面向智慧城市智慧能源系统推进能源四表集抄顶层设计与产业化研究

面向智慧城市/智慧能源系统工程

推进能源四表集抄 络顶层设计与产业化研究

《能源四表集抄 络架构设计再探》硬件部分改写,并补充 络产业化研究专题）

中国现代电 量测技术高端论坛

张春晖 恺肇乾

2016年1月23日

1能源四表集抄的应用重点及焦点与展望

用电、水务、燃气、热力四表计量，既涉及千家万户的大众消费，又关系到城市企业、事业、行政的团体用能，市场规模广大。能源四表集抄互联互通成 ，其基本任务还是远程抄表收费，但是计量数据的应用应改变重点，需要面向城市的用能总量控制与平衡、能耗在线监测、节能考核、推动智能化用能，着力解决城市发展与环境保护的能源全面计量问题。该 络构建的重要性，需要提高到智慧城市/智慧能源的基础设施建设的高度来考虑。

从覆盖面、规范化和成熟度上给已有的能源四表集抄依次排队，先是电力，再是水务、燃气、热力。2015年，国 发布营销[2015]16 文，正式推进“四表合一采集”应用工作，继而开展代抄、代收，不断创新商业合作模式。但是，国 的做法有局限性，电与水、气、热行业计量数据保密措施也不对等，推进水、气、热表集抄系统整体发展的推动力不足。

综合以上情况，能源四表集抄走向 络化，需要在包容现有独立的水、气、热表集抄，国 “四表合一采集”方式前提下，通过“互联 +”，应用现代通信技术，构建成互联互通 络，不但兼顾能源行业各自计量数据的独立性，而且汇总形成智慧城市/智慧能源的海量公共数据。

2现有行业独立集抄构成

按能源行业分类的独立集抄，建设起步较早，发展很不平衡。2015年，国 已有江苏、山东省级电 所属全部地(市)、县级城市电力用户用电信息采集系统的全面覆盖，实现了统一集中抄表。

汇总独立的能源四表集抄技术可以看出，基本架构的模式是：表计/采集器à本地通信à集中器à远程通信à行业主站。其中的集中器为联系表计/采集器与行业主站的中间节点，其通信方式：

1)上行通信：即集中器与行业主站之间的通信方式，采用GPRS/CDMA无线公 、双绞线以太 、Mobitex无线电力专 、230MHzTD-LTE无线电力专 、光纤电力专 、中压电力线载波电力专 、有线电视 等通信方式。估计90%的集中器和行业主站都已连在远程无线公 。特别地，大用户终端、手持抄表终端、用户智能交互终端通过远程通信方式与行业主站通信。

2)下行通信：即集中器与表计/采集器之间的通信方式，采用电力线全载波(集中器–载波表计)、电力线半载波(集中器–采集器–RS485表计)、RS-485、Mod-Bus、微功率无线通信方式；国 “四表合一采集”，基于用电信息采集系统的水、气、热表集抄，尚需增加“双模通信”模块(载波电表+微功率无线的水/气/热表)、通信接口转换器(RS485电表+M-Bus表计)、升级无线模块；还有局部应用试点的双绞线以太 、有线电视 等本地通信方式。其中，国 用电信息采集系统，本地载波通信约占70%。

3)现有行业独立集抄主要通信方式的特征与技术瓶颈：

l 远程无线公 ：无需设备通信链路、使用方便快捷，无距离限制，通信速率较高。但是移动蜂窝 有未覆盖地区，通信质量受制于电信运营商，须配备外接电源，设备费用及运行费用较高。

l 电力线载波通信：无需布线、施工方便、取用电源容易。但是，电力线引至燃气表，带来消防安全隐患；受电 噪声干扰；窄带电力线载波通信速率低。

l M-bus总线：总线供电、通信稳定。但是需要布线、施工不便，双绞线接头易氧化，更换接口繁琐。

l 微功率无线通信：组 灵活、通信速率较高，无需布线，施工方便。但是，在配变台区范围较大或电磁屏蔽环境效果差；须配备外接电源或后备电源。

RS-485总线：通信稳定、速率高。但是，需要布线，施工不便，须配备外接电源或后备电源。

3能源四表集抄 络综合方案构造

四表集抄整合构设方案框图如图1所示。

图1四表集抄综合方案规划示意图

Figure 1Centralized-Four-Meter-Reading Integrated Program Planning SchematicDiagram

