面向對象的新型業務綜合能源計量系統研究

　　摘要：為解決能源互聯網和電力市場體制改革在用戶側的能源計量問題，文章面向對象提出了一種新型業務綜合能源計量系統的構架。首先分析了電動汽車充換電、分布式電源接入、多表合一采集等新型業務在用戶側能源計量中的數據內容、采集頻率、數據質量等需求;然后針對面向對象概念以及面向對象通信協議，設計了面向對象協議的綜合能源計量系統，說明了系統構架以及模塊功能;最后根據系統的功能模塊設計，研究了分層結構中的計量數據特征以及綜合能源數據流轉方式。

　　關鍵詞：面向對象;綜合能源計量;系統構架;通信構架

　　0引言隨著全球能源互聯網的建設，綜合能源成為了發展的重點[1]，單一的電能發展需要結合包括水、氣、熱等在內的能源形式協調發展。而目前綜合能源計量技術尚未成熟，智能表計的終端應用程度還不夠深入，通信網絡構架也尚未形成，給綜合能源開發和利用帶來了一定困難。目前，針對綜合能源調度方面的研究較多。文獻[2]提出了一種綜合能源一體化采集系統的多任務自適應實時調度方法。

　　文獻[3]針對強電能源計量綜合系統測試進行了研究。文獻[4]設計了基于用電信息采集系統的一體化多表采集方案。文獻[5]研究了基于物聯網技術的能源計量采集傳輸裝置。文獻[6]設計了支持能源計量一體化的通信模擬測試系統。文獻[7]針對水電氣多表合一數據自動采集進行了分析。文獻[8]對用電信息采集系統的四表合一技術進行了研究。

　　文獻[9]分析了用電信息采集系統應用現狀及發展趨勢。文獻[10]設計了水、熱、氣、電四表合一的數據采集系統。文獻[11]針對電力用戶用電信息采集系統分布式彈性架構的設計與實現進行了分析。以上文獻針對多表合一的研究較多，而對綜合能源計量系統的研究不夠深入。為此，針對新型綜合能源計量，本文首先說明 了電動汽車、分布式電源以及多表合一對綜合能源計量的數據需求;然后針對面向對象概念以及面向對象協議進行了分析，針對面向對象的特點，設計了綜合能源計量的分層結構，給出了各層的主要功能以及通信構架;最后針對綜合能源大數據的計量特征和數據流轉進行了說明。

　　1新型業務對計量數據的需求

　　1.1電動汽車充換電業務

　　電動汽車越來越多的接入電網充電，其充電方式可根據電流的形式不同，分為交流充電和直流充電。這兩種充電形式對電網計量工作都有一定的影響。電動汽車充電功率的計量主要是有功功率計量，目前所用的裝置大部分為電子式電能表。

　　早期的計量方法是通過將采樣得到的電壓和電流波形進行快速傅立葉變換，從而得到相應物理量的諧波分量的頻率和幅值，進而通過計算得到各次諧波功率，并確定功率方向。由于快速傅立葉變換對于動態和非穩態的諧波或者暫態信息的分析有一定的局限性，又出現了對傅立葉變換的改進算法，從而提高了計量的準確性。對于交流充電的電動汽車，計量可以按照普通的形式進行;而對于直流充電的電動汽車，如果仍然按照交流計量收費，則會產生一定的自身損耗成本，這會增加車主的成本支出，按照電費結算的原則，電動汽車直流充電時應在計量過程中安裝相應的表計，采用直流計費。由于目前直流計費設備應用相對于交流計費設備廣泛性較差，同時又存在相關政策和設備的缺乏，因此電動汽車計量方面存在一定的問題。

　　1.2分布式電源接入

　　分布式電源通常是指包括分布式風機、屋頂光伏、儲能設備等組成的小型配網電源。分布式發電可以滿足用戶和電網之間的雙向流動，用戶同時存在購電和售電。分布式電源一般分為并網運行和微網孤島運行。目前，分布式發電模式一般為自發自用、余電上網和全部上網兩種，前者較多使用，在這種模式下，用戶只需要進行簡單的雙向計量便可以完成結算。對于計價方式，一般分為上網電價和凈電表計量方式兩種。

　　對于前者，分布式電源直接并網在配電網上，無需經過用戶電表，單獨進行電表計量;后者則需要采用雙向計量電表計算用戶和電網雙向電能的總和，也就是通常使用的自發自用、余電上網的模式。隨著分布式電源在配電網的滲透率不斷增加[12]，僅依靠計量用戶與電網的雙向結算電表，無法直接反映規模日益擴大的用戶用電需求，應當進行雙向的獨立的電能監測，從而為分布式發電 的統計和監控以及分布式電源的出力進行預測。

　　1.3多表合一

　　多表合一是目前針對居民用戶的一項重點推進項目，具體包括利用電力系統現有平臺，實現電力、水資源、天然氣、熱力等能源的綜合計量一體化[13]。多表合一能夠有力促進智慧能源的發展和應用，同時也能夠為分析居民用戶的用能情況提供較為統一的數據接口，從而方便進一步對用戶側的綜合用能情況進行管理。在公共事業領域，多種能源形式有不同的單位管理，在管理上沒有重合。

　　多表合一是在原有智能電表基礎上的改進和提升，將智能水表、熱力表與燃氣表的功能進行整合，通過集中抄表和信息數據通信將多表數據傳送到統一的管理平臺，實現智能化管理。多表合一不僅能夠實現工業、商業以及居民用戶的用能采集，而且能夠對終端能源消耗使用習慣、能源使用結構等方面提供有力的信息支撐。這部分系統是面向用戶側的綜合能源計量中的重要環節。

