电水气热“四表集抄”组网技术探索与能源互联网

电、水、气、热“四表集抄”组网技术

探索与能源互联网

威胜集团公司李鸿/山东电力行业张春晖

2016年8月10日

目前，电、水、气、热“四表集抄”系统建设分别属于不同行政管理体制。智能电表集抄系统（电力用户用电信息采集系统），由国网统一全面管理。水、气、热表计行业集抄系统，由地方政府行业主管部门进行业务归口管理。

2016年2月29日，国家发改委、国家能源局、工业和信息化部联合印发《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见（发改能源【2016】392号）》提出：“推动能源与信息通信基础设施深度融合”的要求，极大地推动国网“四表合一采集”工程进程，同时，带动水、气、热分行业集抄建设后发力提速。但是，极少看到有关电、水、气、热行业集抄系统组网的报道。

近期，区块链技术如何融入能源互联网营销环节成为热点。区块链的技术特征，与能源互联网的理念吻合，使区块链技术未来有潜力成为能源互联网重要的技术解决方案之一。从区块链技术在能源互联网应用的功能维度上讲，区块链在机制上能够实现可信任与自组织，不需要第三方机构的存在。在能源及排放的计量认证、能量及衍生产品的市场交易，多能源形式、多主体的组织协调、能源融资等方面将发挥重要作用。

根据国家三部委【2016】392号文，汇总网上“四表集抄”的争议与发展文稿，就目前不同行政管理体制、不同技术经济实力的情况，本文将叙述电、水、气、热“四表集抄”系统如何从表计抓起，经过现有系统现代化改造、联网，最终发展到能源互联网要求的高级“四表集抄”网络的过程及其关键技术。

1、“十二五”以来，电、水、气、热行业集抄系统建设都有进展，发展情况很不平衡。

1）国网：

·2010年，国网电力用户用电信息采集系统建设启动，经过6年的实施，到2016年末，将实现电网全域用户采集基本全覆盖，安装智能电表37758万只，总采集覆盖率95.5％。预期，2017年将建成国际上最大、单方向通信的用电信息采集系统。

·2015年8月，国网营销部下发《关于加快推进“四表合一采集”应用工作的通知》，发布《“四表合一采集”典型技术方案》。到2015年底，国网采集系统共接入水表9.3万只，气表0.9万只，热表1.1万只，涉及10.8万户。2016年，“四表合一采集”达到300万户。“十三五”末，“四表合一采集”将达到3000万户。

自国网智能电表集中招标以来，全国智能电表生产企业减少40％，现存约360家。2016年预计智能电表生产1.4亿只，出口占33％。

2）水、气、热行业集抄系统建设进程不一，缺乏有权威的高层部门垂直推进智能化进程。全国智能水、气、热表应用情况难以统计。

·水行业，全国自来水公司约3000多家，水表及配套生产企业300家。到2015年底，水表年产量9000万只，其中智能水表占10％。新一代集抄技术将是高级量测系统（AMI）和物联网（IOT）技术。

·气行业，全国燃气公司800家，传统燃气表生产企业100家，智能燃气表企业30家。到2015年底，传统燃气表年产量3500万只，智能燃气表1900万只，占燃气表总产量的35％。气体超声流量计主要依靠进口。

燃气智能化工程启程。近期，网上发布住房和城乡建设部行标《城镇智能燃气网工程技术规范（征求意见稿）》。

·热行业，热计量主要市场是北方15省采暖区。热计量系统采用分级计量，技术管理都比较复杂。其中，用户热计量方面，2013年，热量表安装1800万只，热计量面积14亿平方米；平均每只热表计量77平方米。2013年全国供热面积65亿平方米，采用热表计量只占21%。目前年新增供热面积3-4亿平方米，年需求热表400万只。

