用户用电信息采集系统的深化应用研究综述

刘晨，白泰，王家驹，白佳灵，熊思宇

(1. 国网四川省电力公司计量中心，成都 610045； 2. 西南交通大学 电气工程学院，成都 611756)

0 引 言

随着科学技术的不断发展和能源格局的深刻变化[1-3]，我国社会经济发展对电能的需求量正逐年攀升[4]。此外，自2003年美国电科院首次提出建设智能电网的愿景后，以“人工智能+大数据”为基础、“信息互联+数据共享”为核心的智能电网开始在各个城市兴起[5-7]。

在智能电网建设中，用电信息采集系统为其提供了重要的物理基础[8]。依托自动控制技术、精确传感技术和快速通信技术，该系统能够实现数据自动采集、线损统计分析[9-10]、负荷信息管理、电能质量监测[11-12]等基本功能，为电网有效监测用户用电信息，及时发现异常用电情况和制定用户用电引导策略提供了重要的技术支持[13-14]。

用电信息采集系统领域相关研究[15]兴起于欧美国家，旨在提升客户满意度和电网运行效率。从1986年起，美国致力于自动抄表系统研究，至2005年约有980万台电能表实现自动抄表[16]。2006年，为调整负荷需求和实现负荷控制，欧盟制定了《欧洲未来电网的愿景和策略》等一系列文件，提出了建设电能表自动管理系统的目标。随着智能电网概念的提出，用电信息采集系统的建设也不断发展。美国是第一个取得智能电网在城市中创新性应用成果的国家[17]。2008年，在科罗拉多州博尔德市，通过改善用户信息测量设施和安装新型智能电能表的方式，美国Xcel公司建设了世界上首座智能电网城市。在欧洲，意大利率先开展了智能电能表的示范性应用[18]。至2014年，其推行的智能电能表在全国的覆盖率高达85%，居世界第一。荷兰在智能电能表部署方面也取得了大量成果，建设了首座阿姆斯特丹智慧城市[19]。德国则是提出了著名的“E-energy计划”[20]。

在国内，中国电力公司为适应电力市场改革，一方面采用远方集中抄表方式代替传统的人工抄表方式，提高了信息采集的自动化程度。另一方面，借助计算机信息化手段完善用户信息采集系统，提高了电网营销人员的工作效率[21]。但由于这些系统采用独立建设方式，因此只能采集局部范围内的局部信息，没有统一标准和信息互联，严重限制了基于用采数据的高阶应用。为了建设更加精细化和标准化的用电信息采集系统，国家电网公司于2008年提出建立全省统一的用电信息采集系统，以实现用采数据的集中分析与应用扩展。2009年，为进一步推动智能电能表的大规模应用和建设更加完善的用电信息采集系统，各省公司电网按照国网总部“全覆盖、全采集、全费控”的统一部署，组织开展了智能化采集系统的规划与建设研究。截至2016年，智能化采集系统得到全面发展，实现了4.52亿用户用电信息采集，成为电网制定精益化管理策略、打造优质服务平台的重要基础。

近年来，随着智能电网的深入建设，用电信息采集系统的功能要求和服务水平也越来越高[22]。因此，在智能电网的背景下，打造具有数字化、智能化、信息化和自动化的用电信息采集系统将会是未来电网发展的重要方向[23]。文章介绍了用电信息采集系统的结构组成，并以四川电网为例对用电信息采集系统的本地深化应用情况进行介绍，为新一代用电信息采集系统的构建和推广应用提供参考。

1 用电信息采集系统结构组成

用电信息采集系统基于精确传感、快速通信、自动控制等先进技术，能够对接入的电能表进行自动抄读、远程控制和电价下发等操作，并把相应的数据进行存储和处理，进而为电力管理系统、营销服务系统以及其他业务系统提供数据支撑[24]。

