电力百科：用电信息采集系统

用电信息采集系统可以实现抄表及电费结算的智能化，提高电网营销科技水平，并能指导社会科学合理用电，为智能用电服务提供有力的技术支持。本节主要介绍用电信息采集的基本概念、系统架构和关键技术。

一、基本概念

用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理等功能。用电信息采集系统是智能用电管理、服务的技术支持系统，为管理信息系统提供及时、完整、准确的基础用电数据。

用电信息采集系统面向电力用户、电网关口等，实现购电、供电、售电3个环节信息的实时采集、统计和分析，达到购、供、售电环节实时监控的目的。用电信息采集系统为电网企业层面的信息共享，逐步建立适应市场变化、快速反应用户需求的营销机制和体制，提供必要的基础装备和技术手段。

用电信息采集系统与高级量测体系之间的关系：

(1)在信息采集方面两者有相似性。在实现双向计量的基础上，用电信息采集系统实现计量点电能、电流、电压、功率因数、负荷曲线等电气参量信息的采集;高级量测体系支持更大范围内的电气及非电气参量信息采集，如用户侧供用电设备运行状态、分布式电源运行信息、有序充电监控信息、小区/楼宇各种用能信息等。

(2)支撑的业务有较大差异。用电信息采集系统完成用户电能表的信息采集、电力负荷管理。在此基础上，高级量测体系还广泛应用智能传感器，支持用户侧供用电设备运行信息采集与监控、分布式能源控制、电动汽车有序充电、小区/楼宇智能能效管理、自助用电服务等。

(3)实现控制的方式和范围有较大差异。用电信息采集系统涉及预付费控制和直接负荷控制，预付费控制、直接负荷控制方式具有强制性;高级量测体系在需求响应技术支持下，为用户提供参与电网调峰的技术手段，实现柔性负荷控制，更具人性化。用电信息采集系统可以实现电力负荷控制;高级量测体系不仅可以实现电力负荷控制，还支持用户侧智能电器控制、供用电设备监控。

(4)从用电信息采集的典型业务角度看，采用窄带通信技术能满足需求;高级量测体系是国际范围内的一项整体性系统技术，一般需宽带通信技术支持。

(5)从业务层面看，用电信息采集系统是一套支撑性技术系统;高级量测体系采用开放的架构、统一的数据模型，支持实现更大范围的信息资源整合，便于构建统一的信息平台。

二、系统架构

用电信息采集系统的采集对象包括专线用户、各类大中小型专用变压器用户、各类380/220V供电的工商业用户和居民用户、公用配电变压器考核计量点。用电信息采集系统的统一采集平台功能设计，支持多种通信信道和终端类型，可用来采集其他的计量点，如小水电、小火电上网关口、统调关口、变电站的各类计量点。

全面采集大型专用变压器用户、中小型专用变压器用户、三相一般工商业用户、单相一般工商业用户、居民用户和公用配电变压器考核计量点6类用户，以及分布式能源接入、充放电与储能装置接入计量点的电能信息等数据，构建完善的用电信息数据平台，是智能电网用电环节的重要基础和用户用电信息的重要来源。

系统主要功能包括数据采集、数据管理、终端管理、档案管理、控制、自动抄表管理、费控管理、有序用电管理、用电统计分析、异常用电分析、电能质量分析、线/变损分析、运行维护管理、权限和密码管理、安全防护等，为智能用电双向互动服务提供数据支持。

系统逻辑架构主要从逻辑的角度对用电信息采集系统从主站、信道、终端、采集点等几个层面进行逻辑分类，为各层次的设计提供理论基础。用电信息采集系统逻辑架构如图1所示。

用电信息采集系统在逻辑上分为主站层、通信信道层、采集设备层3个层次。用电信息采集系统集成在营销应用系统中，数据交换由营销应用系统统一与其他应用系统进行接口。营销应用系统指营销管理业务应用系统，除此之外的系统称之为其他应用系统。

(1)主站层分为营销采集业务应用、前置采集平台、数据库管理3部分。业务应用实现系统的各种应用业务逻辑。前置采集平台负责采集终端的用电信息、协议解析，并负责对终端单元发操作指令。数据库负责信息存储和处理。

(2)通信信道层是连接主站和采集设备的纽带，提供可用的有线和无线的通信信道。主要采用的通信信道有光纤专网、GPRS/CDMA无线公网、230MHz无线专网。

图1 用电信息采集系统逻辑架构

(3)采集设备层是用电信息采集系统的信息底层，负责收集和提供整个系统的原始用电信息。该层可分为终端子层和计量设备子层。对于低压集抄部分，包括集中器+电能表和集中器+采集器+电能表等多种形式。终端子层收集用户计量设备的信息，处理和冻结有关数据，并实现与上层主站的交互;计量设备子层实现电能计量和数据输出等功能。

