低壓配電網用電信息采集模式探討

壽之奇，歐陽柳

（1.華北電力大學，北京 102206；2.浙江省電力公司，杭州 310007）

低壓用電信息采集系統是國家智能電網建設中用電環節的基礎性工程，通過對低壓終端用戶用電數據的實時采集和分析，實現用電監控、遠程抄表、遠程費控、負荷管理、線損分析等功能[1]。國內現有規模化應用的采集模式主要有電力載波采集模式、小功率無線采集模式和基于GPRS采集器的采集模式，本文主要對上述3種采集模式進行比較，探索符合不同環境下低壓用電信息采集系統的建設模式。

1 電力載波采集模式

1.1 電力載波采集模式簡介

電力載波通信技術從20世紀90年代開始運用于低壓用電信息采集（低壓集抄），這種采集模式由三級數據傳輸網絡組成，如圖1所示，第一級是通過RS485總線實現電能表和采集器之間的數據雙向傳輸，第二級是通過信號頻率小于500 kHz的低壓電力線載波實現采集器和集中器之間的數據雙向傳輸，第三級是通過GPRS無線公網實現主站和集中器之間的數據雙向傳輸。

根據帶寬和速率，電力載波通信可分為窄帶通信系統和寬帶通信系統。窄帶低速芯片的指定帶寬一般在3～500 kHz，多采用FSK（頻移鍵控）、PSK（相移鍵控）、DSSS（直接序列擴頻）和線性調頻Chirp等技術。寬帶高速芯片指帶寬限定在2～30 MHz，采用以OFDM（正交頻分復用）為核心的通信技術。基本以2 Mbit/s的傳輸速率為界。

1.2 電力載波采集模式的優點

（1）網絡建設成本低、建設速度快。這種采集模式充分利用現有電力線資源，無需新建主傳輸網絡，建設速度較快。此外由于這種采集技術在國內已相當成熟，相關附屬設備價格也較為低廉，綜合建設成本較低。

（2）運行維護通信費用低。這種采集模式一般是1個公變臺區設置1臺集中器，每個集中器配置1張SIM卡，以每個臺區100戶計，按杭州市電力局目前4元/月的GPRS通信套餐標準，平均每戶每年的通信費用為0.48元。

（3）網絡的延伸性好。該采集模式不受信號覆蓋的制約，理論上只要電力線到達的地方就能采集到數據，比較適合偏遠地區和障礙物多、不利于無線傳輸的區域。

1.3 電力載波采集模式的缺點

（1）信道衰減制約信號傳輸距離[2]。由于低壓配電網結構的復雜性和負載的多樣性與時變性，對高頻信號而言，低壓電力線實際是非均勻分布的傳輸線，各種不同性質的負載在線上任意位置隨機連接和斷開，因此高頻信號的衰減必然存在。其次，低壓電力線的非均勻性傳輸信號還會遇到反射、駐波等復雜現象而引起信號衰減。

（2）噪音干擾制約信號傳輸質量。低壓電力線不同于專門的數據通信線路，低壓電力線上有許多噪聲和干擾源，如吸塵器、電冰箱、洗衣機等，由于電器設備開停的頻繁性和不可控性導致電力線的特性不斷變化，使得低壓電力線通信具有時間上不可控的特點。

2 小功率無線采集模式

2.1 小功率無線采集模式簡介

圖1 電力載波模式現場網絡結構圖

圖2 小功率無線模式現場網絡結構圖

小功率無線技術一般指發射功率在100 mW以下的無線組網技術，目前已廣泛應用于能源、信息等諸多領域，比較典型的有藍牙技術，Zigbee技術，Z-Wave技術。這種采集模式由三級數據傳輸網絡組成，如圖2所示，第一級通過RS485總線實現電能表和采集器之間的數據雙向傳輸，第二級通過微功率組網技術實現采集器和集中器之間的數據雙向傳輸，第三級通過GPRS無線公網實現主站和集中器之間的數據雙向傳輸。小功率無線通信方式的頻點選擇較為重要，其通信效果直接影響抄表可靠性。

2.2 小功率無線采集模式的優點

（1）網絡自組自管。通信節點有自組能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發數據的多跳無線網絡系統。

（2）網絡建設成本低、建設速度快。無線組網技術無須現場布線，減少了建設工程量和資金投入，是一種較為經濟的建設模式。

（3）網絡容量大。由于無線通信速度快，網絡能達到幾萬個節點的容量，能滿足臺區、廠區、甚至全地區集中抄表的需要。

（4）安裝維護方便。網絡自組自管，完全不需要人工干預通信網絡的配置、管理，安裝維護比其它電力集抄技術簡單方便。

2.3 小功率無線采集模式的缺點

（1）通信距離受制約的因素較多。地理環境、電磁環境、氣候條件、發射機的射頻輸出功率、接收機的接收靈敏度、系統抗干擾能力、軟件糾錯、天線類型和位置及其增益等都制約了通信的距離。此外，建筑墻體對信號的衰減是影響通信距離的另一主要原因。

（2）通信質量受干擾的因素較多。同頻干擾是制約小功率無線集抄的重要因素，目前廣泛使用的車載尋呼、電臺、對講機、無線遙控設備等幾乎都用315～500 MHz的無線頻率，此外ISM頻段則有更多同頻設備，這對集抄信道傳輸質量的影響極大。此外，溫度、電源電壓及環境改變引起的頻率漂移是影響通信質量的另一因素。

3 GPRS采集器采集模式

3.1 GPRS采集模式簡介

這種采集模式的組網較為簡練，由二級數據傳輸網絡組成，如圖3所示，第一級網絡通過RS485總線實現電能表和采集器之間的數據雙向傳輸，第二級網絡采用GPRS專用通道[3]或內部光纖通道[4]直接和主站實現組網。這種技術被廣泛運用于變電站、電廠電能量信息采集和客戶負荷控制領域。2010年浙江省已開始在低壓配電網規模化推廣這種采集模式。

