面向对象的新型业务综合能源计量系统研究

　　摘要：为解决能源互联网和电力市场体制改革在用户侧的能源计量问题，文章面向对象提出了一种新型业务综合能源计量系统的构架。首先分析了电动汽车充换电、分布式电源接入、多表合一采集等新型业务在用户侧能源计量中的数据内容、采集频率、数据质量等需求;然后针对面向对象概念以及面向对象通信协议，设计了面向对象协议的综合能源计量系统，说明了系统构架以及模块功能;最后根据系统的功能模块设计，研究了分层结构中的计量数据特征以及综合能源数据流转方式。

　　关键词：面向对象;综合能源计量;系统构架;通信构架

　　0引言随着全球能源互联网的建设，综合能源成为了发展的重点[1]，单一的电能发展需要结合包括水、气、热等在内的能源形式协调发展。而目前综合能源计量技术尚未成熟，智能表计的终端应用程度还不够深入，通信网络构架也尚未形成，给综合能源开发和利用带来了一定困难。目前，针对综合能源调度方面的研究较多。文献[2]提出了一种综合能源一体化采集系统的多任务自适应实时调度方法。

　　文献[3]针对强电能源计量综合系统测试进行了研究。文献[4]设计了基于用电信息采集系统的一体化多表采集方案。文献[5]研究了基于物联网技术的能源计量采集传输装置。文献[6]设计了支持能源计量一体化的通信模拟测试系统。文献[7]针对水电气多表合一数据自动采集进行了分析。文献[8]对用电信息采集系统的四表合一技术进行了研究。

　　文献[9]分析了用电信息采集系统应用现状及发展趋势。文献[10]设计了水、热、气、电四表合一的数据采集系统。文献[11]针对电力用户用电信息采集系统分布式弹性架构的设计与实现进行了分析。以上文献针对多表合一的研究较多，而对综合能源计量系统的研究不够深入。为此，针对新型综合能源计量，本文首先说明 了电动汽车、分布式电源以及多表合一对综合能源计量的数据需求;然后针对面向对象概念以及面向对象协议进行了分析，针对面向对象的特点，设计了综合能源计量的分层结构，给出了各层的主要功能以及通信构架;最后针对综合能源大数据的计量特征和数据流转进行了说明。

　　1新型业务对计量数据的需求

　　1.1电动汽车充换电业务

　　电动汽车越来越多的接入电网充电，其充电方式可根据电流的形式不同，分为交流充电和直流充电。这两种充电形式对电网计量工作都有一定的影响。电动汽车充电功率的计量主要是有功功率计量，目前所用的装置大部分为电子式电能表。

　　早期的计量方法是通过将采样得到的电压和电流波形进行快速傅立叶变换，从而得到相应物理量的谐波分量的频率和幅值，进而通过计算得到各次谐波功率，并确定功率方向。由于快速傅立叶变换对于动态和非稳态的谐波或者暂态信息的分析有一定的局限性，又出现了对傅立叶变换的改进算法，从而提高了计量的准确性。对于交流充电的电动汽车，计量可以按照普通的形式进行;而对于直流充电的电动汽车，如果仍然按照交流计量收费，则会产生一定的自身损耗成本，这会增加车主的成本支出，按照电费结算的原则，电动汽车直流充电时应在计量过程中安装相应的表计，采用直流计费。由于目前直流计费设备应用相对于交流计费设备广泛性较差，同时又存在相关政策和设备的缺乏，因此电动汽车计量方面存在一定的问题。

　　1.2分布式电源接入

　　分布式电源通常是指包括分布式风机、屋顶光伏、储能设备等组成的小型配网电源。分布式发电可以满足用户和电网之间的双向流动，用户同时存在购电和售电。分布式电源一般分为并网运行和微网孤岛运行。目前，分布式发电模式一般为自发自用、余电上网和全部上网两种，前者较多使用，在这种模式下，用户只需要进行简单的双向计量便可以完成结算。对于计价方式，一般分为上网电价和净电表计量方式两种。

　　对于前者，分布式电源直接并网在配电网上，无需经过用户电表，单独进行电表计量;后者则需要采用双向计量电表计算用户和电网双向电能的总和，也就是通常使用的自发自用、余电上网的模式。随着分布式电源在配电网的渗透率不断增加[12]，仅依靠计量用户与电网的双向结算电表，无法直接反映规模日益扩大的用户用电需求，应当进行双向的独立的电能监测，从而为分布式发电 的统计和监控以及分布式电源的出力进行预测。

　　1.3多表合一

　　多表合一是目前针对居民用户的一项重点推进项目，具体包括利用电力系统现有平台，实现电力、水资源、天然气、热力等能源的综合计量一体化[13]。多表合一能够有力促进智慧能源的发展和应用，同时也能够为分析居民用户的用能情况提供较为统一的数据接口，从而方便进一步对用户侧的综合用能情况进行管理。在公共事业领域，多种能源形式有不同的单位管理，在管理上没有重合。

　　多表合一是在原有智能电表基础上的改进和提升，将智能水表、热力表与燃气表的功能进行整合，通过集中抄表和信息数据通信将多表数据传送到统一的管理平台，实现智能化管理。多表合一不仅能够实现工业、商业以及居民用户的用能采集，而且能够对终端能源消耗使用习惯、能源使用结构等方面提供有力的信息支撑。这部分系统是面向用户侧的综合能源计量中的重要环节。

