《电、水、气、热能源计量一体化采集关键技术研究及应用》

1、电、水、气、热能源计量一体化采集关键技术研究及应用一、需求必要性分析 国家发改委发布的关于促进智能电网发展的指导意 见和关于推进 “互联网 +”智慧能源发展的指导意见中指出 “应 完善信息资源共享机制，支持能源数据集抄集采，建设能 源数据集成平台，鼓励基础设施共享复用 ”、“丰富智能终端 高级量测系统的实施功能，促进水、气、热、电的远程自 动集采集抄，实现多表合一 ”。为落实 相关要求，有必要依 托覆盖广泛的智能电能表和用电信息采集系统，积极推动 “多表合一 ”采集系统建设，提升社会公共服务水平，实现社 会公共服务资源效益最大化，积极推进国家节能减排政策 落实。随着 “多表合一 ”采集需求的提

2、出，能源计量点数量成倍 增加，现有用电信息采集系统难以适应电、水、气、热能 源综合计量发展的新形式和新要求，主要表现在采集数据 量增多，采集频度提高，对外共享接口增加，系统并发处 理能力不足，现有系统架构、技术方案、采集终端和通信 协议难以满足多表合一一体化采集的应用需求。另外，我 国居民用户使用的能源计量设备主要包含电表、水表、燃 气表和热力表，除电表外，其它表计信息的采集多为人工 抄表方式，抄表效率低，由于我国电、水、气、热分属四 个能源行业，运营单位不同，居民需要分别缴纳电费、水 费、气费、热费，公共服务效率低，存在系统不兼容、方 案不统一、智能化水平差异大等诸多问题。针对上述发展形势和

3、存在的问题，有必要尽快开展 电、水、气、热能源计量一体化采集关键技术，明晰能源 计量系统技术路线，重点研究一体化采集系统架构、主 站、终端、通信信道、通信协议、安全防护等方面技术问 题，建立电、水、气、热能源计量一体化采集系统试验验 证方法和评价指标体系，进一步支撑电力体制改革、能源 互联网等宏观形势下营销新型业务及公司跨专业协同业务 的开展，并为水、气、热等公共事业开展高效社会化服务 提供支持。二、技术现状分析 近年来，国家电网公司积极推进智能电网建设，践行“计量先行 ”理念，全面推广应用智能电能表，建设用电信息采 集系统，目前覆盖用户已超过 3.5 亿户。用电信息采集系统 的全面建设，有力

4、的促进了智能计量技术体系的发展，提 升电网智能化水平，采集的各类数据已经在电力交易、电 费回收、用电检查、市场需求侧、线损精益分析、配电网 运行监测、供电质量监测以及故障抢修等多个专业业务应 用中发挥了重要的数据支撑作用，已成为公司经营决策分 析的重要基础数据来源。目前，在电、水、气、热四个能源行业中，全国已安 装水表 1.4 亿只，燃气表 0.88 亿只，热力表 0.13 亿只，总 计 2.41 亿只，智能化水平偏低，存在系统不兼容、方案不统 一的问题。智能水表、燃气表和热力表多采用无源设计或 电池供电方式，数据采集一般通过 M -BUS 总线或微功率无 线通信技术实现， M -BUS 总线

5、需要铺设专线，微功率无线 通信距离容易受到限制。国际上已有丹麦、克罗地亚、墨 西哥、南非等国家，特别是电力、燃气一体化运营机构已 开展了多表合一采集应用，英国、荷兰的推进计划正在实 施。三、需解决的问题问题 1：电、水、气、热能源计量一体化采集架构体系 研究问题描述： 电、水、气、热能源计量业务需求复杂，应全面分析 当前采集系统在支撑业务发展面临的技术问题，结合电、 水、气、热能源行业发展需求，以及营销、发展、安质、 运检等业务应用需求，提出电、水、气、热能源计量一体 化采集系统设计要求。为促进系统良性发展，需要设计基于“互联网 +”的电、水、气、热能源计量商业运营模式，应结合业务需求分析，研

