高磊，王佐文，梁金佑，陈光福，卢夏萍，李辉涵,琚小鹏
(1. 广西电网有限责任公司贵港供电局，广西省，贵港市，537100， 邮编: 537100)
摘要：在电力公司计量自动化系统的基础上，实现电、水、气表数据的联合采集，对于建设智慧型、资源节约型社会具有重要意义。本文依托现有计量自动化系统，分别从系统物理架构、软件架构、应用架构三个层面设计和实现多表集抄功能。首先对多表集抄的通信方案进行了研究，提出了基于智能电能表的全无线技术方案，并与传统的基于通信接口转换器的技术方案进行比较，分析各自的优缺点及适用场景；然后设计了软件系统的整体架构和服务部署方案，通过采用内网+云端平行架构的方式，同时为电力公司用户、用能用户、物业公司用户提供服务；最后分别为这三大客户群体设计典型示范应用。应用设计过程融入了数据挖掘和预测，从而能够提供精准分析、综合研判、异常告警等高级服务，并提升客户满意度。
关键词：计量自动化系统；多表集抄；平行架构；数据挖掘
0 引言
电、水、气等基础能源的使用和计量关系着国计民生，当前电力、水务、燃气公司各自为阵，使用独立的抄表系统或仍采用人工抄表方式[1]。通过多表集抄将实现缴费资源的共享和互通，避免系统的重复建设，对于提升智能化、多样化、互动化的服务体验，建设智慧型、资源节约型社会具有重要意义[2-3]。长期以来，电力公司在自动化抄表方面积累了丰富的经验，电力公司的计量自动化系统使用时间最长，最稳定，技术也更为先进，加之电力线通信的天然优势，在现有计量自动化系统的基础上接入水表和气表，由电力公司负责多表集抄系统的建设，实现多表集抄是建设成本最低、性能最优的选择。
当前用能公司各自的计量系统所使用的标准和技术各不相同，缺乏统一管理；计量表计多样化、无法实现兼容；通信协议不统一，通信系统架构复杂，且相互之间存在无线干扰[4]。这些问题的存在一定程度上制约了多表集抄的大规模的推广和应用。此外，在实现多表集抄功能的试点区域，计量系统仅为供能公司提供较少的功能应用，数据分析的维度也较为单一。目前，电力公司的计量自动化系统已具备大规模数据处理能力，实时性、可靠性高，随着M-BUS、NB-IoT窄带物联、LoRa等通讯技术的推广使用，综合运用这些通讯技术可实现各种复杂环境下设备间的可靠通信[5-6]。大数据、云计算、人工智能技术的飞速发展，为系统提供复杂多样的深化应用功能提供可能。充分利用计量自动化系统的计量数据和状态感知数据，开展数据挖掘与应用，可以精准分析电、水、气多种能源的损耗和分布，通过数据综合研判，可以及时发现设备故障和用能异常，进而提升用户满意度[7]。
0多表集抄技术方案
通过对电、水、气表应用情况的分析发现，表计多样化导致的通信协议不兼容、改造成本高、施工困难、维护复杂是制约多表集抄推广的主要因素。通过通信接口转换器可以解决通信协议互相不兼容的问题，但是此方案需要另外安装通信接口转换器，布线施工困难。因此本文提出了一种基于智能电能表的全无线技术方案，通过在水表、气表上安装微功率无线通信模块，并以智能电能表作为网络接口，可以克服表计安装位置分散导致布线困难、改造成本高的问题。下面对两种技术方案的特点和适用的场景进行详细的分析。
0.1基于通信接口转换器的技术方案
该方案主要特点是为每个用户除智能电能表外单独安装一个通信接口转换器，通过低压载波、微功率无线、485数据总线、M-BUS数据总线等方式实现对水、气表的抄读，并通过低压载波、微功率无线等通信方式将信息上送至采集终端（集中器、采集器）[8]。此方案以集中器作为抄表系统中的网络节点，每个集中器可管理多个智能电能表和通信接口转换器。
基于通信接口转换器的系统框架如图1所示。此方案主要针对新建小区、农村、城乡结合部以及具备现场布线和设备安装条件的既有台区[9]。
此方案的优点是设备工作负担小，抄读速度快，可靠性高；系统支持多种通信信道，通信效果好；不受现有智能电能表和集中器安装位置限制，适用范围广；缺点是需要另外安装通信接口转换器，需要对智能水表和智能燃气表布线施工，建设投资和工程量较大。
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图1 基于通信接口转换器的系统框架
0.2基于智能电能表的全无线技术方案
该方案基于现有的智能电能表和计量自动化系统通信网络，通过对集中器和微功率无线模块的升级改造，增加对水表、气表的数据采集功能。利用现有的计量自动化系统的网络拓扑，将其中的智能电表微功率模块[10-11]作为家庭能源采集网关，实现公用事业采集集中器对水表、气表的通信连接和数据采集。