3.2 GPRS采集模式的優點

（1）采集可靠性高。兩級網絡均采用專用的通信網絡，確保了數據傳輸的穩定性和可靠性。杭州市電力局各變電所、電廠關口電能量采集信息系統和現場用電管理系統均采用這種模式，歷年來的一次采集數據完整率和月累計數據完整率均超過98.5%。

（2）能較好適應智能電網的發展要求。國家電網公司智能電網十二五規劃已明確了基于電力線的三網融合光纖入戶的具體要求，該采集模式就是基于上述技術要求建設的，能較好地滿足低壓配電網智能用電的發展要求。

（3）組網的靈活性高。由于采集終端和主站之間的網絡選擇不會影響采集側的組網模式，因此在電力線復合光纖網未覆蓋前可以先選擇GPRS公網通道，光纖網建設完成后可實現靈活切換，避免重復建設。

圖3 GPRS（或光纖網）采集器模式現場網絡結構圖

3.3 有線采集模式的缺點

（1）不宜在采集點分散區域推行。這種集抄模式非常適合集中裝表社區，每路RS485總線能帶32塊電能表，現場建設工程量少，檢修運維方便。由于每只采集器拖帶的采集點數量較大，可降低通信成本。但在電能表安裝較為分散的區域，則現場布線工程量大，且受RS485傳輸距離限制。此外，采集器拖帶電能表較少也會造成通信成本增加。

（2）建設成本和運行維護成本較高。如采用光纖網絡，建設成本將遠高于其它集抄模式。

4 實例分析

杭州市電力局近年來開展了低壓配電網客戶用電信息采集系統的探索與建設，截至2010年9月，全局已覆蓋低壓客戶16萬余戶，其中城區用戶約14萬戶，農村用戶約2萬戶，采集模式涵蓋了電力載波、小功率無線和GPRS采集器三類。按城區（集中裝表）和農村（分散裝表）分別對3種采集模式的建設和運行維護費用及運行數據進行統計，結果如表1、表2所示。

表1 3種模式的建設和運行成本統計（均值）元/戶

表1中，運行成本的差異主要體現在GPRS通信月租費，低壓集抄的通信套餐約4元/月；3種模式通信租費以外的運行成本差別不大，約2.5元/戶。從建設成本看，城區3種模式的成本基本相近，但農村GPRS采集器模式的建設成本比其它兩種模式約高30%。從運行成本看，GPRS采集模式的運行成本較高，主要原因是該模式在采集側只有一級網絡，每只采集器在城區平均接16只電能表，在農村由于居住分散，每只采集器平均接6只電能表，而其它兩種模式一般每臺區1個集中器，每個集中器配置GPRS通信模塊實現和主站的數據交換。因此，GPRS采集器模式通信費用明顯偏高。

表2為杭州市電力局2010年5-9月的運行數據統計均值。實時數據采集成功率指一次數據采集成功率，即主站單次招測終端返回當前電能表窗口值的成功率；周期數據采集是指主站在24 h內按設置的抄讀周期（一般為15 min～1 h）對電能表月凍結量進行抄讀，抄讀成功一次即可計入成功率，同時停止當日招測。本案例為窄帶載波，頻率范圍在 3～160 kHz，中心頻率為 120 kHz。小功率無線主頻點為470M，若受到干擾會有固定頻點跳頻。

實時數據采集成功率和采集延時是低壓配電網智能用電供用電雙方交互的重要指標，也是國家電網公司推廣智能費控電能表，進行遠程跳閘和復電的關鍵性指標。周期數據采集成功率則是衡量月度遠程抄表結算的關鍵指標。表2中的運行數據顯示，GPRS采集器模式的各項指標均能較好地滿足實時數據交互和遠程抄表結算的要求，電力載波和小功率無線模式在實時數據交互方面有所欠缺，但能基本滿足周期性遠程抄表結算的要求。

5 結語

根據國家電網公司智能電網十二五規劃的要求，浙江電網擬在2015年前實現對低壓配電網客戶計量裝置的全采集、全覆蓋、全費控。浙江地理環境較為復雜，城區和農村的住房結構和分布、配電網供電質量、移動公網信號強弱分布等方面差異較大。同時，目前3種主流采集模式都存在自身的技術瓶頸。因此，只采用一種采集模式來開展低壓配電網客戶用電信息采集系統的建設有較大的局限性。此外，城區和農村的需求側管理也存在差異，城區對智能用電有較高的需求，而農村需求主要體現在周期性遠程自動抄表上，因此區域性低壓配電網用電采集系統的建設必須根據區域需求的差異化，結合環境特點、建設和運行維護成本，以多種采集模式互補的形式來開展。結合浙江低壓配電網的實際特點，較為合理的低壓配電網用電信息采集系統建設模式是：以GPRS采集器模式為主要采集模式，滿足采集點集中、布線簡單區域（城區和中心集鎮）的數據采集，以小功率無線和電力載波模式作為補充形式，以滿足采集點分散、布線困難區域（山區、農村）的數據采集。

表2 3種模式運行數據統計

[1]劉振亞.智能電網技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通訊技術研究[J].電網技術，2010，34（5）∶161-172.

[3]胡愛國.基于以太網的遠程抄表系統[J].電測與儀表.2004，41（7）∶50-51.

[4]高峰，吳培紅.基于GPRS的電表集抄系統[J].電氣應用，2005，24（6）∶54-56.

[5]戚佳金，劉曉勝，喻言，等.基于電力線通信網絡的遠程電能計量監控方法研究[J].電子器件，2006，29（4）∶1118-1122.