微功率無線自組網抄表系統的設計與應用

周立志，占玉兵，夏峰，岳鵬

(國電南瑞科技股份有限公司，南京市，210061)

0 引言

隨著智能電網在全國的深入推廣，電力管理對數據的采集和傳輸手段要求越來越高。由于電力行業終端用戶數量龐大，并且現場環境復雜，所以傳統的抄表模式已經不能滿足需求。

無線自組網技術是一種近距離、低功耗、低成本、高可靠性的高速雙向無線通信技術，是移動Ad-Hoc網絡的特殊形態，其早期研究源于移動Ad-Hoe網絡的研究與開發［1］，也可以視為一種WLAN和Ad-Hoc網絡的融合，兼顧了兩者的優勢，具有獨特的優點。

微功率無線數據傳輸能夠以較快的速度將管理命令送達用電信息采集終端，并將相應的信息返回管理中心，能夠克服電網中的雜波干擾，既不受電網阻抗劇烈變化的影響，也不受電網結構變化的影響，是實現“堅強智能電網”的有力工具，也是實現“全覆蓋、全采集、全預付費”建設目標的重要手段［2］。

1 系統總體設計

1.1 系統硬件設計

微功率無線集中抄表系統由主站、集抄終端、電能表3部分組成。

主站由工作站和軟件構成，用來接收和存儲電力用戶的用電數據，并進行統計分析、匯總計費和報表打印等工作，擔當著整個系統的總控制及管理工作。

集抄終端包括集中器和采集器。集中器用于收集采集器或電能表的數據，并進行處理儲存，同時能和主站或手持設備進行數據交換。采集器用于采集多個或單個電能表的電能信息，并可與集中器交換數據。集中器是整個無線抄表的核心單元，在整個系統中扮演著承上啟下的角色，決定著整個系統的性能［3-4］，集中器的硬件系統結構如圖1所示。

圖1 集中器硬件系統結構Fig.1 Structure diagram of concentrator hardware system

電能表是用于測量功率的儀表，是集中抄表系統最末端的設備，電子式電能表通過標準RS 485串口通信協議直接與采集器或集中器連接，將數據傳給采集器或集中器。

系統硬件采用 ARM9嵌入式平臺，該平臺以ATMEL AT91SAM9260為核心，板載32MB SDRAM、64MB NANDFLASH、2個RS 485接口(采集與級聯)、調制型紅外接口、調試用USB接口、1個遠程信道用以太網、1個遠程通信模塊接口(用于安裝GPRS/CDMA、光纖專網、PSTN等遠程信道)、1個本地通信模塊接口(用于安裝微功率無線、寬帶載波、窄帶載波等本地信道)。

平臺提供了多種系統接口和資源，同時與其他采集芯片通信從而實現計量、交流采樣和諧波采集功能。集中器由GPRS/CDMA通信模塊、ARM芯片處理單元、接口電路和電源模塊組成。接口電路主要完成對下掛的其他終端數據的采集;RS 485抄表接口負責讀取電能表和級聯終端的數據;GPRS/CMDA模塊負責和無線網絡的連接和數據收發。終端的接收和發送命令通過移動GPRS/CMDA通信網絡來傳輸，命令接收經過校驗后進行相應的處理，從而實現遠程讀表、數據采集和異常信息主動上報等功能。

1.2 系統軟件設計

終端軟件以嵌入式Linux為核心，應用功能的程序采用模塊化設計，方便功能的加載和裁減，可以滿足不同的客戶需求和功能定制，終端軟件系統設計方案如圖2所示。

圖2 軟件系統結構圖Fig.2 Structure diagram of software system

整個軟件系統包括操作系統層、業務支撐層、應用功能層3個部分。操作系統層主要用于實現應用軟件的多任務多進程調度以及系統硬件資源的管理。業務支撐層用于提供應用軟件的實時數據以及進行通信管理、任務調度、存儲管理、數據庫操作管理等工作。應用功能層用于實現應用軟件數據分析、通信規約解析、事件處理、負控算法、人機接口等功能。

2 微功率無線通信關鍵技術

2.1 智能自組網技術

微功率無線組網的設計和應用涉及到多項關鍵技術的研究，包括新型軟硬件體系結構、低耗節能及實時并發的模型、安全機制的設計理論與方法、傳輸通信協議棧和路由算法，以及在大范圍分布、多采集點的情況下高可靠、實時性的通信技術等［5-11］。微功率無線組網技術融合了先進的自組織網絡技術，不需要中央控制設施，網絡中的節點既是路由器又是主機，作為對等實體連接在一起。非相鄰的兩節點間的通信必須通過網絡中的其他節點進行轉發才能實現，從而組成一個多跳無線網絡，最大自組織網絡具有如下5個特點。

(1)自適應:參照北美標準FCC15.247，保證能在現場復雜環境無互擾、長期可靠地運行。

(2)自組織:網絡中的節點之間發送信標，知曉相互的狀態信息和網絡拓撲結構，任何2個節點中可能存在多條冗余通信路徑。

(3)自路由:網絡中的節點通過分布式的計算，實時地選擇最優的路由路徑，該路徑具有最佳的數據可靠性和最小的功率消耗，且全智能自動路由、中繼，中繼級數可達20級，無需額外增加任何中繼，單網最大支持1 024節點。