一方面，随着科学技术的进步和电力市场的改革，传统人工抄表方式已无法满足电网需要。用电信息采集系统采用智能远程抄表方式，弥补了人工抄表的缺陷，同时减少了供电营业所的管理成本；另一方面，用电信息采集系统获取的实时、广域的用户用电采集数据能够为电网优质服务提供全面信息以及为用电负荷管理提供科学依据，这有利于开展节能降损工作、提高客户满意度和供电可靠性[25]。

用电信息采集系统主要由主站、通信网络、集中器和电能表四个部分组成，其组成结构图如图1所示。

图1 用电信息采集系统结构图Fig.1 Structure diagram of electricity consumption information acquisition system

采集系统主站是指通过信道对集中器中的信息进行采集、处理和管理的设备的总称，主要包括：(1)应用服务器，主要功能是管理采集系统的前置机和数据库，并且配备有配网智能化管理所需的数据接口；(2)数据服务器，包含一台主服务器和数台备份服务器，负责采集系统的数据保存和备份工作；(3)前置服务器，通常包含一台或多台服务器，承担着与采集系统进行通信的功能，并根据主站的需要抄收数据和发送相应的命令[26]。

通信网络可以分为上行通信(主站与集中器之间的通信)和下行通信(集中器与采集终端之间的通信)。上行通信方式主要有有线电话网通信、GSM/GPRS无线通信和光纤以太网通信等。下行通信方式主要有电力线载波通信、微功率无线组网通信、M-Bus总线通信和RS-485总线通信等。几种通信方式之间的比较如表1所示[27-31]。

表1 各种通行方式比较Tab.1 Comparisons of various communication modes

集中器是对采集终端数据进行收集、处理和存储的设备，并且具有和主站数据交换的功能，其组成结构如图2所示。其主要性能有：路由管理、远程控制、参数设置、数据冻结、数据抄读和存储、自诊断、缺相或停电自动报警、重点用户管理等。

图2 集中器结构框图Fig.2 Concentrator structure block diagram

电能表是安装在现场的计量设备，负责采集电力系统的原始用电信息。目前电能表的种类主要有：单相电能表、三相电能表、单三相预付费电能表、三相多功能电能表和网络电能表等。

2 用电信息采集系统的深化应用

2.1 有序用电和负荷控制

近年来，为应对能源转型，电力需求侧管理成为学术界和产业界的热点问题[32]。其中，有序用电是电力需求侧管理的基本环节。传统的有序用电采取硬性调控方式，没有从用户的角度出发，因此用户的参与性和响应度不高。由于用电信息采集系统能够实时监测目标客户用电信息，基于此用采数据，分析可以得到不同数据背后的用户用电行为规律，这有助于电力行业了解用户多元化需求，从而制定科学、精细的有序用电方案，实现电网资源灵活调配。

以四川电网为例，基于用采数据的有序用电系统具有负荷预测和有序用电管理两个模块，子功能涉及有序用电指标管理、有序用电方案管理、有序用电任务编制、有序用电任务执行、有序用电任务解除、有序用电分析、有序用电信息发布、有序用电综合分析等。其中，负荷预测模块借助于四川省各城市用电负荷曲线，通过日负荷特征分析以预测未来短期负荷特征，从而制定相应负荷引导策略，达到电力负荷控制和用户有序用电的目的。有序用电管理模块依托数据可视化技术，支持四川电网用户管理、执行效果监测、有序用电电量查询、有序用电压降查询和任务执行等多个功能。一项有序用电方案的执行涉及营销服务系统和用电信息采集系统，其具体实施流程图如图3所示。首先，由四川国网营销服务系统制定有序用电方案，并向用电信息采集系统发送请求。用电信息采集系统收到请求后获取有序用电方案并执行，最后再反馈执行结果给营销服务系统。

图3 有序用电方案执行流程图Fig.3 Implementation flow chart of orderly electricity consumption scheme

2.2 HPLC深化应用

HPLC通信技术是一种以电力线为通信介质的新型数据传输技术。近年来，HPLC在低压电力线载波抄表领域发展迅速，并以其高可靠、高速率、低功耗和互联互通的优点，成为智能楼宇、电动汽车充电、新能源发电等应用场景的主要通信方式。