系统物理架构是指用电信息采集系统实际的网络拓扑构成，其物理架构如图2所示。用电信息采集系统从物理上可根据部署位置分为主站、通信信道、现场终端3部分，其中系统主站部分单独组网，与其他应用系统以及公网信道采用安全防护设备进行安全隔离，保证系统的信息安全。

图2 用电信息采集系统物理架构

(1)主站网络的物理结构主要由营销系统服务器(包括数据库服务器、磁盘阵列、应用服务器)、前置采集服务器(包括前置服务器、工作站、GPS时钟、安全防护设备)以及相关的网络设备组成。

(2)通信信道是指系统主站与终端之间的远程通信信道，主要包括光纤信道、GPRS/CDMA无线公网信道、230MHz无线专网信道等。

(3)现场终端是指安装在采集现场的终端设备，主要包括专用变压器终端、集中器、采集器等。

三、关键技术

用电信息采集关键技术包括智能电能表、采集终端、主站软件、安全加密以及本地及远程通信技术。因前述章节已经介绍通信技术，在此不再叙述。

(一)智能电能表技术

(1)智能电能表是电能智能计量设备，由计量与数据处理、存储单元、通信单元及接口单元组成，具有方便美观的操作、显示与交互界面。

传统电网只是单向为用户提供电能。而智能电网与电力用户可能会有双向功率流动，用户可以通过电网选择并买卖电能。智能电能表更主要的目的是为用户提供用电使用信息，从而使用户调整自己的用电行为，减少能源消耗。

智能电能表能实现连续的带有时标的多种间隔用电计量，提升传统电能表单一电能计量功能，它实际上是分布于智能电网上的测量点和智能传感器。

485或红外接口等。-(2)目前广为应用的电子式电能表可以称为第二代电能表。它满足基本的电能计量功能，具有分时和复费率计量功能，可以选配预付费和负荷控制功能，硬件上采用大规模集成电路、LCD或机械计度器、RS

485接口、载波PLC为基本接口配置，可以选配以太网、微功率无线通信方式。-(3)在第二代电能表的基础上，为满足电力用户用电信息采集系统建设的需要，近几年国内已开发出第三代电能表。第三代电能表集成了电能多功能计量、自动采集、预付费、阶梯电价等多方面功能，因此在硬件平台的选择和产品设计上更加注重运行速度、存储空间、功耗等因素;除了以上功能的扩展，在通信接口和性能方面有较大提升，即除原有的RS

但第三代电能表技术距智能电网建设要求还存在很大的差距，主要体现在电表网络及通信协议功能简单、嵌入式通信技术不成熟、安全防护性能差、微处理器基本上依赖国外核心技术进行设计等多个方面，难以满足双向互动、分布式电源接入、需求响应等智能用电需求。现有的电能表主要记录用户所消耗的电能，不能够实时接收电网实时电价等信息，尚无节电管理等功能。

除了基本功能外，智能电能表还需具备以下功能：① 有功电能和无功电能双向计量，支持分布式能源用户的接入。② 具备阶梯电价、预付费及远程通断电功能，支持智能需求侧管理。③ 可以实时监测电网运行状态、电能质量和环境参量，支持智能用电用能服务。④ 具备异常用电状况在线监测、诊断、报警及智能化处理功能，满足计量装置故障处理和在线监测。⑤ 配备专用安全加密模块，保障电能表信息安全储存、运算和传输。

(二)采集终端设备技术

(1)用电信息采集终端，用于非居民用户及居民用户用电信息采集，并对用电异常信息进行管理和监控。用电信息采集终端一般包括专用变压器采集终端、集中器和采集器，以及用于通信的专用通信模块等。

专用变压器采集终端是对专用变压器用户用电信息进行采集的设备，可以实现电能表数据的采集、电能计量设备工况和供电电能质量监测，以及用户用电负荷和电能量的监控，并对采集数据进行管理和双向传输。专用变压器采集终端不仅用于采集、监测、计算与传输电能表的各种数据，还可以根据设定的参数进行负荷控制，以及进行遥控和告警提示。此类终端主要应用于大中小型专用变压器用户。

抄表终端通常包含集中器和采集器两部分，用于低压非居民用户、居民用户用电信息采集，并对用电异常信息进行管理和监控。

485等。-专用通信模块按照功能划分，可以分为上行通信模块和下行通信模块。上行通信模块目前常用的通信技术为230MHz无线专网、GPRS/CDMA无线公网、光纤、以太网等，下行通信模块常用PLC、微功率短距离无线(RF)、RS

(2)在用电信息采集系统建设完成后，将向高级量测体系(AMI)发展。AMI 采用双向通信网络，读取智能电能表，并能把表计信息包括故障报警和装置干扰报警近于实时地从电能表传到数据中心。AMI采用开放性架构和统一的技术标准，因而能实现网络化的无缝通信。

从AMI的组成看，局域网连接电能表和数据集中器，而数据集中器则通过广域网和主站相连。数据集中器是局域网和广域网的交汇点。对于电力光纤到户的用电信息采集，亦可直接从采集主站抄读数据，下发参数或指令。