(4)自恢復:網絡因為自身故障或外部障礙發生裂解后，能夠自動恢復組網。因此可以采用超穩定的mesh網狀網絡構形，節點擁有多至20個鄰居數，能夠瞬間自我路由修復。

(5)自愈合:現實情況下的應用會不斷遇到新的障礙，如腳手架、新設備或流動性車輛等，網絡可以圍繞這些設備重新組織。所有這一切均是自動發生的，用戶不必進行任何干預，網絡會選擇當前最優路由路徑。

網絡中節點與節點之間采用全雙工通信方式，支持上行和下行同時通信。

2.2 多信道隨機跳頻通信技術

多信道隨機跳頻通信技術的應用，使得網絡平均隨機使用分配的跳頻信道，如圖3所示，能在以下現實環境中極大提高數據采集成功率和現場長期抗干擾表現:

(1)無線集抄系統周邊有其他類型的無線系統產生的帶外干擾，如無線集群通信塔等。

(2)無線集抄系統附近有其他廠商生產且工作于同一頻帶的無線系統。

(3)相同廠商相鄰子網的無線集抄系統同時進行，即使采用多頻點錯開復用配置，仍有互擾的現場環境。

圖3 多信道隨機動態跳頻Fig.3 Schematic diagram of multi-channel random dynamic FM

2.3 智能跳頻同步鎖定技術

跳頻同步是跳頻自組網的關鍵技術，是網絡通信的基礎。該項技術是通過調整網絡中各節點的時鐘使其一致來實現全網同步。微功率無線網絡無需人工設置信道群組，信道群組間可以智能復用，即使是多個信道群組之間也能自動完成智能復用工作。

3 無線集抄系統的現場應用

3.1 本地組網方案

為實現用電信息的及時、完整、準確采集，滿足用電管理部門對基礎數據和增值服務的要求，結合無線通信技術的自身特點，微功率無線網絡構建的本地網絡可以通過以下3種組網方案，適應工程現場的復雜性和多變性要求。

(1)方案Ⅰ:無線集中器+無線電能表(無線通信模塊+單相/三相多功能電能表)，如圖4所示。

圖4 無線網絡構建方案ⅠFig.4 Scheme I of micro-power wireless network construction

(2)方案Ⅱ:無線集中器+無線采集器+RS 485單相/三相多功能電能表，如圖5所示。

圖5 無線網絡構建方案ⅡFig.5 Scheme II of micro-power wireless network construction

(3)方案Ⅲ:無線集中器+無線采集器+RS 485單相/三相多功能電能表+無線電能表(無線通信模塊+單相/三相多功能電能表)。此方案為上述方案Ⅰ、Ⅱ的混合模式。

3.2 集抄終端的現場安裝

微功率無線集抄系統中集中器應安裝在現場電能表組群的相對中心位置，無線采集器或無線電能表遍布四周，以此達到最佳的組網和抄表效果。

1臺集中器管轄電能表的數量以200～500塊為最佳，無線集中器的安裝位置和電能表的組織相對靈活，必要時可以跨臺區抄表，也可以在1個較大的臺區下安裝多個集中器。

4 結語

目前，本文研究的微功率無線自組網集抄系統已經在北京、江蘇、廣東、廣西、湖北、山東、新疆等多個省市得到了推廣和應用，電力用戶達到40萬戶。

從實際的應用情況看，微功率無線通信技術有著諸多技術優點，如組網快、無需人工干預、網絡運行穩定、安全可靠、維護費用少、可跨臺區通信等，但同樣存在著同頻干擾、缺乏行業規范等不足，相信隨著技術和規范的進一步發展和完善，微功率無線通信技術必將在低壓集抄領域中得到更加廣泛的應用和發展。

［1］龍玉湘，章兢，戴瑜興.基于ZigBee的無線抄表系統的集中器設計［J］.低壓電器，2007(20):14-17.

［2］楊萬里，秦毅.短距離微功率無線組網AMI技術的探討［J］.電測與儀表，2010(3):1-5.

［3］Q/GDW 373—2009電力用戶用電信息采集系統功能規范［S］.

［4］莊克玉，胡繼珍，張超.低壓電力無線集中抄表系統數據采集終端設計［J］.微型機與應用，2009(9):23-26.

［5］王濤.無線傳感網絡通信技術在用電信息采集系統中的應用［J］.環球儀表，2010(1):18-20.

［6］魏永靜，徐建政，張民.對于智能小區遠程自動抄表系統的相關思考［J］.電力系統通信，2006，27(2):42-45.

［7］李沙，支長義，朱郴良，等.直讀遠程抄表系統設計［J］.電力系統保護與控制，2009，37(19):119-121.

［8］潘旭兵.基于Si4432的無線收發模塊設計［J］.計算機應用，2009，29(增刊2):189-191.

［9］吳在軍，王錚，胡敏強.變電站自動抄表系統設計與實現［J］.電力自動化設備，2002，22(2):57-59.

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［11］侯晨偉.基于GPRS和NRF90無線模塊的電力自動抄表系統［J］.長春理工大學學報:高教版，2009，4(10):179-180.