　　2面向對象協議的新興業務綜合能源計量系統

　　2.1面向對象概念

　　面向對象是計算機編程程序設計的一種思想，計算機編程分為面向對象和面向過程兩類。面向過程是指利用計算機分析解決問題所需要的步驟，通過調用函數對問題進行一次解決;面向對象是將問題分解為各個對象，建立對象不是為了描述一個任務的完成，而是為了描述這個事物在整個解決問題步驟中的具體行為。具體來說，面向對象的思想是首先分析具體實體發出的動作，對實體進行定義，并根據其屬性和功能增加相應的描述，最后讓實體去執行相應的功能和動作。這個過程是建立在認識方法學基礎上的，系統也就是對象和消息的組合，從而使得數據和方法有機融合為一個整體，可用于系統的建模，相對于面向過程程序設計，封裝性較好。

　　2.2面向對象的通信協議

　　用戶用電信息的采集是計量的重要步驟，用戶用電信息的采集需要一定的通信協議，目前廣泛使用本地通信協議和遠程通信協議。本地通信協議用于采集終端到智能電表的數據，遠程通信協議用于采集終端到采集主站的數據交換。這兩類通信協議在拓展性、兼容性等方面受到一定制約。隨著電力大數據的不斷推廣應用，電網呈現多態化運營模式，多表合一等采集新業務不斷出現，因此需要基于面向對象的通信協議來對電能的計量進行采集。

　　2.3基于面向對象的綜合能源計量構架

　　利用面向對象的通信協議構架，考慮電動汽車、分布式電源以及多表合一的應用需求，建立計量系統。綜合能源計量按照其通信網絡可以分為4個部分：用戶戶內網絡、智能表計、外部通信網絡以及量測數據管理系統。

　　這4個部分分別涉及到通訊終端、主站和通信通道以及數據采集設備3個層面。對于綜合能源計量，用電信息的采集系統所面對的不僅僅是電能，采集的對象更加多樣化，采集方式需要更加靈活，采集分析效率需要更高，數據形態范圍更加廣泛。對于可能會出現的大量新型業務，其多樣性和不確定性對計量采集提出了更高的要求，因此該技術構架具有安全、高效、靈活、開放等特點。

　　3綜合能源計量數據特征分析及流轉

　　綜合能源系統包括的能源類別較多，在能源綜合計量過程中，不同類型能源的時間顆粒度存在一定差異，并且能源的使用形式以及本質屬性的差異導致數據元素存在數據結構、數據存儲等內容的較大差異。針對電能這類實時生產和消耗的、不可大規模存儲的能源，時間采集顆粒度較小，并且采集面較廣;而對于水、氣、熱等，采集時間顆粒度較大，一般生活中的數據采集均是按月計量，每日數據的采集需求不高。

　　綜合能源計量數據特征如圖6所示。 綜合能源的計量與大數據、能源互聯網的建設十分緊密，應當協調不同能源類型數據采集的頻率和采集方式。由于綜合能源計量過程中面對的是不同采集時間尺度要求、不同數據結構元素構成的復合數據結構，因此，有必要對綜合能源計量的數據體系進行深入研究。綜合能源涉及到較多的數據類型和數據量，不同能源使用形式的數據采集到統一的數據庫進行計量時涉及到數據流轉。

　　目前數據領域中，針對數據流轉主要分為數據削峰、數據解耦和數據異步。數據削峰是將數據寫入和處理分開進行，將大量的數據寫入到計量消息隊列中，后端再根據數據的處理能力進行進一步分析;數據解耦是將大量的數據分解到不同的服務器中，從多個數據寫入端和數據讀取端進行分布式處理;數據異步是指讀寫狀態的時間差異性。針對綜合能源大數據計量，在數據流轉過程中，可以結合不同能源的數據結構采取不同的數據流轉方案，減輕數據存儲器的處理壓力，提高能源綜合計量效率和質量。

　　電子論文投稿刊物：《電測與儀表》(月刊)創刊于1964年，由中國儀器儀表學會電磁測量信息處理儀器分會主辦。是我國唯一的電工儀器儀表專業核心科技期刊，主要報道電磁參數的測量方法，測量儀器、儀表、測試系統以及非電量測量的電測技術。

　　5結論

　　本文針對面向對象的綜合能源計量系統進行了分析。首先說明了電動汽車、分布式電源以及多表合一對綜合能源計量的數據需求;然后針對面向對象的概念以及面向對象的通信協議進行了分析，針對面向對象的特點，設計了綜合能源計量的分層結構，給出了各層的主要功能以及通信構架;最后針對綜合能源大數據的計量特征和數據流轉進行了說明。通過本文的系統設計，可以為綜合能源計量系統的發展提供一定思路。

　　參考文獻：

　　[1]劉文霞，李征洲，楊粵，等.計及需求響應不確定性的綜合能源系統協同優化配置[J].電力系統自動化，2020，44(10)：41-49.

　　[2]熊霞，陶曉峰，高魯鑫，等.綜合能源一體化采集系統的多任務自適應實時調度方法[J].電測與儀表，2019，56(20)：108-114，136.

　　[3]張寧，張基偉，王紅，等.強電能源計量綜合系統測試的研究探討[J].中國計量，2012(9)：40-41.

　　作者：賀云隆1，宋曉林1，黃璐涵1，李建波1，徐軍2，謝海鵬3

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