[8]胡爱军，张瑞卿，王聪.基于ARM9&Linux的AD转换的实现[J].机械设计与制造，2011（06）：97-99.

[9]曾令全，白志亮，曾德俊，刘春山.基于自适应神经网络的有源电力滤波器谐波电流提取方法[J].电力自动化设备，2010（02）：33-37.

[10]曹冬华，丁健，王腾，俞海猛.基于Q/GDW-376.1规约的掌机程序设计及应用扩展[J].电子世界，2012（05）：15-18.

[11]马金鑫，袁丁.基于IOCP的高并发通信服务器的设计与实现[J].通信技术，2009（07）：248-250.

作者单位

1.云南电网有限责任公司电力科学研究院 云南省昆明市 650217

2.云南电网有限责任公司 云南省昆明市 650217

3.昆明能讯科技有限责任公 云南省昆明市 650217

4.中国南方电网电能计量重点实验室 云南省昆明市 650217endprint