图1中：

1）底层：四表（包括：用户能源计量表计，公共能源输入量计量表计，公共能源供应链节点及分支计量表计），经采集器，与集中器进行本地通信；全载波表计直接与集中器进行本地通信。

2）中间节点

·集中器

下行通信：与四表/采集器进行本地通信

上行通信：与行业主站进行远程通信

·大用户专变终端、用户智能交互终端直接与行业主站进行远程通信

·手持抄表终端，可以从表计/采集器/集中器直接介入现场抄收和检验。

3）高层：能源行业主站

·下行通信：与集中器、大用户专变终端、手持抄表终端、用户智能交互终端进行远程通信

·上行通信：经互联 与能源四表集抄 络管理平台进行通信。

4）顶端：能源四表集抄 络管理平台

·下行通信：经互联 与行业主站进行通信

·上行通信：经互联 与地方主管部门进行通信。

注：地方主管部门，另定义。

4能源四表集抄 络顶层硬件架构

前述现有典型行业独立集抄，作为“能源四表集抄 络”的底层设计，包容现有独立的水、气、热表集抄，国 “四表合一采集”方式，原则上从行业主站向下，不作大的改动。这里讨论 络顶层硬件架构，基本思路是基于“互联 +”和 关、路由器、防火墙和高级密码认证等通信技术，采用“4(x)+1+1(n)+2”连接方式，构建成多主站、多接口、与 络管理平台互联互通的联 方案，实现传统的远程抄表收费，重点扩展智慧城市/智慧能源基础设施需具备的功能。

4.1联 方案说明

l “4(x)”：表示4(x)个主站。在电、水、气、热能源行业中，同一城市的同一行业，可能有x个主站。这些行业主站通过 关、防火墙和高级密码认证接入互联 通信。

l “1”：表示 络需要建立1个城市公共能源 络管理平台，通过 关、防火墙和高级密码认证接入互联 通信。

l “1(n)”：表示1个地方主管部门可能有N个 站，通过路由器接入互联 通信。

l “2”：2个互联 ，采用远程无线公 、双绞线以太 。为行业主站、 络管理平台、地方主管部门 站进行双向通信、选址提供通道。地方主管部门，包括地方政府、行业协调部门(能源办、经信委、节能办、住建管理部门、物价管理部门等)。

