電力光纖入戶的智能小區配用電信息采集系統解決方案

徐建平，徐 靜

（揚州供電公司，江蘇 揚州 225001）

用電信息采集系統是指利用現代化通信手段（包括有線、無線、載波等）實現計量裝置在線監測和用戶負荷、電量、電壓等重要信息的實時采集，在居民小區中采集對象主要包括小區配電變壓器信息、開關柜信息、小區公共設備設施用電信息、居民電能表信息、居民戶內分類用電信息等。用電信息采集系統運用高效的信息化管理手段，準確、及時的完成用電數據抄讀及計量裝置的狀態監控功能，從而代替長達幾十年的人工干預數據抄錄，為供電部門進行用電統計、電費核算、表計監控、臺片線損考核以及其他管理工作提供及時有效的支持。

目前用電信息采集系統的問題體現在遠程通信和本地通信的可靠性和實時性。遠程通信是指采集終端和系統主站之間的數據通信，本地通信是指采集終端和計量裝置之間的數據通信。具體問題如下：

（1）通信實時性較差

目前市場上的用電信息采集系統產品，特別是低壓居民集中抄表系統產品的通信實時性無法滿足應用需要。國家電網公司用電信息采集系統標準規范中就提出了“全覆蓋、全實時、全費控”的數據采集要求，而現在市場上的產品無法實現這個要求。由于技術和投資限制，目前很多產品都是按照電費月度結算為宗旨進行數據采集，系統采集完整的用電數據往往要一天甚至幾天時間。即使采集到了用電數據,由于遠程通信的不可靠,也是在一天中的某個時間段集中上傳采集到的數據。

（2）通信可靠性不高

目前，用電信息采集系統的遠程通信使用無線公網，本地通信使用485、低壓載波或其它無線通信方式。由于低壓線路是針對電能輸送設計的，信道衰減嚴重，背景干擾復雜，負載變化不可控，系統動態因素太多，頻段范圍狹窄，因此低壓載波通信數據傳輸可靠性差。485線通信由于需要布線，帶寬比較窄，經濟性不高。遠程通信使用無線公網，有時會發生網絡擁堵現象，小區復雜的地理環境還會導致無線公網不能覆蓋所有區域。上述原因降低了現有通信網絡采集用電信息的可靠性。

1 電力光纖入戶和ZigBee通信技術

電力光纖入戶是指采用光纖復合低壓電纜或普通光纖線纜，將光纖隨低壓電力線敷設，實現從配電變壓器到電能表，再從電能表到戶的光網絡通信方案。配合無源光網絡技術，基于電力光纖入戶的通信網絡承載用電信息采集、智能用電雙向交互、多網融合等業務。

ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術，利用Zigbee設備自動組網和自動路由的特點，構成配用電網終端信息傳輸通道，與已有的電力光纖通信相結合，可以將電能表、配電變壓器、開關柜、戶內信息等配用電網終端信息傳送給供電公司各個相關部門，同時也可以將設備配置參數等信息下達給現場監控設備，從而實現現場信息的快速采集和處理。面向智能小區設計的ZigBee通信網絡系統，在用電信息采集、配電故障定位、配變監測等諸多領域有著廣泛的應用空間。

2 系統設計

2.1 總體設計

根據公用配變和各種居民用戶的環境特點，用電信息采集系統將以不同的技術模式，分別實現對各類用電信息集中采集和實時監控，達到對小區戶外采集點和居民戶內分類用電信息采集的“全覆蓋”。

2.1.1 系統邏輯架構

系統邏輯架構如圖1所示，由3層物理結構組成。第一層主站，是整個系統的管理中心，負責整個系統的電能信息采集、用電管理以及數據管理和數據應用等；第二層數據采集層，負責對各采集點電能信息的采集和監控，包括各種應用場所的電能信息采集終端；第三層采集點監控設備，是電能信息采集源和監控對象，如：電能表和相關測量設備、客戶配電開關、無功補償裝置以及其他現場智能設備等。通信網絡完成系統各層之間的數據傳輸，它可以是專用或公共無線、有線通信網絡。

2.1.2 系統物理架構

整合7種通信方式的用電信息采集系統物理架構如圖2。

2.2 電力光纖入戶設計

2.2.1 電力光纖入戶通道

電力光纖入戶由兩大通道建設組成。

圖1 用電信息采集系統邏輯結構示意圖

圖2 基于電力光纖入戶的用電信息采集系統架構圖

（1）遠程通道建設：光纖通道采用普通光纜，小區上聯變電站接入電力專用光纖到小區主配電房。

（2）小區內部通道建設：在主配電房進行一次分光，采用光纖復合電纜連接各次配電房；各次配電房到低壓分支箱采用光纖復合電纜連接；在低壓分支箱二次分光，采用光纖復合電纜連接各樓棟單元表箱；單元表箱放置光網絡終端（ONU），多個以太網口分別接入各個樓層集中交換機；從單元表箱或入戶采用光纖復合電纜或普通光纖皮纜，也可以采用標準5類線從樓層交換機進入戶內；戶內多媒體箱內配置光網絡終端（ONU），連接家庭無線網關。