以智能电能表作为网络接口的技术方案系统框架如图2所示。
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图2 基于智能电能表的系统框架
电表采用一户一表的模式，水表、气表可能分散在用户室内，也可能多个用户的计量表集中在一个设备间，同一用户的电能表跟水表、气表不一定距离最近，故在组网过程中电表不绑定同一用户的水表、气表，而是对其能抄到的水表、气表进行关联，并上报给集中器模块，最后由集中器进行统计并计算电表跟水表、气表的路由关系。
组网流程如下：集中器和智能电表无线模块按照计量自动化系统的现行模式进行组网，形成一级网络（MESH网），再将一级网络中的节点电能表无线模块做为家庭能源采集网关[12]，在规定时段做周期性扫描，定时唤醒、关联相邻的水表、气表，形成二级网络（星形网）。并上报给集中器模块，构成水表、气表的数据采集路由。
由于微功率无线水气表仅通过电池供电且电池容量有限，若集中器直接与水气表组建网状网络会消耗较高的能量，制约水气表的使用寿命，因此应采用电能表内置通信模块作为网关，与周围无线水气表形成星型网络的方案。此方案可实现对水表、气表的数据转发功能，但水气表无法实现实时在线通讯，只能采用唤醒的方式来延长使用寿命。
此方案主要针对于下行通信采用微功率无线通信方式，不方便布线的既有台区改造。
该方案优点是无需布线和安装新设备，最大限度利用现有的计量自动化系统的通信网络。缺点是对水表和气表的安装位置有较高要求，当其安装位置附近屏蔽较强或有明显干扰时，无线通信信号强度可能无法满足数据抄读要求，造成通信终端抄表失败，同时对于智能电能表安装位置远离用户或屏蔽严重的台区也不适宜采用此方案。
1软件系统架构
在现有计量自动化系统中为供能公司提供多表集抄功能的同时，考虑增加对小区物业方的功能应用以及用能用户移动端应用的拓展。商业云平台具有技术先进、节省成本、运营高效等优势，考虑将以商业云部署系统的形式为物业及移动端提供服务支撑。
系统从通讯层往上采用内网+云端平行架构的形式，新型智能电表利用运营商报文双发模式，同时为内网计量自动化系统以及云端采集平台提供数据传输服务，双平台同时运行为不同的客户群体提供服务。系统整体架构图如图3：
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图3 内网+云端平行架构
主站安全大区（内网）部署系统为完整的计量自动化系统，具备多表集抄的全部功能，供电力公司用户使用。该系统基于大数据技术，构建分布式架构，包括分布式消息队列、分布式存储、分布式计算和分布式应用，内网部分架构图如图4：
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图4 系统内网部分架构图
（1）设备层：包含集中器、采集器、通信接口转换器以及电表、水表、气表、光伏、充电桩等相关计量设备。
（2）采集层：为适应千万级规模设备采集和数据接入，通信管理服务采用弹性架构设计，支持在线动态扩展，满足不断增长的设备类型和数据类型，主要包含主站通讯前置、采集前置、分布式消息队列（Kafka、Redis等）、数据处理、规约解析服务、统一入库服务和任务管理等模块，适配各类设备接入计量自动化系统。
（3）数据层：数据层分为数据存储和计算分析两部分。为适应系统海量数据存储与应用，数据存储采用混合存储模型，包括存储用户/设备台账及采集数据的关系型数据库（Oracle、Mysql、MPP等），长期存储全量量测和事件数据的分布式数据库（HBASE、Hive、ODPS等）及支持实时业务分析的缓存数据库。为提升系统对表码、事件等海量数据实时分析与批量计算能力，采用分布式并行计算技术（SPARK等）实现分钟、小时和按日等不同频度的计算，满足运行监测的需求；采用流处理技术（Flink、Storm等）实现实时业务分析，满足数据实采实校、实时分析等应用；采用机器学习、深度学习算法库开展用能情况分析、设备状态评价等高级应用。
（4）业务应用层：系统采用微服务（Spring Cloud等）和容器技术实现统一部署管理，通过容器技术实现一键部署和业务隔离。
云端与内网主站系统采用平行架构，应用系统运行在商业云上，为小区物业、用能用户提供数据查询和数据管理服务。云端部署的系统均为轻量系统，包括轻量前置采集程序、轻量关系型数据库、轻量应用服务，仅支持冻结表码采集、入库、查询功能，方便未来功能需求的扩展。云端采集数据正常存储，其它敏感类用户信息均采用非对称性加密算法加密后存储，保证客户信息安全。