　　2面向对象协议的新兴业务综合能源计量系统

　　2.1面向对象概念

　　面向对象是计算机编程程序设计的一种思想，计算机编程分为面向对象和面向过程两类。面向过程是指利用计算机分析解决问题所需要的步骤，通过调用函数对问题进行一次解决;面向对象是将问题分解为各个对象，建立对象不是为了描述一个任务的完成，而是为了描述这个事物在整个解决问题步骤中的具体行为。具体来说，面向对象的思想是首先分析具体实体发出的动作，对实体进行定义，并根据其属性和功能增加相应的描述，最后让实体去执行相应的功能和动作。这个过程是建立在认识方法学基础上的，系统也就是对象和消息的组合，从而使得数据和方法有机融合为一个整体，可用于系统的建模，相对于面向过程程序设计，封装性较好。

　　2.2面向对象的通信协议

　　用户用电信息的采集是计量的重要步骤，用户用电信息的采集需要一定的通信协议，目前广泛使用本地通信协议和远程通信协议。本地通信协议用于采集终端到智能电表的数据，远程通信协议用于采集终端到采集主站的数据交换。这两类通信协议在拓展性、兼容性等方面受到一定制约。随着电力大数据的不断推广应用，电网呈现多态化运营模式，多表合一等采集新业务不断出现，因此需要基于面向对象的通信协议来对电能的计量进行采集。

　　2.3基于面向对象的综合能源计量构架

　　利用面向对象的通信协议构架，考虑电动汽车、分布式电源以及多表合一的应用需求，建立计量系统。综合能源计量按照其通信网络可以分为4个部分：用户户内网络、智能表计、外部通信网络以及量测数据管理系统。

　　这4个部分分别涉及到通讯终端、主站和通信通道以及数据采集设备3个层面。对于综合能源计量，用电信息的采集系统所面对的不仅仅是电能，采集的对象更加多样化，采集方式需要更加灵活，采集分析效率需要更高，数据形态范围更加广泛。对于可能会出现的大量新型业务，其多样性和不确定性对计量采集提出了更高的要求，因此该技术构架具有安全、高效、灵活、开放等特点。

　　3综合能源计量数据特征分析及流转

　　综合能源系统包括的能源类别较多，在能源综合计量过程中，不同类型能源的时间颗粒度存在一定差异，并且能源的使用形式以及本质属性的差异导致数据元素存在数据结构、数据存储等内容的较大差异。针对电能这类实时生产和消耗的、不可大规模存储的能源，时间采集颗粒度较小，并且采集面较广;而对于水、气、热等，采集时间颗粒度较大，一般生活中的数据采集均是按月计量，每日数据的采集需求不高。

　　综合能源计量数据特征如图6所示。 综合能源的计量与大数据、能源互联网的建设十分紧密，应当协调不同能源类型数据采集的频率和采集方式。由于综合能源计量过程中面对的是不同采集时间尺度要求、不同数据结构元素构成的复合数据结构，因此，有必要对综合能源计量的数据体系进行深入研究。综合能源涉及到较多的数据类型和数据量，不同能源使用形式的数据采集到统一的数据库进行计量时涉及到数据流转。

　　目前数据领域中，针对数据流转主要分为数据削峰、数据解耦和数据异步。数据削峰是将数据写入和处理分开进行，将大量的数据写入到计量消息队列中，后端再根据数据的处理能力进行进一步分析;数据解耦是将大量的数据分解到不同的服务器中，从多个数据写入端和数据读取端进行分布式处理;数据异步是指读写状态的时间差异性。针对综合能源大数据计量，在数据流转过程中，可以结合不同能源的数据结构采取不同的数据流转方案，减轻数据存储器的处理压力，提高能源综合计量效率和质量。

　　电子论文投稿刊物：《电测与仪表》(月刊)创刊于1964年，由中国仪器仪表学会电磁测量信息处理仪器分会主办。是我国唯一的电工仪器仪表专业核心科技期刊，主要报道电磁参数的测量方法，测量仪器、仪表、测试系统以及非电量测量的电测技术。

　　5结论

　　本文针对面向对象的综合能源计量系统进行了分析。首先说明了电动汽车、分布式电源以及多表合一对综合能源计量的数据需求;然后针对面向对象的概念以及面向对象的通信协议进行了分析，针对面向对象的特点，设计了综合能源计量的分层结构，给出了各层的主要功能以及通信构架;最后针对综合能源大数据的计量特征和数据流转进行了说明。通过本文的系统设计，可以为综合能源计量系统的发展提供一定思路。

　　参考文献：

　　[1]刘文霞，李征洲，杨粤，等.计及需求响应不确定性的综合能源系统协同优化配置[J].电力系统自动化，2020，44(10)：41-49.

　　[2]熊霞，陶晓峰，高鲁鑫，等.综合能源一体化采集系统的多任务自适应实时调度方法[J].电测与仪表，2019，56(20)：108-114，136.

　　[3]张宁，张基伟，王红，等.强电能源计量综合系统测试的研究探讨[J].中国计量，2012(9)：40-41.

　　作者：贺云隆1，宋晓林1，黄璐涵1，李建波1，徐军2，谢海鹏3

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