摘要：该文描述了一种城区居民用户家庭能耗采集系统设计方案，该方案基于多模柔性融合的通讯技术，可以实现居民家庭电、水、气、热四类表计数据采集；采集速度极大提高，并具有安全、可靠、低成本、集成度高、易推广等特点，同时结合家庭能耗系统管理云平台，通过大数据分析和对比，实现家庭能耗的实时监控和能效诊断，用户可实时查询能耗数据，接收电网推送的实时电价、激励措施、节能信息及节能方案等信息，为家庭用户需求侧响应提供数据和系统支撑。
关键词：居民能耗采集；需求侧响应；四表集抄
当前，我国能源资源约束日益加剧，生态环境问题突出，为此，国家制定了以开源、节流、减排为重点，坚持“节约、清洁、安全”的战略方针，确保能源安全供应的能源保障政策。目前，我国实现的能源管理对象主要针对工商业用户，而针对居民用户，由于具有数量大、分布广、总体占比低，调节空调间小，成本高等特点，当前只实现了一日一个计量数据的采集，主要用于居民能耗计费，无法实现居民能耗数据的实时监控。为实现居民用户节能减排目标，需要实施居民用户需求侧响应。
为实现居民用户需求侧响应，首先需要实时监控居民用户用能信息，并及时上报管理云平台。该设计基于现有的居民用能计量及采集系统框架，设计了一款居民用能数据集中器，结合多模融合的通讯技术，实现居民能耗数据的实时采集，并上报居民能耗管理云平台。通过居民用能数据的在线实时采集和分析，并结合基于价格和基于激励的市场管理手段，实现居民能耗需求侧响应。该设计可以实现居民用户能耗数据高频采集，同时具备可靠性高，成本低，施工便利等特点，具有较强的推广性。
1居民用户家庭能耗采集系统框架设计
居民用户家庭能耗采集系统主要包括：家庭能耗计量终端，数据集中器，系统云平台，其中，能耗计量终端主要包括有：电表、水表、气表、冷热表等计量仪表，现有的计量仪表即能满足要求，数据集中器采集计量仪表的数据，并整理上报给系统云平台，系统云平台整理分析集中器上报数据，将各类分相能耗数据发送服务器，并将能耗信息、用电价格、激励等信息推送到响应用户APP，方便需求侧及时响应。
目前，居民家庭能耗主要包括电、水、气、热，一般采用4种表计计量，由于各表计通讯链路、协议等各不相同，数据集中器需要针对不同表计使用相应的通讯链路和通讯方式。数据集中器采集到电、水、气、热等表计数据之后，通过光纤、网络、4G等高速通讯通道，将数据整理后上报到系统服务云平台，系统云平台搜集数据，并进行大数据分析，将数据发送到公共数据服务器上供客户浏览，也可通过APP向客户推送能耗信息及节能建议。由于居民家庭用户表计众多，为实现电、水、气、热等表计的数据采集，该文就集中器的设计框架，各类表计的典型通讯方式及通讯效率、可靠性、可行性做一下描述。
2居民家庭能耗数据集中器设计
家庭能耗数据集中器主要有一下几项功能：向下采集电、水、气、热，按照协议整理、保存数据，向上系统服务平台上报数据，为实现以上功能，就硬件和软件设计方法进行描述。
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2.1数据集中器硬件设计方案
为保证数据采集及处理速度，同时考虑到终端多种通讯链路采集、多协议库兼容，系统服务平台通讯交互等需求，数据集中器选用现在流行的ARM9内核的CPU，并结合相关的外设（网络、光钎、红外、4G、m-Bus、485，微功率无线，zigbee等），实现数据的采集和上报。
2.2数据集中器软件设计
终端软件设计主要以系统数据库为基础进行数据的交换，系统数据库包括实时运行数据库和任务数据库，实时数据库中包括了运行参数，当前数据，控制参数，扩展参数等，保存在内存中，任务数据库包括终端抄读电表的历史曲线数据，保存在外部固态Flash上，并按照软件算法，终端一次读取100条记录到内存中，满足抄读历史曲线数据抄读的需求，终端其他线程需要终端当前数据或状态时，直接读取数据库相应的数据项，终端其他线程运行产生新的数据项时，及时保存到终端数据库中。
3居民家庭电能采集通讯设计
居民能耗主要为电能，节能减排的主要目标即为降低家庭电能消耗，为实现该目标，需要分钟级采集电表数据，并上报系统平台，从而分析用户用电行为，制定运行的节能降耗方案，通过APP发送用户，配合用户实现节能降耗目标。
目前城区用户居民电能表计都统一安装在电表箱内，而数据集中器可安装在居民户内，用于采集各类能耗数据，按照目前的抄表方式，可以选择电力线宽带载波抄表实现电表的快速采集。宽带载波具有2M~30M高速通讯速率，无需单独拉线，施工十分便利，适合家庭电能数据的采集；由于宽带载波使用2M~30M通讯频点，为防止通讯抄表时，电力线载波信号相互干扰，需要在不同电表之间进行信号隔离。
4居民家庭水、气、热采集通讯设计
由于家庭水、气、热计量仪表大部分采用机械式计量，通讯使用电池供电，考虑电池寿命，集中器对该类数据的处理使用不同的策略。为简化通讯架构，集中器采集使用分层的方式采集，即在数据集中器和表计之间增加一个信号转换的采集器设备，数据集中器抄读表计数据时，信号采集器将抄表数据帧转发到无线、M-Bus、zigbee等通讯通道上，计量表计抄读数据后，将数据通过采集器发送到数据集中器上。
5实验结果
按照如上要求开发相关的数据集中器和采集终端软硬件，在北京、江苏、合肥等多个地方建设的试点工程，并接入大量电、水、气、热计量表计，通过数据集中器将接入到各类计量设备，集中器每个周期自动采集电、水、气、热数据，其中电表数据实现分钟级采集，水、气、热数据实现小时级数据采集，集中器将数据分析、整理、上报给系统平台处理。
试验结果表明，为居民能耗数据采集使用的能耗采集系统框架，基于ARM9硬件平台的数据集中器，采集器设备，结合已有的电、水、气、热表计，能实现居民家庭能耗数据的高速、可靠采集，结合系统平台，能实现居民用户能耗数据实时采集和在线分析，同时，通讯系统架构最大程度兼容已有表计设备，系统成本较低，施工难度低，系统高效、灵活，可靠，具有广泛的应用价值。
参考文献：
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[2]杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京：清华大学出版社，2003.
[3]国家电网公司.电力用户用电信息采集系统通讯协议，2013.03.21[Z].
论文作者:淳青
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/14
标签：集中器论文; 数据论文; 居民论文; 通讯论文; 用户论文; 终端论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第18期论文;