一种用于电、水、气、热能源计量一体化的采集方法与系统与流程

本发明属于智能用电技术领域，具体涉及一种用于电、水、气、热能源计量一体化采集方案。

背景技术：

随着“多表合一”采集需求的提出，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，其它设备的信息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的研究。因而探索一种用于电、水、气、热能源计量一体化采集方案对实现“四表”数据抄读、分析、应用，实现资源统筹协调具有重要意义。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种用于电、水、气、热能源计量一体化采集方法与系统，该方案主要针对采集设备层的水、热，气三表内置微功率无线通信模块，互动网关通过宽带载波通信或微功率无线通信方式实现水、气、热三表数据的数据抄收，再通过用电信息采集远程通信通道上传到主站系统，从而实现电、水、气、热四表数据采集与用户之间的双向互动。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种用于电、水、气、热能源计量一体化采集方法，其特征在于，

智能电能表通过微功率采集模块将水表、气表、热表三表数据采集指令下发到各用户互动网关，各用户互动网关响应三表数据采集指令，将本组网内的水表、气表、热表采集的数据通过智能电能表的微功率无线通信模块发送给集中器；

集中器再将水表、电表、气表、热表的数据上传到主站层。

所述集中器通过通信通道与主站层交互。

所述通信通道采用光纤信道、gprs/cdma公用网络信道或230mhz无线电力专用信道。

水表、气表、热表、电表的数据通过wifi单元与用户移动互联设备进行数据交互。

微功率采集模块按设定周期自动唤醒。

微功率采集模块采用设定的专用信道进行通信。

gprs/cdma公用网络信道链路建立步骤为：

根据apn和sim号注册登录gprs/cdma网络；

根据sim号获取gprs/cdma网络分配的静态ip地址；

gprs/cdma网关网络用户根据apn/vpn两端网关建立的从终端到gprs/cdma接入设备的ip路由，gprs/cdma接入设备和通信平台之间设置ip路由，通信平台对终端私网地址设置地址翻译，确立终端到主站之间的有效ip路由；

终端向主站层中的采集服务器发送链接请求，所述采集服务器响应，建立终端到采集服务器之间的ip链路，以此为上层数据交互协议的物理链路。

水表、气表和热表通过内置微功率采集模块或内置宽带载波采集模块将采集的模拟量数据转化为数字量数据。

一种用于电、水、气、热能源计量一体化采集方法，其特征在于，

主站层获得上传的抄表数据，由前置服务器集群将获取到的抄表数据进行解析，上送数据库服务器；

数据库服务器按照预设的数据模型对数据进行电、水、气和热的分类存储。

数据库服务器将数据对应同步到营销应用系统的基础数据平台；

营销应用系统将数据对应的表计示数与存储的对应的用户的档案数据进行同步。

营销应用系统通过接口服务器提供给第三方调用的服务端口。

主站层通过通信通道获得上传的抄表数据。

所述通信通道采用光纤信道、gprs/cdma公用网络信道或230mhz无线电力专用信道。

一种用于电、水、气、热能源计量一体化采集系统，其特征在于，包括：

内置双模采集模块的智能电能表：对水表、气表、热表、电表的数据集抄通道进行组网；

集中器：通过微功率采集模块将水表、气表、热表三表数据采集指令下发到各用户互动网关；通过微功率无线通信方式采集智能电能表的信息数据，接收智能电能表的微功率无线通信模块发送的水表、气表、热表采集的数据并上传；

用户互动网关：响应集中器的三表数据采集指令，对水表、气表、热表和电表的数据进行采集和本地存储。

一种用于电、水、气、热能源计量一体化采集系统，其特征在于，包括：

前置服务器集群：将通信通道上传的抄表数据进行解析，上送数据库服务器；

数据库服务器：按照预设的数据模型对数据进行电、水、气和热的分类存储，并将数据对应同步到营销应用系统的基础数据平台；

营销应用系统：将数据对应的表计示数与存储的对应的用户的档案数据进行同步。

本发明提供了一种用于电、水、气、热能源计量一体化采集方案，采集系统分为主站层、通信信道层和采集设备层。其中，主站层由工作站、营销应用系统、其他应用系统、数据库服务器、接口服务器、防火墙设备等相关的网络设备等构成；通信信道层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公用网络信道、230mhz无线电力专用信道等；采集设备层是指安装在现场的终端及计量设备，主要包括内置微功率采集模块和宽带载波采集模块的水、气、热三表、用户互动网关、集中器、内置双模采集模块智能电能表、载波/微功率双模模块等。