6、究电、水、气、热能源供应商利益 需求，基于 “互联网 +”理念，构建混合型电、水、气、热能 源计量商业运营模式，建立抄表、收费、运维、服务一体 化运营体系。为与现有用电信息采集系统完美融合，需要 设计定义电、水、气、热能源计量一体化采集技术架构体 系，提出系统设计方法，应系统性的对能源计量一体化采 集系统主站、通信信道、智能终端、安全防护体系进行架 构设计，建立各子系统、设备、组件的逻辑架构和交互模 型，提出系统设计方法。实际建设过程中将涉及软硬件平 台设计方案选型的问题，需要提出系统设计指标体系和功 能要求，应结合业务需求分析和系统架构，结合可选用的 软件开发工具、硬件设计方案、通信选择方案

7、和安全防护 方案，提出系统设计指标体系和功能要求，完成电、水、 气、热能源计量管理系统团体标准制定。预期目标：1、完成电、水、气、热能源计量一体化采集系统业务 需求分析，建立能源计量一体化采集系统技术架构体系；2、确定可选用的软硬件平台设计方案，提出系统设计 指标、功能要求和商业运营模式；3、完成电、水、气、热能源计量管理系统团体标准制问题 2：支持多任务并发处理的能源计量一体化采集主 站技术方案研究问题描述：能源计量一体化采集主站抄读表计的数量将达到用电 信息采集系统的 4 倍，需要研究支持多任务并发处理的云 计算技术和分布式存储技术，应通过并发主站系统计算能 力、数据存储容量和数据访问效率

8、的精确计算，结合业务 应用需求分析，提出支持多任务并发处理的云计算和分布 式存储设计方法。表计数量增长将对主站系统架构带来冲 击，需要进行能源计量一体化采集系统主站系统技术方案 设计，应结合电、水、气、热能源计量一体化采集技术架 构体系，开展电、水、气、热能源计量一体化采集系统主 站通信层、存储层、计算层、应用层和接口层设计，提出 完整的主站系统设计技术方案。系统外部对数据的需求也 将增长，需要设计开发满足多业务跨平台的统一数据接 口，应研究支持多个能源供应商、多业务部门的共享数据 接口，建立统一的数据模型，支撑多种数据的高效、安 全、可靠共享。预期目标：1、提出支持多任务并发处理的云计算和分

9、布式存储设 计方法，提出完整的一体化采集系统主站设计技术方案；2、建立统一的数据共享接口，实现采集网络状态智能感知与故障自我修复；3、主站性能设计接入终端数大于 500 万台、计量点数 大于 8000 万个、数据查询响应时间小于 3s。问题 3：具有低功耗特性的能源计量数据传输技术研究 问题描述： 无线水、气、热表依靠电池供电，需要研究能源计量 一体化采集无线唤醒机制以最大限度降低功耗，应结合 电、水、气、热能源计量一体化采集业务需求，全面分析 计量一体化采集技术的薄弱环节，研究具有低功耗特性的 无线唤醒机制。无线水、气、热表通信模块协议与接口各 不相同，需要研究能源计量一体化采集互联互通方法

10、，应 开展能源计量一体化采集的通信协议与接口技术研究，提 出智能终端与通信模块之间的高速数据传输方法，实现系 统、设备、表计的互联互通，形成高速率高可靠的数据传 输方案。水、气、热表有线及无线通信方式互不兼容，需 要研究能源计量一体化采集的融合通信技术，应基于能源 计量一体化采集技术架构体系，全面分析采集系统通信信 道的物理拓扑及噪声环境，开展有线信道及无线信道建模 分析，提出可充分发挥多信道融合优势的异构网络架构及 技术方案。预期目标：1、建立多表合一采集技术无线唤醒机制；2、确定可选用的高速高可靠通信技术方案、接口通信技术方案；3、提出多信道融合的异构网络架构，有效支撑电、 水、气、热能源

11、计量管理业务需求。问题 4：支撑电、水、气、热等能源综合计量的智能终 端技术研究问题描述：电、水、气、热相关设备数据结构不同，计量设备安 装维护操作复杂，需要研究实现即插即用的计量设备通用 数据交互模型，应研究采集设备多种通信方式 “即插即用 ”实 现方法，提出基于多源异构方法的采集设备功能单元互操 作方法，建立支持即插即用的计量设备通用数据交互模 型。电、水、气、热表计有上千种类型，通信方式各不相 同，需要研究适应于电、水、气、热能源综合计量的设备 互操作性技术，应研究电、水、气、热表计类型，分析不 同表计的电气接口、通信协议的差异，建立适应支持多种 表计通信协议的协议库，提出互操作性设计方