2.2.2 電力光纖網絡結構

電力光纖入戶小區類型分為高層、多層、別墅。對不同建筑結構類型的小區采用不同的技術路線。

（1）高層

電力專用光纖接入小區中心配電房，采用一級分光到各樓棟單元，單元采用標準5類線進樓棟交換機，采用以太網式入戶。網絡拓撲如圖3。

（2）多層

電力專用光纖接入小區中心配電房，采用一級分光到小區低壓分支箱，低壓分支箱處采用二級分光到各樓棟單元，單元采用標準五類線進樓棟交換機，采用以太網式入戶。網絡拓撲如圖4。

（3）別墅

采用一級分光到小區低壓分支箱，低壓分支箱處采用二級分光到各別墅，采用普通光纖皮纜入戶。網絡拓撲如圖5。

圖3 高層房屋電力光纖入戶結構圖

圖4 多層房屋電力光纖入戶結構圖

圖5 別墅房屋電力光纖入戶結構圖

2.3 ZigBee通信網絡子系統設計

ZigBee通信網絡子系統以小區或家庭的光載無線接入點為核心，可以按照戶外接入點、戶內接入點構成若干個Zigbee通信子網，每個家庭構建一個ZigBee通信子網。

ZigBee通信網絡子系統分為4層：控制中心的ZigBee通信網絡管理系統，控制中心一般在小區配電房；小區電力光纖通信；Zigbee通信子網；終端設備采集配用電數據，通過ZigBee終端上傳到ZigBee通信子網。

Zigbee通信子網的終端模塊與配網終端采集設備（如：配變監測儀、故障指示器、用電采集設備等）相連，ZigBee終端模塊通過ZigBee智能中繼器把采集到的數據傳遞給ZigBee智能網關，從而實現ZigBee網絡下的數據交換。

3 系統實現

3.1 配電信息采集

配電信息采集包括小區配電變壓器、開關柜相關電參數信息。采用了小區配電變壓器綜合采集儀，用于實現配電信息的采集。

小區配電變壓器綜合采集儀包括數據采集、數據處理、參數設置和查詢、事件記錄、數據傳輸、設備維護7個功能模塊。其中，數據采集包括電能表的數據采集、配電變壓器狀態量、脈沖量、交流模擬量的數據采集；數據處理指小區配電變壓器綜合采集儀具有數據存儲功能，保存最近30天日凍結數據、12個月的月凍結數據，支持主站軟件召測采集實時、歷史15 min凍結、小時凍結、日凍結、月凍結數據；參數設置和查詢包括時鐘、限值、抄表等參數的設置與查詢；事件記錄指小區配電變壓器綜合采集儀能夠在采集數據的同時,監測電能表運行狀況，包括參數的變更、時間超差、故障信息、示數異常等信息，小區配電變壓器綜合采集儀監測到事件信息后，可主動向主站軟件上報事件信息；數據傳輸，上行通信支持以太網通信以及GPRS無線公網通信,上行通信采用模塊的方式，以太網和GPRS無線公網通信模塊可互相替換，下行通信支持485及無線通信方式。對于下行，還支持與其它終端與主站軟件之間通信的中繼功能；設備維護指小區配電變壓器綜合采集儀具有自檢自恢復、本地狀態指示、本地維護接口等功能。

小區配電變壓器綜合采集儀具有如下特點：

針對小區配電信息采集傳輸安全可靠性要求，采用ZigBee專用無線網絡，建立了基于ZigBee通信網絡的配電采集系統，不僅節約了運行成本，而且解決了電力通信內外網隔離后配電信息的安全傳輸問題。

針對小區配電信息采集傳輸實時性要求，采用以太網方式，接入小區電力光纖，與主站軟件之間建立光纖通信網絡，借助小區光纖通信網絡的快捷性，提高采集數據的實時性。

小區配電變壓器綜合采集儀可以同時作為ZigBee網絡的中繼設備，增加了ZigBee網絡的覆蓋范圍。

系統安裝使用方便，運行穩定可靠，滿足了配電信息采集的需要。

3.2 戶外用電信息采集

小區戶外用電信息的采集包括小區居民電能表的用電信息采集與小區公共用電，如：路燈、景觀燈、電梯等。

小區居民電能表的用電信息采集采用了以太網小集中器，符合國家電網公司制訂的《電力用戶用電信息采集系統功能規范》標準，采用以太網上行通信方式，實現小區居民電能表的用電信息采集,同時具有實現集中戶內用電信息采集終端的采集數據，上報給主站軟件。

