电力交易改革与互动式电能表设计初探

2018-12-17张乐平胡珊珊李向锋叶帮武付文娟

电测与仪表 2018年23期

张乐平，胡珊珊，李向锋，叶帮武，付文娟

(1. 南方电网科学研究院有限责任公司，广州 510000； 2.杭州海兴电力科技股份有限公司，杭州 310011；3.云南电网有限责任公司楚雄供电局，云南楚雄 675099)

0 引言

自2002年我国电力体制改革大幕拉开以来，以厂网分离、竞价上网、大用户直购电为代表的电力市场化试点在全国陆续展开。“全国电改看广东”，广东电力交易改革肇始于2005年，截止2018年2月27日，广东省经信委公布的符合准入条件的售电公司共378家，在电力交易系统注册电力大用户712家，一般用户5043家[1]。广东电力交易中心作为广东省级电网电力交易平台，于新电改(中发〔2015〕9号)文件发布后的2016年6月28日挂牌成立，2017年按“总量控制”原则试水电力市场化交易，全年交易电量1157亿千瓦时，约占全省用电量的19.4%。全年共组织了12次双边协商，成交电量837.2亿千瓦时，全年平均价差-64.5厘/千瓦时；组织了11次集中竞价交易，成交电量319.58亿千瓦时，全年平均价差-68.9厘/千瓦时[2]。图1是广东省2017年1-12月电力市场化交易量统计情况。

广东电力交易中心采用的是双边自主协商、月度集中竞价、挂牌交易方式，发电和用电企业市场报价是以其用电基准电价(目录电价)的负值出价(最高位：0元/MW·h)，由交易中心进行成交匹配，并在每月25日前公布中标价。电网公司收取固定的过网费。具体出清规则如下：

(1)实施两部制电价的大用户的容量电价保持不变，电量电价则为该用户适用的目录电价与交易差价之和；

(2)实施单一电价的大用户，电量电价为该用户适用的目录电价与交易差价之和；

(3)实施峰谷电价的大用户，交易价差不随峰谷电价浮动[3]。

与欧美主要发达国家较为成功的PJM[4]和NETA[5]市场采用的电力全要素市场化交易方式相比，广东电力市场化改革还有很大的完善空间，如表1所示。

表1 广东电力交易规则与欧美主流交易规则的差异Tab.1 Electricity transaction regular differences between Guangdong and the mainstream in Europe and the United States

1 电力交易市场化对智能电能表的功能影响

新电改9号文件发布以来，全国成立了省级电力交易中心30个，国家级交易中心2个(北京和广州)，国家推进电力市场化改革的决心和力度前所未有，目的是让市场在电力资源配置中发挥决定性作用，引导市场主体有效生产、有效消费和有效投资。

然而，电力不同于普通商品，能难以大规模、经济性地存储，必须依托电网将电源和负荷连接起来，生产和消费必须同时完成，并且，电网的频率和电压应保持稳定。

电力交易市场化的难点体现在：

(1)电力不是孤立的市场，其价格与煤炭、石油、天然气市场有很强的联动关系；

(2)电力负荷波动较大，不能完全依靠通过长期合约与期货交易平抑风险，只能通过缩短交易间隔，建立平衡市场才能兼顾各方利益；

(3)风力和光伏发电间歇性强，核电和火电、水电等调控弹性很小，电力市场化既要考虑经济效益，又要兼顾社会效益。

综合来看，扩大电力交易范围和增加更多交易主体，逐步开放日前现货市场和平衡市场，适时增设容量和服务市场，是市场化的大势所趋。

2018年7月初，南方能源监管局组织召开南方(以广东起步)电力现货市场交易规则专家研讨会暨市场监管研讨会。广东电力现货市场规则初步确定为一个基本规则和八个实施细则的“1+8”模式，以运营基本规则为基础，从现货电能量交易、中长期交易、交易结算、市场管理等八个方面对电力现货市场的运行进行细化规定。根据南方电网2018年的部署，广东电网将在近期建立现货交易市场[6]。

电力市场交易主体分类如表2所示，电力市场化改革的趋势如表3所示。

为了适应不断变化的电力交易市场化需求，未来的智能电能表应该具有下列典型特点：

(1)高密度(1～15分钟间隔)的电能负荷记录功能，为电力现货交易提供基础负荷预测与成交数据，且至少保存1年;

(2)既支持常规分时和阶梯电价计费方式，又支持基于双边交易和竞价交易、日前现货交易等方式的费率合同，能实现费控和负控等功能;

(3)上行通信接口能够支持多客户端独立访问和权限管理功能，以便售电公司、供电公司、用户等各交易主体能够根据需要在交易期间及事后获取相关数据;

(4)具有软(固)件在线升级能力(仅限非法制计量部分的功能软件)，能够随着新电改的深化，及时升级费控功能;