基于HPLC技术和智能电能表，四川电网用电信息采集系统可以实现以下八大业务功能：

(1)高频数据采集：HPLC技术的发展提高了电力线通信信道的数据传输能力和通信能力。以其高速率优点，能够高频采集电能表数据，在自动抄表方面发挥了重要作用。其中，在四川计量中心，HPLC高频采集的业务包括日冻结数据采集、高频实时数据采集、负荷曲线及小时冻结数据采集等。如图4所示是采集到的四川某一用户振荡数据。基于此高频采集数据，能够有效监测负荷波动、分析电能质量以及发现线路异常等情况；

图4 四川电网某一用户采集振荡数据Fig.4 Collected oscillation data of users in Sichuan power grid

(2)停电主动上报：利用HPLC技术的低时延特点，能够保障停电/复电事件的上报和远程遥控指令下发的及时性。以四川电网为例，该过程可以通过在HPLC子节点的通信模块中(如电能表STA，II型采集器)配置超级电容来实现。通过停/复电后的事件主动上报，可以将被动抢修变为主动抢修，对于提高供电可靠性和提升客户服务保障能力具有重要的现实意义；

(3)时钟精准管理：依托HPLC技术的低时延通信和灵活的广播校时机制，可以保证电能表与集中器之间的时钟同步以及精准管理，为四川电网分时电价、阶梯电价政策的实施提供技术保障；

(4)相位拓扑识别：供电线路的三相不平衡负荷会降低供电线路和变压器的工作效率。当某相严重过载时还可能导致该相的导线烧断，继而引起断路器损坏、变压器烧毁等连锁事故，严重威胁供电的安全可靠性。其中，根据不同相线终端过零点时刻不同的特点，过零检测法的相位识别原理如图5所示。基于HPLC的相位拓扑识别，分析线路的三相相位和拓扑关系，对于改善配网三相不平衡度及提高线损分相治理水平具有重要价值；

图5 过零检测法相位识别原理Fig.5 Phase identification principle of zero-crossing detection method

(5)台区自动识别：实现台区线损精确计算的基础是建立准确的台区户变关系。因此，台区识别至关重要。为更加准确的判断台区户变关系，四川电网利用台区识别技术对基于HPLC网络的不同工作台区进行识别。通过此方式，可以进一步提升台区线损的管理水平，实现电网的经济运行；

(6)ID统一标识管理：依托全球统一物联网ID标识管理系统，可以给每一个HPLC芯片打上统一的身份标签。基于此标签，可以实现从芯片出厂再到检验环节以及最后的运行环节的全寿命追踪管理。此外，通过身份鉴权机制可以避免非法设备的接入，保障了网络的安全；

(7)档案自动同步：利用HPLC高速率的特点，以及台区自动识别的功能，四川电网公司通过基于面向对象的通信协议[33]，能够实现对电能表参数信息完成自上而下和自下而上的双向传递，直到达到信息的双向同步。该方式进一步提升了设备档案信息的准确度[34]；

(8)通信性能监测和网络优化等功能：由于每个HPLC节点都具有相邻节点信息、网络路径信息和信号强度等参数，因此在主站可以监测每个设备的状态信息以及对不同的芯片厂商、模块厂商设备运行情况进行评价。此外，通过监测数据，可以分析网络运行水平并调整HPLC性能参数，达到对通信网络进行持续优化的目的。

2.3 配变监测

基于HPLC高频数据采集功能可以实现台区低电压及配变监测功能，并且展示配变监测业务应用中的各类数据信息，包括总体情况、可开放容量、台区负载率情况、台区三相不平衡情况等。当前四川电网的采集系统已具备低电压监测、负载率分析、可开放容量分析、三相不平衡分析四大功能模块，四川电力公司计量中心建设的配变监测各模块界面显示如图6所示。