优选的，所述的主站部分建议单独组网，与营销应用系统和其它应用系统以及公网信道采用防火墙进行安全隔离，保证系统的信息安全。

优选的，所述的通信信道的功能是，通过远程通信，系统主站与用户侧的采集终端设备间建立联系，下达指令和参数信息，收集用户用电信息。

优选的，所述的光纤信道提供了不受限的接入容量和高速的数传速率，且不存在“第三方”的安全隐患。

优选的，所述的gprs/cdma公用网络主要是指中国移动公司提供的gprs和中国电信公司提供的cdma网络技术服务。

优选的，所述的230mhz无线电力专用信道可用于大型专变用户的信息采集和监控。

优选的，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，该层包括采集终端和能源计量设备，实现与主站的交互以及计量设备实现用电计量等功能。

优选的，所述内置微功率采集模块水、气、热三表可实现模拟量转化为数字量。其内置的微功率采集模块可按设定周期采集响应表计的数据信息并进行存储，并可响应家庭互动网关的数据交互指令。

优选的，所述内置宽带载波采集模块水、气、热三表可实现模拟量转化为数字量，通过m-bus或者rs485总线转电力载波ii型采集终端，实现有线向载波通信方式的转换。其内置的宽带载波采集模块可按设定周期采集响应表计的数据信息并进行存储，并可响应家庭互动网关的数据交互指令。

优选的，所述互动网关作为家庭网络互联和数据收集的核心设备，通过宽带载波通信方式和微功率无线通信方式实现对水、气、热、电表额数据采集和本地存储，同时可以通过wifi单元与家庭移动互联设备进行数据交互。

优选的，所述集中器可以通过微功率无线通信方式采集智能电能表的信息数据，并且可以通过智能电能表的微功率模块将水、气、热三表数据采集指令下发到家庭智能网关，同时也可接收来自家庭智能网关通过智能电能表的微功率无线模块发送的水、气、热三表对应的数据。集中器也可以将水、电、气、热四表的数据通过移动公网通道（gprs或cdma）上传到用电信息采集系统。

优选的，所述内置双模采集模块智能电能表可以相应集中器的采集电表的指令，又可以把集中器抄收水、气、热三表的指令透明发给家庭互动网关。

优选的，所述载波/微功率双模模块具有同时进行载波通信和微功率无线通信的双模通信功能。

本发明提出的一体化采集方案，得到的有益效果是：

1.采集器与集中器中使用宽带载波，同时抄收多表数据，传输速度快，减少抄收时间，保证数据的实时性。

2.载波/微功率双模采集器具有宽带载波与微功率双通信通道，在不改变现有用电信息采集系统结构前提下，实现四表抄收。同时双模采集器具有外置天线，保证微功率无线通信信号质量，提升采集成功率。

3.双模采集器直接与水、热、气表进行通信缩短了通信节点层级，提高采集效率；将水热气表与电能表分开传输，增加采集可靠性。

4.该方案对现有采集系统改造规模最小，与更换电能表模块相比，工程量小，节省工程施工成本与物料成本。

附图说明

图1是本发明电、水、气、热能源计量一体化采集系统架构图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

1.图1是本发明互电、水、气、热能源计量一体化采集系统架构图，所设计的采集系统分为主站层、通信信道层和采集设备层（即终端层）。采集设备层包括采集终端和能源计量设备。采集终端通过远程数据通信，上传采集数据等配电台区的用户所用能源信息给系统主站，并接受主站的管理指令，完成对用户计量设备的集中管理。

其中，主站层由工作站、营销应用系统、其他应用系统、前置服务器集群、数据库服务器、接口服务器、防火墙设备等相关的网络设备构成。营销应用系统是指现有的“sg186”营销管理业务应用系统，除此之外的系统称之为其它应用系统。前置服务器集群负责协议解析，数据库服务器负责处理并存储终端的用电信息。接口服务器是提供给第三方调用的服务，防止数据库服务器直接互联造成的数据外泄风险，并且减少数据库服务器的负担，保障数据的安全。

通信信道层是指系统主站与现场的采集终端之间的远程通信信道，主要包括光纤信道、gprs/cdma公用网络信道、230mhz无线电力专用信道等；

采集设备层是指安装在现场的终端及计量设备，主要包括内置微功率采集模块和宽带载波采集模块的水、气、热三表、互动网关、集中器、采集器、内置双模采集模块的智能电能表、载波/微功率双模模块等。互动网关可实现对水、气、热、电表的数据采集和本地存储，同时可以通过wifi单元与家庭移动互联设备（手机、ipad等）进行数据交互。采集器应用于集中抄表系统，完成数据信号的转换，从而实现对m-bus/rs485型表计（水、热、电）的集中抄表。宽带载波采集模块实现对底层四表的采集数据传输。微功率采集模块实现集成后数据采集传输。集中器是指收集各采集终端或电能表的数据，并进行处理储存，同时能和主站或手持设备进行数据交换的终端设备。内置双模采集模块的智能电能表可实现四表（水、气、热三种表和智能电能表）集抄通道的组网。载波/微功率双模模块同时具有载波通信与微功率无线通信双模通信功能。