(5)显示内容更加丰富，点阵式LCD是最佳选择;

(6)采用面向对象的通信规约，具有互操作能力;

(7)法制计量功能应相对独立，不能升级;

(8)具有高速远程通信接口;

(9)具备光伏发电双向计量、补贴换算等功能;

(10)具有水表、燃气表等下行通信接口，为未来能源互联网下的能效管理提供可能。

综上所述，能够满足新电改发展趋势的新一代智能电能表，应该按OIML R46标准进行设计[7-8]。并且，新智能电能表需要实现发电源、配电网、用电负荷等多方互动交易，文中将具备互动能力的智能电能表，简称为“互动式”智能电能表。

下面结合研发的基于IEC 62056和WELMEC标准的欧洲互动式智能电能表方面的经验，就下一代符合中国电力市场化需要的IR46互动式智能电能表研发，做一些技术探讨。

表2 电力市场交易主体分类Tab.2 Classification of transaction subjects in electricity market

表3 电力市场化改革的趋势Tab.3 Trend of electricity market reform

2 合同电价在电能表中的实现方法

在电力市场化情况下，电源、电网、用电负荷(简称“源网荷”)互动交易离不开电价合同。电能表是贸易结算工具，为了体现交易的公平性，防止产生不必要的争议，交易合同应该以一定的格式下发到电能表中，并参与费控；此外，互动交易的过程和结果都要保存历史记录，方便追溯。

以往基于DL/T 645-2007和DL/T 698.45-2016规约的智能电能表，是按照分时费率和月阶梯，并且只有设计了主副费率套，并在ESAM中设计了当前电价文件和备用电价文件[9]。这个费率电价机制是以当前时段和特殊节假日及累积用电量为计费依据的。其缺点是：

(1)没有交易主体的概念，所以，无法按照电源、电网、用户三方主体分别结算电价;

(2)没有电价合同的概念，实际上只相当于管理了两份简易购电合同(主、备费率套)，没有长协、期货、日前现货及应急购电等市场化交易的概念;

(3)没有根据负荷预测进行现货及实时平衡交易的电价结算方式，无法实现按照负荷曲线购电方式结算;

(4)对光伏等新能源本地消纳时的补贴电价，无法在电能表中预先处理，给费控带来了难度;

(5)对充电桩等特殊负荷(限时有序用电、限负荷用电、按负载定价和按时间价格等)的计费方式，也没有预留合同电价模式。

欧盟发达国家在电力市场化交易方面起步较早，在2007年以后陆续引入了电价合同的设计要求，如法电ERDF[10]及葡萄牙电力EDP[11]都对合同管理功能有明确要求。

为了实现电价合同管理功能，IEC62056 DLMS /COSEM标准引入了费率脚本的概念，能够很好地解决电费合同导入和管理问题[12]。费率脚本可以实现电力市场化交易需要的与更多交易主体(Provider /Retailer /Distributor /End Customer)相关的费率寄存器(通过逻辑名进行分类)以及更复杂的费率依赖关系(只要是OBIS规定的数据对象都可以使用，例如：现货交易需要的高密度负荷曲线，计费与继电器拉合闸关联—实现预付费和负荷控制功能)，这样可以实现各种复杂的电价合同。在IDIS2中，还有更进一步的规范[13]。费率脚本采用ITU-T X.693和x.694标准的ASN.1和XSD编程规则的XML脚本语言，计费系统端通过DLMS/COSEM通信规约远程下发到电能表中。脚本化的费率表结构关系如图2所示。

图2 DLMS/COSEM中的费率脚本管理方式Fig.2 Tariff scripts management in DLMS/COSEM

以已研发的基于欧洲OPEN meter架构的单/三相系列互动式智能电能表为例，共实现了14个费率合同，其中10个是与电力供应商(如：发电商、售电公司)相关的合同，4个是不涉及交易主体的用电合同(从配电网直接购电，包括常规用电和应急购电)，这14个合同对应的计费对象可以是有功电能(W·h)，也可以是其它OBIS对象。例如，针对居民用的单相互动式智能电能表，通常需要接入通过下行通信接口接入水表、气表、热量表、光伏发电、甚至充电桩等，此时，可以将与交易主体相关的10个合同的计费对象中的部分对象用水量(升或m3)、气量(Nm3)、热量(W·h)、发电量(W·h)、时间(秒)等替换，实现“四表”混合计费管理。此外，14个交易合同都可以与继电器通断控制组合，可以完成复杂的费控功能。图3所示的是14个合同在电力市场化交易时可以用于配置的购电合同场景。