物业侧数据以商业云服务提供支撑，供小区物业维护业主及表计信息，查询表码、用能、抄表情况等统计和明细信息，提高小区物业的抄表自动化水平。
移动端同样以商业云服务提供数据查询支撑，以微信公众号的方式与用能用户交互，避免用户多余安装提高体验性，避免重复开发，减少投入成本。
2功能应用设计
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图5 系统应用架构图
本章为电力公司用户、物业公司用户、用能用户分别设计了不同的多表集抄功能应用，除了档案管理、数据查询、抄表管理等基础应用外，通过数据的综合分析和研判，可以提供用能分析、设备监测预警、节能方案推荐等人性化应用。系统应用架构图如图5所示。
（1）面向电力公司的功能应用（计量自动化系统内网系统）
功能应用包含多表合一档案管理、联合抄表、设备管理、多能源联动分析、数据发布等[13-14]。
档案管理：系统支持电表、水表、气表等多种表计数据的采集覆盖，为支撑多表的联合集中采集，系统需要一套完整的档案信息、采集信息，因此系统提供对已覆盖用户和表计的基础档案初始化、导入、关联、采集关系维护的功能。
联合抄表：对各类终端参数支持召测、设置、保存等操作。支持采集任务的编制、查询和修改；支持对单个或批量采集对象的实时数据、历史数据或事件数据的召测。
数据查询：以水务、燃气、电力不同的表计类型视角，展现计量表计相关档案信息、采集数据项以及抄表数据，更加快捷、直观的体现各类计量表计的底码、用能情况等主要数据信息。实现按供电单位、表计类型（电、水、气）、抄表月份等条件的统计数据查询。
抄表监测分析：实现按供电单位、表计类型（电、水、气表）、时间各维度的采集成功率、采集覆盖率等指标的统计和明细查询展示，使用图形展示指标的变化趋势。支持多表集抄的异常分析功能，实现对采集原始数据进行汇总和历史分析。
设备管理：电、水、气表新装、更换或关键参数档案信息发生变更时，可自动或手动触发远程调试流程；支持对单个或多个终端（通信接口转换器）的参数设置、软件远程升级和对时操作。
多能源联动分析：精准分析电、水、气多种能源的损耗和分布，通过数据综合研判，开展数据挖掘与应用，及时发现设备故障。
（2）面向物业公司的功能应用
物业侧展示中心提供对物业方的服务，支持物业公司对所辖区域内住户及其表计的档案管理，支持表计的实时召测和设置、采集数据的查询、用能信息的综合展示等功能。
档案管理：管理当前小区内用户的档案信息、用户与表计关联信息。
采集管理：提供多表用户电、水、气表数据的实时召测、设置和保存功能。
数据查询：支持单业主数据查询，以业主为维度，展示用能用户的全景数据，展示电、水、气抄表的表码数据。支持所有表计的抄表失败明细及统计查询。
用能信息综合展示：提供用能用户群体的能源统计功能，展示用能用户数据采集异常、用能异常等信息[15]。
（3）面向用能用户的功能应用
移动端展示中心以微信公众号的方式，为用能用户提供用户注册、登录查询、申请绑定和解绑的服务。以用户视角展示用户对三类能源的用能状态、用能信息、表计状态信息，与物业方的档案管理联动。
3结论
计量自动化系统中多表集抄功能的设计需以现有计量自动化系统为基础设计，充分利用现有的智能电能表和计量自动化系统通信网络，以减少重复建设。本文从系统建设的技术方案、软件系统架构和功能应用三个层面进行了深入的研究。在技术方案层面，依据不同应用场景，选择不同类型的通信技术方案，有助于保证水表、气表接入计量自动化系统后的可靠通信。本文提出了基于智能电能表的全无线技术方案，并将该方案与基于通信接口转换器的技术方案进行了比较，对于新建小区或者具备现场布线和设备安装条件的既有台区，建议采用基于通信接口转换器的方案，对于不方便布线的既有台区改造，基于智能电能表的全无线技术方案可行性更高。在系统整体架构层面，设计内网+云端的平行架构，内网和云端分别部署全量和轻量级的计量自动化系统，双平台同时运行为不同客户群体提供服务。在功能应用层面，挖掘电力公司、物业公司、用能用户的不同需求，在web端和移动端同时提供多样化服务，除档案管理、抄表管理、综合查询等基础应用，扩展实时监测、多能源联动分析等高级应用，从而提升不同用户群体的满意度。
多表集抄功能的进一步推广应用，必将给供能公司、用能用户、物业公司带来更多的便利和收益，助力智慧城市的加快建设。
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