3）“四表集抄”发展的争议

·国网推进“四表合一采集”具有明显的技术先进与经济优势。“以城镇新建居民小区为重点，找准政府重视、企业积极和智慧城市建设等重点区域”，进行远程抄表，“继而开展代抄、代收，不断创新商业合作模式”。国网从技术、资金上保障工程按期完工。但是，国网“四表合一采集”将水、气、热行业最底层，先进的智能计量设备及通信技术都管控起来，增设跨行业数据交换一个环节，从水、气、热分行业集抄中划走了现代化采集，留下的是早期各行业集抄系统及诸多行业计量管理及技术难题。估计靠水、气、热行业现有的实力去解决，需要走漫长的路。

·水、气、热分行业集抄的整体管理水准差在哪里？

以上对“四表合一采集”，分行业集抄系统两类模式的简要分析与评估，可以明晰：“四表集抄”两类模式，暂时都难以否定，只能各自顺势发展。鉴于国网“四表合一采集”，与水、气、热分行业集抄发展的巨大反差，建议国网推进“四表合一采集”应用工作，需要调整策略，尽可能协助水、气、热行业全面、均衡推进其集抄系统现代化改造。走向大同，才能保障“四表合一采集”走得更好更远。

2、从能源表计的高品质/智能化抓起，适应现场环境下准确计量/现代化采集需求：

1）智能电表改用全功率算法进行设计

三相智能电表全功率设计，按非正弦波的有功功率、无功功率、畸变功率和视在功率计算。主要参照标准IEEE1459-2010，国际上参考产品：GE公司的KV2CTM三相电表，具有畸变功率因数计量功能。

单相智能电表全功率设计，按正弦波的有功功率、无功功率和视在功率计算。

智能电表为何要采用全功率设计？

·据大用户现场抽测数据，60%的大用户，三相电压谐波含有率在5%以内，不超标。但是三相电流谐波含有率严重超标，就是说大用户的畸变功率分量很大，畸变功率因数很低，由畸变功率引起线损分量增长。现有的三相电能表不能正确反映出谐波功率影响量，无法为制定抑制谐波功率的电价政策提供计量数据。

·单相智能电表采用全功率计算，可以考核有功功率与无功功率计算的正交性。现有单相智能电表，只要求计量有功电能，不能反映居民小区无功功率分布，无功功率对配变台区线损的影响。

智能电表采用全功率设计，可以保障计量数据可靠性。在某项计量数据因干扰丢失后，可以由表计进行数据自补算。

2）单相智能电表需要设计多个准确度等级，重新核定误差极限

现有国网《单相智能电表技术规范Q/GDW，1364-2013》规定，“单相智能电表准确度等级为有功2级。电能表误差极限±1.0%（0.1Ib≤I≤Imax，功率因数为1），出厂误差应控制在误差极限值的60%以内”。

国网拥有单相用户35900万户，单相智能电表准确度只有有功计量2级，不合适。

目前，城市居民每月最多用电量与农村居民最少用电量要差60-100倍。同时，防窃电需从单相智能电表1千瓦时抓起。本文建议：国产单相智能电表需设计0.2、0.5、1、2级4个准确度等级，分别用于月用电量500千瓦时及以上、200千瓦时及以上、100千瓦时及以上、100千瓦时以下4类单相用户。

同时，0.2-1级单相智能电表，需设计典型日负荷曲线记录，用于协助分析用户用电量异常情况。

单相智能电表的误差极限要求，需与表计准确度等级一致起来，比较合理。

3）国产智能电表的智能化特征尚待开发

参考产品：

·GE智能电表增加两大特征：

·双向通信功能，即电网不仅能从电表收集用电信息、更能将电网信息（如实时电价）及控制命令下达给电表，电表接收并作出“智能”响应。双向通信还包括与智能家电、其他表计的信息传递与控制命令。

·拥有基于标准的、开放的内置高级应用程序。只要接收到的信息符合预先设置的逻辑，就能自主作出判断和响应，无需等待主站再次发出指令。该程序可以实行远程修改“政策”，进行软件升级、维护。GE高级应用程序提供多种格式的交换数据信息，方便与上级软件平台集成，拥有更多智能功能。