图6 四川电力公司计量中心低电压及配变监测大屏显示界面Fig.6 Low voltage and distribution transformer monitoring large screen display content in measurement center of state grid Sichuan electric power company

低电压监测模块负责对各单位、各类型的低电压情况进行统计和明细展示。首先，该模块能够按照供电单位、供电所(运维班组)、时间段等条件查询低压用户数据并生成报表展示用户电压、电流等信息；再以台区为单位分析台区低电压及其下层用户的低电压情况；然后对发生低压的原因进行自动分析并给出解决建议；最后生成数据诊断报告，报告内容包括总体情况、问题分析、解决建议等。

负载率分析模块主要是根据变压器容量并结合配变负荷数据，以台区为单位研判台区是否发生了重载、过载等负载情况，并分析其台区容量、平均负载率以及最大负荷和其发生时间，最后展示负载率的统计和明细信息。可开放容量分析模块能够实时监测日用电负荷大小，同时对比系统额定容量和负荷监测结果，从而获得各个台区的当前可用包装容量，然后以台区为单位研判台区处于可开放容量充足、可开放容量预警且允许临时接入、可开放容量告警且禁止接入中的哪种状态，最后展示可开放容量统计和明细的相关信息。

三相不平衡分析模块可以展示台区三相不平衡的统计和明细信息，辅助分析不平衡原因，并给出调整建议。该模块以台区为单位研判台区是否发生了三相不平衡事件并对相应台区发生三相不平衡的总次数以及累计持续时间进行统计，自动生成诊断单分析其发生三相不平衡的原因并给出解决建议。

基于HPLC的配电监测有效解决了传统方式靠系统主动巡检用户电压进行电压判断的低效、准确率差等问题；并且通过对负荷的曲线监测实现了对负载率、可开放容量、配变台区经济效益等问题的分析与解决，也为后续台区扩容、电动汽车充电桩的接入等拓展业务提供了数据参考。

2.4 台区体检

台区是电网的重要环节之一，起着连接供电站与终端用户的枢纽作用。尤其四川配网系统台区数量众多，且与用户紧密接触，加强台区指标考核，快速准确评估台区健康度对于台区治理和管理至关重要。其中，基于用采数据的台区体检是对台区进行精细化管理的基本措施。针对台区情况进行全面统计分析，从采集因素、档案因素、计量因素、窃电因素、设备因素等方面对台区进行全面体检，实现对台区健康度的量化，从而为台区的精细化管理和电网经济运行水平的提升提供有效决策参考。

四川电网台区体检体系结构图如图7所示。体检内容包含三个层次：第一层是综合体检，即综合考虑所有可能影响台区健康的因素(包括采集、档案、计量、窃电和设备等)评估台区的整体健康状态；第二层是针对每一个影响因素分别进行台区体检；第三层则是对每一个影响因素下的各项内容进行评估。

图7 四川电网台区体检体系结构图Fig.7 Structure diagram of station area examination system in Sichuan power grid

2.5 远程开户

低压本地费控用户新装或换装电能表后需要开户领卡购电。四川电网营业厅过去采用传统开户方式，即客户需要在新装或换装电能表流程结束后在营业时间到营业厅领取购电卡。然而，营业厅的营业时间往往与客户工作时间重叠，且营业厅辐射面积大，给客户领卡带来不便。此外，客户领卡后需插表才能继续购电，极易造成客户多次往返。现有客户大量存在持卡开户后未插卡又进行远程购电，造成购电次数不一致而购电失败的现象，影响客户远程购电体验。