12、法。电、 水、气、热表计同时接入同一个采集终端，对终端智能化 水平要求很高，需要试制开发适应于电、水、气、热能源 综合计量的一体化智能终端，应基于灵活、高效特征，研 制支持电、水、气、热一体化采集的智能终端，具备档案 自动同步、通信协议自适应、通信接口自动匹配、故障智能诊断等功能。预期目标：1、建立支持即插即用的计量设备通用数据交互模型， 建立适应支持多种表计通信协议的协议库；2、研制支持电、水、气、热一体化采集的智能终端， 支持采用不同通信方式、不同通信协议表计的自动匹配， 满足互操作性设计要求；3、终端档案自动同步时间小于 1min 。问题 5：能源计量一体化采集安全接入、预警及隐私保 护

13、关键技术研究问题描述：电、水、气、热能源计量信息涉及用户隐私和国家信 息安全问题，需要研究电、水、气、热能源计量一体化采 集系统信息安全防护体系架构，应根据国家及国网公司对 信息安全的新要求，分析电、水、气、热能源计量一体化 采集系统业务量和业务类型的增加情况下对信息安全的新 需求，提出电、水、气、热能源计量一体化采集系统的信 息安全防护需求设计要求，系统梳理电、水、气、热能源 计量一体化采集系统的业务流程，对采集系统主站、通信 信道、终端、电能表进行安全架构设计，建立采集系统主 站、终端、电能表之间的安全交互模型，提出系统安全架 构设计方法及电、水、气、热能源计量一体化采集系统安 全设计指标

14、体系和功能要求。采集终端数量已达到 1080 万 台，系统安全接入压力不断增大，需要研究基于国产密码 的适用于海量采集终端无线公网 /专网安全接入技术，应结 合电、水、气、热能源计量一体化采集系统的业务类型以 及终端接入高并发的特点，基于国产密码开展适用于海量 采集终端无线公网 /专网安全接入及隔离的算法及装置研 究，实现采集终端接入数据的安全认证和隔离。系统规模 庞大，外部恶意入侵风险增加，需要研究基于大数据分析 的海量采集终端无线公网 /专网接入数据的安全监测及预警 技术，应根据电、水、气、热能源计量一体化采集系统面 向对象协议，同时结合电、水、气、热能源计量一体化采 集系统的业务类型，基

15、于大数据分析方法对海量终端接入 数据进行木马、病毒、恶意代码监测，实现终端采集数据 的无害化接入及预警。水、气、热公司提出了数据安全隐 私问题，需要研究电、水、气、热能源计量一体化采集系 统水、气、热数据安全隐私保护技术，应根据水、气、热 公司对数据安全隐私防护的需求，系统梳理电、水、气、 热能源计量一体化采集系统的业务流程，分析水、气、热 等数据传输的协议格式，基于国密算法提出水、气、热等 数据数据安全隐私传输方案。预期目标：1、通过梳理电、水、气、热能源计量一体化采集系统的业务流程，评估系统不同环节对信息安全防护的需求， 形成电、水、气、热能源计量一体化采集系统的安全防护 方案；2、实现基

16、于国产密码的适用于海量采集终端无线公网/专网安全接入、隔离及数据无害化处理的监测及预警；3、形成水、气、热数据安全隐私传输技术方案，实现 电、水、气、热能源计量一体化安全采集。问题 6：支撑能源计量一体化采集技术体系的模拟试验 仿真平台设计开发问题描述：大量设备接入系统后将带来潜在的运行风险，需要研 究适应电、水、气、热能源计量一体化采集技术体系应用 的试验方法及评价指标，应结合电、水、气、热能源计量 一体化采集技术体系在架构、主站、通信、设备、安全层 面的应用特点，设计提出对系统及设备进行验证评价的方 法、指标。实验室检测环境与现场运行环境的差异将带来 系统运行风险，需要基于现场典型试验环境提出电、水、 气、热能源计量一体化采集模拟试验仿真平台设计方法， 应基于实验室和现场环境，提取试验评价关键要素和特 征，通过试验仿真技术，提出能够进行系统级、设备级、 软件级的试验平台设计方法。电、水、气、热表计智能化 程度差异较大，系统功能和性能具备较大的优化空间，需要研究开发电、水、气、热能源计量一体化采集功能及性能模拟试验仿真平台，应在完成电、水、气、热能源计量一体化采