2.本发明中主站层的工作流程为：

采集设备层将获取的数据上传至主站前置服务器集群；

前置服务器集群将数据根据水、气、热表计通信协议进行数据解析上送数据库服务器；

数据库服务器按照数据模型进行数据存储，同时将水、气、热表采集示数同步到营销应用系统的基础数据平台。

应用层调用数据层数据进行数据展示和报表查询等业务功能，同时和营销应用系统通过接口服务器实现客户档案及电表示数的同步。

3.本发明中的通信信道层，确定电力用户用电信息采集系统数据传输通信信道的应用时应按以下优先原则进行：

首先选择电力营销专用光纤网络；

其次应用公共营运商提供的gprs/cdma通信技术，构建虚拟专用数传通信网络；

第三利用供电企业现有的230mhz无线通信专网资源。

其中，终端层和主站层的远程通信的实现，即远程网络信道链路建立，过程如下：

终端为客户端模式，主站通信服务器（即图1中的具备通信功能的数据库服务器1、2）为服务器模式，终端上电自检后链接gprs/3g/4g网络，根据apn和sim号注册登录gprs/3g/4g网络；

根据sim号获取gprs/3g/4g网络分配的静态ip地址；

ip路由的建立：gprs/3g/4g网关网络企业根据apn/vpn两端网关建立的从终端到gprs/3g/4g接入设备的ip路由，gprs/3g/4g接入设备和通信平台之间设置ip路由，通信平台对终端私网地址设置地址翻译，确立终端到主站之间的有效ip路由；

终端向采集服务器（属于主站层，包含在前置服务集群内）发送链接请求，采集服务器响应，建立终端到采集服务器之间的ip链路，以此为上层数据交互协议的物理链路，根据上层协议需要注册终端信息。

该链路建立过程不仅适用于gprs/cdma，同样适用于光纤网络、230mhz无线通信专网。

4.本发明中的光纤信道，依据电力用户用电信息采集系统建设总体规划而建设的以光纤为信道介质的一种电力公司内部通信网络，覆盖全网的配电线路：

光纤网络完整地覆盖整个配电线路，在每一个专变大用户和公用台变提供以太接口方式的网络接口；

相对电力用户用电信息采集系统的数据传输需求而言，光纤通信专网提供了不受限的接入容量和高速的数传速率；

光纤通信专网技术上属公司自有的专用通信网络，不存在“第三方”的安全隐患。

5.本发明中的gprs/cdma公用网络信道，相对于电力公司自身建设的专用信道而言，使用或租用公共通信运营商建设的公共通信资源，当前电力用户用电信息采集系统主要应用的是中国移动公司提供的gprs和中国电信公司提供的cdma网络技术服务。

6.本发明中的230mhz无线电力专用信道，利用国家无线电委员会为电力负荷控制批准的专用、在230mhz频段范围内的十五对双工频点和十个单工频点构建的、承载于模拟式无线通信技术基础上的数据通信资源；使用230mhz专网，须切实注意和落实几个技术要点：

合理组网规划，有效利用频点复用以获得最大的系统容量；

正确应用230mhz专网技术的点对点和多点共线等特点，保证系统实时响应；

采用可靠的电台故障长发抑制技术，保障系统稳定性；

严格用户现场终端设备及配套设施的安装质量，减少运行维护工作量。

7.本发明中的采集设备层，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，该层包括采集终端和能源计量设备，采集终端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；计量设备实现用电计量等功能。

8.本发明中的内置微功率采集模块采用的微功率无线通信技术，微功率无线通信模块采用国家电网企业标准—《电力用户用电信息采集系统通信协议：基于微功率无线通信的数据传输协议》，支持国网内用电信息采集系统的互联互通。

水表、气表、热表中的微功率采集模块按设定周期（8小时）自动唤醒，采集仪表中的数据；电能表通过微功率无线通信模块将接收到的数据上传至集中器；电能表与集中器之间通过一定数量的专用信道进行通信。一旦水、热、气表中的微功率无线模块出现故障，将具体故障信息主动上报。

9.本发明中的内置宽带载波采集模块的水、气、热三表具有m-bus接口或者rs485接口，采集器将用量数据通过m-bus纵向、脉冲输出及rs485总线等收集，并由集中器通过gprs方式及移动内部网络上送至公网或专网控制中心，完成用户的数据采集工作。