4）重点研究国产智能电表如何走上高品质开发台阶

·共同的行业担当。从2005年起，国产电子式电表已经统领国内电表市场，预计2016年国内将销售智能电表9000万只左右，出口电表4700万只。但是，由于国产电表的计量性能特别是品质因素和国际认证的低要求，国产高端电表难以进入国际高端市场。由此，国产智能电表如何按高品质设计与销售，是电表行业创新发展的一项重点任务，更是电表企业、电网计量部门共同的行业担当。

·加快智能电表可靠性技术管理系统研究

2016年6月，《电网关口计量主表全性能研究》课题技术交流会议提出：目前，智能电表可靠性重点抓紧的研究项目：

抓紧国产智能电表、终端元器件失效率数据库的建设，要以SN29500标准为基线，将国产/进口元器件失效率分档次建库引用。

按实用、可信、促进表计品质升级的原则，开展智能电表可靠性预测与验证测试两类（国际、国内）方法比较或互补的研究，选定优化的智能电表预测典型方案。

进而开展智能电表有效寿命评估方法及验证测试技术研究，建立具有权威的智能电表可靠性测试机构。

开展智能电表计量特性稳定性试验研究

研究提出与实施中国电表企业电能表可靠性技术体系建设，目前包括：智能电表现场运行数据汇总，表计早期失效预防措施，产品可靠性设计（特别是降额设计、热设计、容差设计），产品的生产工艺、测试、包装、运输、安装等环节质量控制措施，表计可靠性加速试验，表计有效寿命评估及验证测试，表计计量特性稳定性试验及表计可靠性标准系列、可靠性信息化网络和表计制造全过程可靠性智能决策系统。

5）加快在线水、气表计智能化进程

将传统表计更新为智能表计，是推进现代化水、气行业集抄系统发展的基础，水、气行业需要加大资金投入。建议：“十三五”智能水表年产量由“十二五”为水表总产量的10%，扩大到40%。智能气表年产量由“十二五”的35%提高到70%。同时，要组织合作开发气体超声流量计，期望早日改变依靠进口的情况。

6）拓展热表户计量应用范围，建议：“十三五”热表计量供热面积，由“十二五”全国供热面积的30%扩大到60%，不断推进现代化热行业采集建设。

3、全面、均衡推进电、水、气、热行业集抄现代化改造

1）国网“四表合一采集”：建议推进网格化社区供水漏损计量管理，协助水司解除用户侧供水漏损之忧！

·网格社区供水漏损计量管理主要工作：

·协同水司在网格社区供水入口处，加装开关阀门，智能水表，记录供水量

·供水智能终端研发

·定时由供水智能终端采集网格社区入口处的供水量，与该网格社区内计费智能水表用水量之和进行比对，发现供水漏损指标超标，由供水智能终端及时向水司主站传送供水漏损超标信息、报警，进行现场处理。同时将供水漏损指标情况报送“四表合一采集”主站。

·按期由“四表合一采集”主站远程抄录社区入口处的总供水量，与该网格社区内计费智能水表之和进行比对，并将该周期网格社区总用水量、供水漏损指标情况传递给水司主站。

说明：供水智能终端，可以用作网格社区供气、供热智能终端研发参考。

借鉴兰吉尔公司“新型网格路由器”的设计思路，作为网格社区供水智能终端，需拥有基于标准、开放的内置高级应用程序。只要感知到网格社区供水漏损超标的信息，符合由“四表合一采集”主站预先设置的逻辑，无需等待其再次发出指令，就能自主实时作出判断和响应，向水司主站传递网格社区供水漏损超标的信息、报警，进行现场处理。同时将这些供水漏损情况报送“四表合一采集”主站。以上高级应用程序可以实时远程修改“政策”，进行软件升级维护，还提供多种格式的交换数据信息，方便与“四表合一采集”主站、水司主站的软件平台集成，拥有更多的智能功能。

·开发用户节水量统计功能。按期，由“四表合一采集”主站将用户节水量数据传送给水司主站，供全市节水量汇总与供水效率分析。

2）国网：2016年计量重点工作：研究新一代用电信息采集系统架构

为什么省级电网用电信息采集系统尚未全面建成，现在提出该系统需要重构？

究其原因，主要是目前的省级电网用电信息采集系统，存在早期系统设计缺失，本地通信技术瓶颈，不适应新提出的电网多专业应用系统功能，“四表合一采集”的需求。其中，本地通信技术瓶颈一时难以解决。

