2. 能源数据采集架构设计
能源管理系统的数据质量，从第一米线缆、第一次寄存器读取就已经决定了。很多项目后期出现“能耗曲线跳变”“峰谷电量对不上”“水表读数回退”等问题，根源往往不在上层算法，而在采集架构与协议选型阶段。本节围绕电表、水表、气表到PLC的完整采集链路，讲清分层结构、协议取舍，以及源码中驱动层如何落地。
一、采集链路的四层结构
一个可维护的能源采集架构，通常分为四层：现场设备层（电表、水表、气表、PLC）、采集接入层（网关/采集器/边缘程序）、协议驱动层（Modbus、IEC 104、OPC UA 等驱动实例）、数据服务层（点位映射、质量码、时序入库）。现场设备层负责产生原始计量数据；采集接入层负责物理连接与轮询调度；协议驱动层负责把字节流翻译成带工程单位的点位值；数据服务层负责统一时标、质量码与存储。
关键设计原则是：协议驱动层与业务逻辑解耦。驱动只负责“读到一个值”，不负责判断这个值是否合理、属于哪个支路、要不要报警。这样更换协议或新增表计时，只需新增驱动实例和点位映射，不必改动上层业务。
二、协议选型：Modbus、IEC 104、OPC UA 的适用边界
三种协议不是替代关系，而是各有适用场景。选型时先看设备侧支持什么，再看数据实时性、点位数和网络条件。
| 对比项 | Modbus RTU/TCP | IEC 60870-5-104 | OPC UA |
|---|---|---|---|
| 典型设备 | 电表、水表、气表、小型PLC | 电力保护装置、RTU、变电站 | 中大型PLC、DCS、SCADA服务器 |
| 数据模型 | 寄存器地址，无自描述 | 信息对象地址（IOA）+ 类型标识 | 地址空间 + 节点ID，自描述 |
| 实时性 | 轮询，秒级 | 变化上送，百毫秒级 | 订阅发布，百毫秒级 |
| 点位数 | 适合数百点以内 | 适合数千点 | 适合数万点 |
| 配置复杂度 | 低，需手工映射 | 中，需点表与总召 | 高，需建模与安全配置 |
实际项目中常见的组合是：电表、水表、气表走 Modbus RTU 经串口服务器汇聚；电力回路保护装置走 IEC 104；主控 PLC 走 OPC UA 或 S7 协议。采集程序内部为每种协议实现独立驱动，统一向上输出 TagValue 结构。
三、源码中的驱动实现
驱动层的核心接口应保持极简。以下是一个可扩展的驱动抽象（以 Python 风格示意，实际项目可用 C#/Java 实现）：
class ProtocolDriver:
def connect(self) -> bool: ...
def read(self, points: list[Point]) -> list[TagValue]: ...
def disconnect(self) -> None: ...
class TagValue:
tag: str # 统一点位名，如 "METER_A_EP"
value: float # 工程值
quality: str # "Good" / "Bad" / "Uncertain"
timestamp: float # UTC 秒
unit: str # "kWh" / "m3" / "kPa"
Modbus 驱动的关键实现细节：读取保持寄存器使用功能码 03，读取输入寄存器使用 04。对于 32 位电量，需明确字序。例如某电表有功电能寄存器 0x0000-0x0001，高字在前，则：
raw = client.read_holding_registers(0x0000, 2)
value = (raw[0] << 16) | raw[1] # 高字在前
kwh = value * 0.01 # 变比 0.01 kWh/字
若字序相反，则交换 raw[0] 与 raw[1]。这个细节必须在点表中标注，否则会出现“电量突然跳变 65536 倍”的典型故障。
IEC 104 驱动需要处理总召（C_IC_NA_1）与变化上送。启动后先发总召，等待激活确认与激活结束，再进入监听。遥测值通常为归一化值或标度化值，需按点表系数还原：
# 标度化值 SVA，16位有符号，系数 0.01
raw_sva = frame.value
engineering = raw_sva * 0.01
OPC UA 驱动推荐使用订阅模式而非轮询。创建 Subscription，设置发布间隔 1000ms，对每个需要采集的 NodeId 建立 MonitoredItem，并设置死区过滤，避免微小波动频繁上报：
sub = client.create_subscription(1000, handler)
for node_id in node_list:
sub.subscribe_data_change(node_id, deadband=0.5)
四、点位映射与质量码
无论哪种协议，最终都要落到统一点位表。点位表至少包含：Tag 名、协议类型、连接参数、设备地址/IOA/NodeId、寄存器/对象地址、数据类型、字序、变比、工程单位、采集周期、死区。质量码用于标记数据可信度：通信成功且值在合理范围为 Good；超时或校验失败为 Bad；值超出量程但通信正常为 Uncertain。上层能耗计算只使用 Good 数据，Bad 数据进入补采队列。
采集架构设计完成后，下一步才是数据入库与能耗计算。但请记住：驱动层的稳定性、点位映射的准确性、质量码的完整性，决定了整个能源管理系统能走多远。在源码实现中，把驱动做成可插拔组件，把点位表做成配置驱动，是后续扩展和排障成本最低的做法。