采集器设计要求：

（1）性能要求

采集器应满足《dl/t698-2008电能信息采集系统》中采集器的有关性能要求，并对电子器件的选择作出规定。

1）电气性能要求

供电方式

采集器使用单相或三相四线制供电方式，三相四线供电时在断一相或两相电压的条件下，交流电源能维持采集器正常工作和通信。

工作电源

工作电源额定电压：交流220v/380v，允许偏差-20%～+20%；频率：50hz，允许偏差-6%～+2%。

功耗

在非通信状态下，采集器消耗的视在功率应不大于5va、有功功率应不大于3w。

失电数据和时钟保持

采集器供电电源中断后，不应出现误读数，并有措施至少保持数据和时钟1年。电源恢复时，保存数据不丢失，内部时钟正常运行。

寿命要求

集中器平均使用寿命应≥10年。

可靠性

设备平均无故障工作时间（mtbf）不少于7.6×10⁴h

（2）接口设计

采集器接口分为上行通信接口、下行通信接口和本地通信接口3部分，上行通信接口是指采集器与集中器之间的通信接口；下行接口是指采集器与电表及采集器之间的通信接口；本地维护接口是指本地用于设备维护的接口。

1）上行通信

采集器与集中器之间可采用窄带载波方式和宽带载波方式，通信芯片应选用工业级产品。

2）下行通信

采集器与电表之间的下行通信rs-485总线方式。

采集器至少具备1路rs-485下行通信

3）本地维护及级联接口

采集器至少1路rs485接口和1路红外维护接口（距离>=3m），应采用光电隔离等措施与内部电路电气隔离。传输速率可选用600，1200，2400bit/s或以上。

rs-485通信接口性能参照dl/t698.31中4.7.5规定

（3）通信规约

宽带采集器与主站的通信时，接收并响应主站的命令，通信协议应符合dl/t698.41。

采集器与集中器通信，通信协议应符合dl/t698.42。

采集器与电表通信，通信规约至少支持dl/t645-1997及dl/t645-2007。

10.本发明中的互动网关是家庭网络互联和数据收集的核心设备，同时具有宽带载波通信和微功率无线通信能力。可以通过宽带载波通信和微功率无线通信方式实现对水、气、热、电表的数据采集和本地存储。同时还可以通过wifi单元来与家庭移动互联设备（手机、ipad等）进行数据交互，从而实现用户随时监控水、气、热、电四表。

11.本发明中的集中器通过微功率无线通信方式采集智能电能表的信息数据，并且通过智能电能表的微功率模块将水、气、热三表数据采集指令下发到互动网关，家庭智能网关响应集中器的三表采集指令，将水、气、热三表对应的数据通过智能电能表的微功率无线模块发送给集中器。集中器再将水、电、气、热四表的数据通过移动公网通道（gprs或cdma）上传到用电信息采集系统，从而实现四表抄收。

集中器设计要求：

（1）结构要求

整体结构应采用分体设计结构，模块化设计方式，将上行通信模块、下行通信模块独立进行设计，并在结构上能够与主机分离。

（2）接口设计

集中器接口分为上行通信接口、下行通信接口和本地通信接口3部分，上行通信接口是指采集器与集中器之间的通信接口；下行接口是指集中器与电表及采集器之间的通信接口；本地维护接口是指本地用于设备维护的接口。

1）上行通信

采集器与集中器之间可采用窄带载波方式和宽带载波方式，通信芯片应选用工业级产品。

2）下行通信

采集器与电表之间的下行通信rs-485总线方式。

采集器至少具备1路rs-485下行通信。

3）本地维护及级联接口

采集器至少1路rs485接口和1路红外维护接口（距离>=3m），应采用光电隔离等措施与内部电路电气隔离。传输速率可选用600、1200、2400bit/s或以上。

rs-485通信接口性能参照dl/t698.31中4.7.5规定.

（3）通信规约

宽带采集器与主站的通信时，接收并响应主站的命令，通信协议应符合dl/t698.41。

采集器与集中器通信，通信协议应符合dl/t698.42。

采集器与电表通信，通信规约至少支持dl/t645-1997及dl/t645-2007。

12.本发明中的内置双模采集模块的智能电能表可以响应集中器的采集电表数据的指令，又可以把集中器抄收水，气，热三表的指令透明转发给家庭互动网关，从而实现四表集抄通道的组网。

13.本发明中的载波/微功率双模模块同时具有载波通信与微功率无线通信双模通信功能。其中微功率无线通信采用国网标准微功率无线通信方案。内置了载波/微功率双模模块的智能电能表可以实现集中器与家庭互动网关之间的数据交互。集中器通过宽带载波通信向智能电能表发送抄收水、气、热三表的指令，智能电能表响应指令并通过宽带载波通信将指令发送给家庭互动网关；进而家庭互动网关响应集中器的采集指令将水、气、热三表相应的数据通过智能电能表的双模模块发送给集中器。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。