为此本文建议：

一是，新建"四表集抄"的居民小区，优先采用NB-LOT技术。

二是，解决用电信息采集系统本地窄带载波（低速）通信技术瓶颈，需采用低成本的100%运维方案，推荐应用由青岛东软公司、重庆电科院合作提出（重庆）江津龙门场二台区现场工作报告的经验。

三是，国网计量部门正在进行宽带电力线载波通信应用试点，解决窄带载波（低速）通信难题，本文作者建议:

如智能配电网建设需采用中低压宽带电力线载波技术，投资有保证，该方案可以。

采用宽带通信技术，既要实现短周期内自动抄表成功率100%，而且要从主站软件升级，改进集中器设计，大幅度提高抄表数量，该方案也可以。

采用宽带载波通信仅用于解决窄带通信抄不到表的问题，技术经济上都不合算，建议研究改用NB-LOT技术来解决。

3）协同推进城市水、气、热行业集抄系统现代化改造

鉴于目前全国水、气、热行业集抄系统建设协同机制尚未建立，主要按直辖市、省会城市、地（市）及县级3个层面组织开展水、气、热集抄系统现代化改造工程。主要工作：

·调查与评估城市水、气、热表集抄系统现状，包括：

国内水、气、热表/智能表计主要供应商，现有产品标准存在的问题，国际/国内新型表计应用前景。

水、气、热表采集技术，通信方式及技术瓶颈，主站规模及软件、硬件设计水准，应用层通信协议，集抄系统标准与检测机构。

水、气、热用量、收费结算方式及难点。

水、气、热行业生产运行在线监测的特殊要求与关键技术。

·组织水、气、热行业集抄系统标准化工作

参照国网智能电表及用电信息采集系统系列标准的制定工作经验，考虑目前城市水、气、热行业规模尚小，有些表计及终端制造的外形设计、尺寸、结构要求，表计信息交换安全认证机制，集抄系统技术方案设计导则，难以统一制定。目前，城市水、气、热行业重点需制定的集抄系统统一标准为6类14种：

·能源表计功能规范，技术规范，检测规范

·集抄系统功能规范，系统检验技术规范

·采集终端技术规范，检验技术规范

·通信单元技术规范，检验技术规范

·主站与采集终端通信协议，本地通信模块接口协议，远程通信模块接口协议。

·主站软件设计导则，终端应用软件设计导则

·在地方行业主管部门协调下，进行水、气、热行业集抄系统现代化改造的资金筹措、准备。

·组织研究破解集抄系统通信技术瓶颈，采用现代通信新技术

电、水、气热四表集抄应用低功耗广域网NB-LOT的思考与建议：

现有“四表集抄”应用微功率无线通信，主要有ZigBee、WiFi等，都是局域网范畴的物联网通信技术，受通信距离限制，有时通信效果较差。电池容量，使用寿命一直是个纠结。从多年应用情况来看，这些微功率无线通信技术应用于“四表集抄”，技术上有瓶颈。