为解决批量换表和现场开户不变等问题，在现有业务的基础上，四川电网各营业厅新增了远程开户业务。远程开户后，新装客户可直接远程购电，减少因购电次数不一致而影响客户远程购电的问题，提升远程购电下发成功率。换装客户可以继续通过远程或者持卡(旧卡)购电，无需到营业厅换领新卡，基本达到无感换表，提高客户用电满意度。远程开户流程如下：用户新装或换装流程结束后，营销系统生成远程开户下发任务传送给采集系统，由采集系统以远程的方式下发至用户现场的电能表，开户成功后用户在营销系统自动开通远程充值业务，实现用户无感换表。目前远程开户任务发送到采集系统后，前1 h每15 min验证执行一次，1 h之后下发间隔为1 h，下发开户信息前会先验证电能表组网是否成功，下发成功则及时反馈结果给营销，下发失败用户会召测电能表户号信息验证并修正下发状态，一直下发失败用户48 h后将强制返回结果给营销系统。

2.6 远程充值优化提升

为进一步提升远程充值成功率，减少现场工单派发量，提升用户感知体验，四川电网针对远程充值问题在采集侧进行了功能应用升级，以便能够对下行通信进行分析，同时方便基层单位查询并分析远程充值情况，提升主站远程下发成功率。

在实践过程中，四川电网远程充值服务在线上充值功能、线上充值短板和线上缴费推广三个方面进行优化提升，全方位提升客户感知：(1)优化线上充值功能，其内容包括充值后余额实时提醒、余额不足短信提醒、阈值定制、远程合闸和用户保电。在业务流程改造前，客户智能电能表剩余金额仅在掌上电力APP上可查询0点冻结剩余金额，不能及时反应当前余额，充值后客户也无法及时获取表头剩余电费量。经过改造后，营销系统会在客户线上渠道缴费后根据采集系统分钟级采回的表上余额向客户短信推送表上余额数据。同时，营销系统同步推送更新后的表上余额给掌上电力APP、微信或支付宝等线上缴费渠道，实现缴费后余额信息分钟级向客户推送和展示。考虑到各用户用电情况不同，将原来的两档余额不足提醒阀值增加至五档，客户可选择2档作为提醒的设置档位，实现余额不足短信个性化定制提醒。若客户出现欠费跳闸情况，无需前往表计现场手动复电，营销系统会主动向采集系统发起合闸命令，实现便民远程合闸、足不出户复电服务。此外，针对重要客户换表期间，省市重要政企客户用电等特殊情况，制定了用户保电等级划分规则、用户保电等级认定、保电/取消保电任务、保电期间电费核收等流程，实现重要敏感客户事前无感保电服务；(2)强补线上充值短板，包括不具备条件限制线上充值、单边帐治理、错发短信电话号码治理等。换表等在途业务、表头写卡次数不一致、不具备采集下发条件和非欠费停电四类技术原因导致用户远程充值下发失败，严重影响客户远程充值体验。对此，增加上述四类不具备线上缴费条件限制客户线上充值场景，制定配套的远程充值失败应急服务机制。针对代收机构与营销系购电记录不一致的情况，建立单边帐实时查询及异常处理流程，营销系统可反向查询第三方缴费记录流程。针对营销系统中用户电话号码不准确，造成短信错发引起用户缴费错误等投诉事件，电话号码校验规则和分类标签设置，促进服务信息的精准发布；(3)强化线上缴费推广，针对低压线上缴费推广精准度不够、线上缴费推广手段单一的问题，建立具备线上缴费但未线上缴费客户清单的客户量提取机制，精准锁定线下缴费目标客户，开展针对性推广流程、综合施策强化推广。

3 结束语

在当前智能电网的背景下，四川电网公司已经建设了“全覆盖、全采集、全费控”的用户用电信息采集系统，完成了国家电网公司的统一部署目标。并且，基于信息共享、能源互联网交互和大数据处理等新技术，用户用电信息采集系统在有序用电和负荷控制、高速宽带电力线载波深化应用、配变监测、台区体检、远程开户以及远程充值优化提升等多项业务方面取得了深化应用的显著成效。文章介绍的关于四川电网用户用电信息采集系统的深化应用情况将为建立新一代愈发完善、智能的用户用电信息采集系统提供参考，对于提高营销服务的自动化程度，提升用户用电服务质量，保障电网安全稳定运行，促进国家经济可持续发展具有重要意义。