(三)安全加密技术

根据对称密码算法和非对称密码算法的特点，在终端中采用了对称密码算法和非对称密码算法相结合的混合密码算法。

对称密码算法的加密和解密均采用同一密钥，并且通信双方都必须获得并保存该密钥，较典型的有DES (Data Encryption Standard)、 AES(Advanced Encryption Standard)、国密SM1算法等。其特点是数据加密速度较快，适用于加密大量数据的场合。

非对称密码算法采用的加密密钥(公钥)和解密密钥(私钥)不同，密钥(公钥和私钥)成对产生，使用时公开加密密钥，保密解密密钥，较典型的有RSA、国密ECC算法等。其特点是算法比较复杂，安全性较高，抗攻击能力强，加解密速度慢等。

专用变压器采集终端和集中器中采用国家密码管理局认可的硬件安全模块实现数据的加解密。专用变压器终端和集中器采用的硬件安全模块应同时集成有国家密码管理局认可的对称密码算法和非对称密码算法。

智能电能表中采用国家认可的硬件安全模块以实现数据的加解密。智能电能表采用的硬件安全模块内部集成有国家密码管理局认可的对称密码算法。

安全模块是含有操作系统和加解密逻辑单元的集成电路，可以实现安全存储、数据加解密、双向身份认证、存取权限控制、线路加密传输等安全控制功能。

(四)主站软件技术

(1)用电信息采集主站系统是包括软、硬件设备的电力自动化准实时系统，包含用电信息采集业务的管理，管理着整个电能信息采集系统的数据传输、数据处理和数据应用以及系统的运行和安全，并统一管理与其他系统的数据集成和交换。

用电信息采集主站软件实现对电力用户用电信息的采集和管理，并与营销业务管理系统互联互通，支撑智能用电服务的基础信息业务应用平台。

现有的用电信息采集系统整合电网关口电能采集、电力负荷管理、公用配电变压器信息采集、低压集中抄表等相关功能，通过企业信息总线技术将采集到的数据全部整合纳入统一平台。

在系统功能方面，主站软件主要为了满足电费结算和电量分析、线损统计分析和异常处理、电能计量装置监测、反窃电分析、负荷预测分析及供电质量管理需求，不能实现双向互动等智能电网高级应用功能。

(2)采集主站系统软件研究的内容主要包括三层/多层架构等系统设计，多信道、多规约支持技术，大数据量处理技术，应用集成与接口适配技术，双向互动技术。按照目前主流技术需求和管理业务的要求，采集主站应采用三层架构体系，与采集主站关系最为密切的营销业务管理应用系统目前基本采用J2EE体系。

建设统一的数据采集主站平台是必然的选择，因此，支持目前已存在的各种终端设备和多种规约是必须解决的问题。支持多通信信道类型和多种通信规约，需要研究设计出统一的采集接口模型和通信接口模型。

采集范围达到“全采集、全覆盖”目标，采集对象和采集的数据较目前应用将呈几何级数的增长，能够及时、稳定、快速处理数据，这些都对采集系统提出了更高的要求。因此，除了采用负载均衡技术外，在整个系统架构设计，特别是采集服务器设计时，要对提高采集处理效率的技术措施进行深入研究和优化。

实现横向集成、纵向贯通的应用集成功能不仅对架构模型提出新的要求，同时由于建设先后和技术适应性的要求不同，在同样采用三层架构技术设计的系统中，采用的技术体系和标准也不尽相同，因此，需要研发高效的中间件技术。

(3)随着智能电网研究的深入和发展，用电信息采集主站软件关键技术研究在技术策略上将考虑以下内容：

1)高效采集监控。采用一体化通信平台技术，屏蔽通信方式和通信协议的差异，集中管理各类通信信道和终端，满足继承和发展的要求。采用单节点并发控制及存储技术，有效解决大规模终端并发采集与实时存储瓶颈，在有限时间内完成对全部终端的数据采集和存储。

2)标准化数据管理。按照数据模型设计要求，建立统一的数据模型，并实现与营销档案的日同步更新和基于XML的标准化数据传递，从而保证信息的一致性。运用数据加速器、智能甄别处理模型、模型适配器等技术提升数据综合管理的能力，采用数据归档管理、备份恢复管理机制保障数据的安全。

3)数据可视化展示。采用仪表盘、饼图、曲线图、雷达图、柱形图等多种统计图形进行可视化展示。采用电网线路图、系统模拟监控图等仿真图形进行实时的可视化监控。采用地理信息技术对运行检修业务、数据密度分布、用户采集点等进行可视化展示和操作。

4)多维度信息挖掘。采用多维提取分析技术，从时间、区域、用户等多维度视角对线损、电量、负荷、运行质量等进行分主题统计和分层次数据挖掘。

5)双向互动应用。为智能用电服务互动平台提供用户用电采集信息，支持与电力用户进行电力流、信息流、业务流的友好互动，满足智能用电服务的需要。