4.2联 功能要求

l 行业主站

n 用户远程抄表，包括国 “四表合一采集”主站为水、气、热行业主站提供有关行业计量数据。这些行业主站汇总城市各自的公共能源总用量数据

n 公共能源供应点(输入量)计量点的远程抄表，汇总城市各自的公共能源总供量数据

n 公共能源供应链节点及分支计量点的远程抄表，汇总计算出能量平衡度及能耗在线监测数据

n 通过在用户安装的智能交互终端，按期统计用户节能数据。

l 络管理平台

n 索取/汇总行业主站计量数据，计算出城市公共能源分类的总用量、总供量、能量平衡度及总能耗、用户节能总量等。

n 向地方主管部门提供城市公共能源总的信息，提出能源总量调节及能源管理改进建议。如地方主管部门对能源行业的计量数据提出质疑，由 络管理平台负责核实、改进与反馈。

n 协调处理能源行业之间计量数据交互中出现的不同意见。

l 地方主管部门 站

n 根据需要向 络管理平台索取城市公共能源分类总的信息；如有质疑，要求 络管理平台核实、反馈。

4.3互联通信约定

l 基本通信协议

n 络管理平台，应用TCP/IP协议（传输控制协议/ 间互联协议）

n 国 “四表合一采集”主站，应用其拓展通信协议：Q/GDW1376.1-2013《电力用户用电信息采集系统通信协议第1部分：主站与采集终端通信协议》修订建议。

n 水、气、热能源行业主站，应用国家住建部《户用计量仪表数据传输技术条件(CJ/T188-2004)》或能源行业集抄通信标准，或能源企业通信标准。

n 地方主管部门 站，应用TCP/IP协议，或自订通信标准。

l 关/路由器输出通信

n 络管理平台 关，双向通信，多址

n 国 “四表合一采集”主站 关，双向通信，多址

n 水气热行业主站 关，双向通信，两址

n 地方主管部门 站路由器，双向通信，单址

l 计量数据提供方向

n 能源行业主站向 络管理平台提供汇总后的行业计量数据。

n 国 “四表合一采集”主站分别向水、气、热行业主站提供有关计量数据。

n 络管理平台汇总城市公共能源分类总的计量数据，上传给地方主管部门。

n 能源行业主站之间，或地方主管部门 站对行业计量数据提出质疑，由 络管理平台协调处理。

5能源四表集抄 络软件体系架构有关内容

1） 络软件体系架构设计，需要实现能源四表集抄 络的业务逻辑关系：

·业务功能模块化的软件持术： 络管理平台、行业主站、地方主管部门 站按照联 功能要求的分工，实现各自功能模块化及模块之间的通信功能。

· 络各部份接口及通信的软件技术：实现 络管理平台、行业主站、地方主管部门 站之间的通信接口及通信协议转换功能。

·行业主站原有软件系统改进与提升：需要实现扩展补充的功能：公共能源供应量（输入量）的远程抄表，公共能源供应链节点及分支计量点的远程抄表，汇总计算出公共能源总供量、能量平衡及能耗量；按期统计用户节能数据。

以上 络软件体系架构设计，尚需包括 络及各部分软件安全保密机制，软件测试技术。

2）嵌入式系统通信传输

参照重庆邮电大学：《电力通信系统 关设计》，多通信方式通信 关的主要技术要求：

·采用多任务调度机制，实现通信 中多种通信方式高效、可靠地进行信息交互。

· 关功能需求

·模块化设计

·协议转换

·支持多种通信方式

·完成能源四表集抄 络管理控制功能

· 关硬件设计架构：

硬件模块：电源模块，高速核心控制器模块，各种通信方式模块，存储器模块

· 关软件设计架构：

采用三层结构；

·底层，硬件驱动层：各种通信方式模块驱动，定时器驱动，Flash存储器驱动，中断响应处理驱动。

·中层，嵌入式操作系统及底层功能函数层

嵌入式操作系统，实现进程管理，时间管理，文件系统，进程间通信，内存管理。

底层功能函数，以太 通信功能函数，实时时钟功能函数，串行通信功能函数，串口扩展通信函数，Flash存储器功能函数。

·在中层与高层之间插入：通信协议转换调用接口、TCP/IP协议栈、6LOWPAN协议栈、嵌入式操作系统调用接口。

·高层，应用层：各种通信方式与终端/以太 控制中心的通信控制管理任务。

6、能源四表集抄 络产业化进程研究

1）能源行业集抄系统发展现状评估

·鉴于水、气、热能源行业现有管理体制，建议顶层设计按直辖市、省会城市/副省级城市、地（市）、县（市）四个层面提出不同要求。这里，不研究全国统一的顶层设计框架。

·城市水、气、热表现有安装应用量及分布情况；表计技术性能分类/准确度等级；应用技术标准与检测能力。

·国内水、气、热表主要供应厂商，现有产品标准；国际/国内新型表计及应用前景。

·水、气、热能源行业现有集抄系统建设情况

·水、气、热表信息采集技术

·通信方式及技术瓶颈

·主站规模及软硬件设计水准/通信协议

·集抄系统标准与检测机构

·水、气、热用量收费、结算方式及难点

·水、气、热能源行业在线监测的特殊要求与关键技术。

2）组建能源四表集抄 络推进联盟；在试点城市组建联盟分部

3）组织编发该课题的系列 道或专题 告

主送：省级及地（市）政府、能源管理部门、经信委、信建管理部门、节能办、物价管理部门；

抄送：国家能源局、国家住建管理部门、国 公司、南 公司

4）组织制定能源四表集抄 络建设相应的通信应用技术规范/标准；

5）组织研究能源四表集抄 络典型规划设计及产业化问题

6）组织开展智慧城市（目标）的能源四表集抄 络应用试点，争取地方政府出台能源四表集抄 络建设与发展的融资政策。