图3 互动式电能表的电价合同配置Fig.3 Contracts configuration of interactive E-meter

3 软件跨平台运行与远程升级实现方法

电力市场化交易情况下，电能表的功能需求多样化是大势所趋。以欧盟计量器具指令(Measuring Instruments Directive,简称MID)[14]为例，定型后的计量器具的非法制计量功能软件是允许在运行中通过在线方式(本地或远程)升级的，MID对软件检查及升级作了明确指引[15]。IR46-1标准同样允许对非法制计量部分软件进行在线升级[8]。

虽然MID和IR46都没有对法制计量功能和非法制计量功能作出物理隔离的要求，但是，国内现在倾向于采用“双芯”化设计，即：将法制计量相关的功能存放在单独的微处理器(计量芯)中，而将非法制计量的管理功能放在另一个微处理器(管理芯)中。这样，计量芯软件不允许升级，而管理芯的软件功能可以升级。

事实上，研发的系列互动式电能表采用了高性能的微处理器，并按WELMEC7.2标准的要求进行了法制部分和非法制部分的分离，产品通过了MID (2014/32/EU )认证，已在欧盟地区大批量安装使用。

由于国情差异，中国的电能表安装基数庞大，且制造企业近百家。各厂家电能表采用的微处理器(MCU)规格型号和外围电路不尽相同，甚至同一厂家的不同批次之间，也会存在硬件差别。现场安装时，也几乎做不到一个台区只安装同一批次的电能表。这给下一代IR46标准的智能电能表的管理软件批量化在线升级与版本兼容性管理带来了较大的难度。

常规的软件在线升级方法，都是立足于版本比对、程序功能分块、内存分区、传输完整性检查四部分。但还是很难避免因管理疏忽导致跨硬件平台升级，造成电能表功能异常甚至死机的风险。

要想避免跨平台升级引发的电能表功能失常，有两种管控方法：

(1)统一硬件和软件设计，不允许有差异化；

(2)采用跨硬件平台运行的虚拟机技术，即在电能表内植入统一标准的代码解释器，电能表应用软件基于虚拟机开发，统一编译，统一升级。

第一种方式，不仅是会限制技术进步这么简单，而且技术风险过于集中，大批量集中供货时交期也无法保障。

推荐使用目前软件行业应用非常成熟的Java虚拟机技术(JVM)进行移植，JVM的代码资源消耗少，是较为理想的跨平台软件解决方案。

图4是所研发的HXE110/310互动式智能电能表的软件平台总体架构。

图4 互动式电能表软件平台采用容器化技术Fig.4 Interactive meter software platform adopts containerization technology

APP插件层是电能表功能的应用层软件，面向所有电能表研发工程师，设计语言为Java，提供专用SDK工具和开放的API接口。所有与电能表管理功能相关的应用软件以APP方式独立运行，随电能表一起做型式试验和功能符合性验证，合格后方能使用。

核心层一般包括一个用于任务调度的OS和Java虚拟机(JVM)，以及内存管理等等，这部分代码不需要开放，以确保软件平台的稳定。

在核心层以上，还可以用CBB方式封装一部分基本功能块(例如：时段费率、费控、需量、事件等等)，供APP调用，这样既可以进一步简化APP的代码量，又可以在有限的上行通信带宽下，实现软件高效率升级。

硬件驱动层Driver接口也是可以开放给所有程序员的，用于电能表硬件跨平台移植，一般采用C语言设计。

该软件平台有专用SDK应用开发包，未来可根据需要开放。

4 互动式电能表实现IPv4/IPv6多客户端访问

在电力交易市场化背景下，市场化主体是多方参与的，各方都有公平交易的诉求。电能表作为贸易结算的计量器具，各利益相关方对与其相关的电量基础数据应该可以方便(经过独立密钥授权)获取。

以研发的系列电能表为例，上行通信既支持IEC 62056 DLMS/COSEM常规协议，又支持DLMS/IP协议。电能表的IP地址既可以由系统远程分配，也可以本地编程产生。电能表内可分配16个以上端口(跟MCU的RAM容量有关)，供不同市场主体进行登录访问。每个端口的访问权限可由管理员进行分配。DLMS协议的TCP/UDP通信架构如图5所示。

图5 DLMS协议的TCP/UDP通信架构Fig.5 TCP/UDP communication architecture of DLMS protocol

以研发的三相互动式智能电能表为例，大用户全年可能单独或同时向不同的售电主体按协议购电，通过网上竞价购电，或通过配电网购电。由于电能表具有多客户端接入功能，因此，各利益相关方可随时与电能表建立互动关系，其多客户端互动通信模式如图6所示。

研发的居民用单相互动式电能表，配备抄读水、气、热量表等下行通信接口；居民可以选择向配电网或零售商购电。电能表既能依据购电(水、气等)合同执行费控功能，又支持屋顶光伏等分布式电源接入，并优先消纳和计算补贴。此外，售电主体、水气热公司、用户等各方需要与电能表依照权限建立互动通信，其互动操作方式如图7所示。