小區公共用電信息采集，采用了三相智能監控終端，外接互感器方式采集公共用電線路的電參數信息，外接接觸器的方式實現公共用電線路的用電控制，具體功能如下：

●電參數計量與處理，通過互感器計量空氣開關出線端的電參數信息，采集三相電流、電壓、有功功率、無功功率、電能示值等22項電參數數據，采集數據按凍結密度保存一段時間內的數據備份以及一份實時數據，以便上端設備的查詢。即使設備意外斷電，通電后，存儲的數據不會被清零。

●通斷電控制，三相智能監控終端具有實時、定時2種通斷電控制方式。其中實時控制即終端響應主站軟件下發的實時控制命令，即時響應控制；定時控制即終端根據預設的時間段響應通電、斷電命令。

●數據傳輸，上行通信支持485及無線通信方式，可以直接與小區內其它設備組成Zigbee網絡，也可以通過485總線接入小區配電變壓器綜合采集儀，通過小區配電變壓器綜合采集儀實現與小區外網的光纖通信。

●設備維護，三相智能監控終端具有自檢自恢復、本地狀態指示、本地維護接口等功能，同時具有液晶屏顯示，以便維護人員現場巡檢。

三相智能監控終端具有如下特點：

●設備具有ZigBee和485雙通道功能，小區內分散的公共用電信息采集或集中的公共用電信息采集都適用。通過小區配電變壓器綜合采集儀實現與主站軟件之間的通信，與主網絡隔離，提高了采集網絡的安全性。

●具有定時控制功能，控制方式靈活，方便小區公共用電線路的用電控制，減少小區物業人員的開關燈等的工作量。

●系統安裝使用方便，運行穩定可靠，滿足戶外用電信息采集的需要。

3.3 戶內用電信息采集

戶內用電信息采集包括戶內空氣開關出線線路的用電信息采集，居民主要用電設備（電冰箱、電熱水器等）的用電信息采集。

戶內空氣開關出線線路的用電信息采集，采用智能空氣開關，其功能與三相智能監控終端類似，實現空氣開關回路單相電參數的采集。

居民主要用電設備的用電信息采集采用智能插座，在實現普通插座功能的基礎上，實現插座負載的用電信息采集。居民用戶用智能插座可實現主要用電設備的用電信息采集與通斷電控制。

智能插座、智能空氣開關采用ZigBee無線通信方式，與戶內其它智能空氣開關、智能插座組成ZigBee無線網絡，家居智能網關可通過Zigbee通信模塊接收智能插座、智能空氣開關采集數據，以太網小集中器也可通過Zigbee通信模塊統一集中戶內采集的用電信息數據，傳輸采集數據到主站軟件。

智能插座、智能空氣開關具有如下特點：

●設備具有ZigBee通信方式，根據網絡標識，實現每一戶組成一個獨立的采集網絡，保證了采集數據的正確性。

●設備無需布線，外型小巧，安裝使用方便、運行穩定可靠，滿足戶內用電信息采集的需要。

3.4 主站系統

智能小區配用電信息采集系統采用省電力公司統一的主站系統，所有采集到的配電信息、戶外用電信息、戶內用電信息通過小區入戶光纖統一匯聚到主站軟件系統，通過軟件功能進行查詢、統計、分析，輔助供電部門決策，為供電公司向居民用戶提供用電服務提供了信息支撐。

4 系統特點

基于電力光纖入戶的智能小區配用電信息采集系統有以下特點：

●實時性和同步性，實現了小區配用電數據采集通信網絡的一體化，通信網絡能夠保證各類實時數據傳輸的實時性，并能夠保證小區配用電網絡各個結點的數據采集的同步性。

●易用性和可擴展性，由于小區電力光纖入戶建設時預留了大量的光纖纖芯資源，以及ZigBee網絡的自組織特點，使得小區內部接入新的信息采集設備時，系統能夠感知新設備的接入，采集通信網絡能夠根據需要進行擴展。

●全面性和精細化，系統可以對小區內配電變壓器信息、小區公共用電信息、居民電能表信息、居民戶內分類信息進行完整的信息采集，同時可以根據需要精細化采集小區配用電網絡各個結點上的電參數。

5 結束語

通過基于電力光纖入戶的小區配用電信息采集系統的研究和應用，實現了小區配用電數據采集通信網絡的一體化，保證各類實時數據傳輸的實時性和同步性，通信網絡具備良好的易用性和可擴展性。通過研發配電采集設備、戶外用電信息采集設備、戶內用電信息采集設備，與一體化通信網絡相結合，實現了小區用電信息的全面采集和精細化采集。本文研究成果為居民小區智能用電和供電公司開展居民用戶智能用電服務提供了支撐。