近期，NB-LOT应用于水行业是个研究热点，国际上已经有应用试点。

NB-LOT是源于GSM技术的进一步演进和全新接入技术。

2016年6月16日，国际3GPPRAN全会批准NB-LOT标准核心协议。

2015年11月，中国通信标准化协会通过面向物联网的窄带蜂窝无线接入总体技术要求立项。标志国内NB-LOT标准化工作启动。

2016年6月初，中国通信标准化协会将NB-LOT系列行标（核心网，接入网，终端）工作立项。NB-LOT系列行标计划于2016年年底发布。

二是，按照NB-LOT的设计要求，适用于单相电表，水，气，热表的远程抄表，属于智能公共事业测量报告业务类型。

从网络部署上，NB-LOT可以基于letfdd或GSM升级，也可以新建，方便构建远程抄表系统。

三是，NB-LOT不适用于连接态的移动性管理场景，包括数据量大的三相电表，水，气，热行业生产在线监测数据的实时采集。

四是，电网计量部门需要对NB-LOT应用于水表远程抄表影响"四表合一采集"推进进行评估，适时调整策略与投入。

据网上报道:低功耗广域网"落地实施过程中会遇到大量与理论偏差问题"，如站址部署的困惑，流量并发冲突，下行链路功耗问题。

·在地方行业主管部门协调下，组织制定与实施城市水、气、热行业集抄系统现代化改造工程规划。

4、面向智慧城市/智慧能源新目标，包容“四表合一采集”与分行业集抄两类模式，实施“四表集抄”联网工程

“四表集抄”联网的基本任务，还是远程抄表，重点改变为面向智慧城市/智慧能源发展的需求，拓展网络功能：

·城市能源总量控制与规划

·能源生产运行在线监测与调节

·能量平衡与能耗在线监测，节能改造措施研究

·用户智能用能方案制定与节能统计、分析

1）“四表集抄”联网分层结构

一是，底层：四表（包括：用户能源计量表计，公共能源输入量计量表计，公共能源供应链节点及分支计量表计），经采集器与集中器进行本地通信；全载波表计直接与集中器进行本地通信。

二是，中间节点

·集中器

下行通信：与四表/采集器进行本地通信

上行通信：与行业主站进行远程通信

·大用户专变终端、用户智能交互终端直接与行业主站进行远程通信

·手持抄表终端，可以从表计/采集器/集中器直接介入现场抄收和检验。

三是，高层：能源行业主站

·下行通信：与集中器、大用户专变终端、手持抄表终端、用户智能交互终端进行远程通信

·上行通信：经互联网与城市公共能源网络管理平台进行通信。

四是，顶端：城市公共能源网络管理平台

·下行通信：经互联网与行业主站进行通信

·上行通信：经互联网与地方行业主管部门进行通信。

注：地方行业主管部门，另定义。

2）“四表集抄”联网顶层硬件架构

作为“四表集抄”的底层设计，包容现有“四表合一采集”，分行业集抄两类模式，原则上从行业主站向下，不作大的改动。

这里讨论联网顶层硬件架构，基本思路是基于“互联网+”和网关、路由器、防火墙和高级密码认证等通信技术，采用“4（X）+1+1（n）+2”连接方式，构建成多主站、多接口、与网络管理平台互联互通的联网方案，实现传统的远程抄表收费，重点扩展智慧城市/智慧能源基础设施需具备的功能。

联网方案说明：

·“4(x)”：表示4(x)个主站。在电、水、气、热能源行业中，同一城市的同一行业，可能有x个主站。这些行业主站通过网关、防火墙和高级密码认证接入互联网通信。

·“1”：表示网络需要建立1个城市公共能源网络管理平台，通过网关、防火墙和高级密码认证接入互联网通信。

·“1(n)”：表示1个地方行业主管部门可能有N个网站，通过路由器接入互联网通信。

·“2”：2个互联网，采用远程无线公网、双绞线以太网。为行业主站、城市公共能源网络管理平台、地方行业主管部门网站进行双向通信、选址提供通道。地方行业主管部门，包括地方政府、行业协调部门(能源办、经信委、节能办、住建管理部门、物价管理部门等)。

联网功能要求

·行业主站

用户远程抄表，包括国网“四表合一采集”主站为水、气、热行业主站提供有关行业计量数据。这些行业主站汇总城市各自的公共能源总用量数据

公共能源供应点(输入量)计量点的远程抄表，汇总城市各自的公共能源总供量数据

公共能源供应链节点及分支计量点的远程抄表，汇总计算出能量平衡度及能耗在线监测数据

通过在用户安装的智能交互终端，按期统计用户节能数据。

·网络管理平台索取/汇总行业主站计量数据，计算出城市公共能源分类的总用量、总供量、能量平衡度及总能耗、用户节能总量等。向地方行业主管部门提供城市公共能源总的信息，提出能源总量调节及能源管理改进建议。如地方行业主管部门对能源行业的计量数据提出质疑，由网络管理平台负责核实、改进与反馈。协调处理能源行业之间计量数据交互中出现的不同意见。·地方行业主管部门网站根据需要向网络管理平台索取城市公共能源分类总的信息；如有质疑，要求网络管理平台核实、反馈。3）联网软件体系架构设计，需要实现“四表集抄”联网的业务逻辑关系：

·业务功能模块化的软件技术：网络管理平台、行业主站、地方行业主管部门网站按照联网功能要求的分工，实现各自功能模块化及模块之间的通信功能。

·网络各部份接口及通信的软件技术：实现网络管理平台、行业主站、地方行业主管部门网站之间的通信接口及通信协议转换功能。

·行业主站原有软件系统改进与提升：需要实现扩展补充的功能：公共能源供应量（输入量）的远程抄表，公共能源供应链节点及分支计量点的远程抄表，汇总计算出公共能源总供量、能量平衡及能耗量；按期统计用户节能数据。

以上网络软件体系架构设计，尚需包括网络及各部分软件安全保密机制，软件测试技术。

前面已经叙述，国家三部委[2016]392号文提出能源互联网对信息通信基础设施（包括“四表集抄”）的新要求：

1）“发展能源互联网的智能终端高级量测系统及其配套设备，实现电能、热力、制冷等能源消费的实时计量，信息交互与主动控制。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。规范智能终端高级量测系统的组网结构与信息接口，实现和用户之间安全，可靠，快速的双向通信”。

解读与引用：

高级量测系统。清华大学《智能电网基础》：“高级量测体系（AMI）是为了完成用户侧和电网调度侧的双向互动的交流和控制。一般来说，AMI由（用户家庭网络）,智能电表和位于电力公司内部的量测数据管理系统以及连接它们的通信系统组成”。

在高级量测系统中，电、水、气、热表的作用有很大的改变：第一，地位改变，表计由原来在集抄系统的终端，改变为能源互联网与用户之间的中间节点地位，增加支持双向互动功能。第二，由单向通信改变为双向通信。第三，电表需要双向计量。水、气表大都只需一个方向计量。热表计量方向，待考证。

智能终端，其智能特征是自主决策响应。主要配置：采用双向，高速远程通信模块，大容量内存，高级应用程序，软件远程升级，提供多种格式的交换数据信息，适应更多功能的扩展需求。

·鉴于智能终端高级量测系统及其配套设备，涉及能源智能终端，能源智能表计及传感器、高级互动功能、双向快速通信等诸多领域，作为起步项目，建议先期进行能源互联网的高级“四表集抄”网络技术开发，应用试点，为智能终端高级量测系技术全面研究积累经验。

2）“优化能源网络中传感，信息，通信，控制等元件的布局，与能源网络中各种设施实现高效配置”。

“推进电力光纤到户工程，完善能源互联网信息通信系统”。

在能源互联网中，主动控制是重点功能。建议研究高级“四表集抄”网络输出控制信息技术。

3）“加强能源通信系统的安全基础设施建设，根据信息安全程度，通信方式和服务对象的不同，科学配置安全策略。依托先进密码，身份认证，加密通信等技术，建立能源互联网下的用户、数据、设备和网络之间信息传递、保存、分发的信息安全保障体系"。

高级“四表集抄”网络需要建设信息安全保障系统，全面引入先进密码，身份认证，加密通信技术。需要完善国网“四表合一采集”系统中，水、气、热行业的计量数据的对等保密措施。

归结起来，能源互联网对高级“四表集抄”网络建设提出的要求：主要是表计由集抄系统终端改变为中间节点地位，支持双向互动功能。通信，改成双向通信方式。研究集抄系统输出能源互联网控制信息技术和建设信息安全保障体系。

鉴于目前能源互联网发展的实施方案，正在研究制定，国网用电信息采集系统覆盖率尚未达到100%，高级双向互动功能何时实施尚不明朗，水、气、热行业集抄水准更要差一点，因此高级“四表集抄”网络建设还是较远的目标，将随能源互联网发展而推进。