用電信息采集系統信道建設研究

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(國網四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

近年，國家電網公司加快用電信息采集系統(以下簡稱采集系統)建設，在為電費結算、線損分析、市場分析與節能服務、計量管理、客戶服務、用電檢查等營銷業務提供強大技術支撐基礎上，還將為規劃、調度、配電網等專業提供有效數據資源，實現“用電信息采集成果在電網規劃、安全生產、經營管理、優質服務工作中得到全面應用”建設目標。

采集系統主要由主站、終端和通信信道(包含遠程和本地通信兩部分)3部分構成，但在建設過程中，如何隨著通信技術進步不斷優化采集通信手段，提高通信成功率，解決大數據量的雙向交互，一直是采集系統推廣建設中面臨的問題。為此，國家電網公司在智能電網的框架下對用電采集系統的各個環節的技術事項作了原則性的規定，這就需要各個省(市)電力公司在國家電網公司統一技術標準的前提下，選擇適合的通信技術建設自己的用電采集系統。

1 采集系統建設現狀

1.1 國外用電采集系統建設情況

在歐洲，用電采集系統項目建設進展迅速，意大利、瑞典幾乎所有家庭都安裝了智能電表，英國、法國等西歐國家正積極推進智能電表建設，已基本實現了工商用戶和部分居民用戶的用電信息自動采集。在美國，全美20個州超過一半用戶正在使用智能電表。在日本，智能電表建設主要集中在關西地區，大地震引發核電危機后，為有效控制用電需求，智能電表建設步伐加快趨勢明顯。

采集系統通信方面，國外遠程信道主要是光纖(以太網)組網技術為主與無線公網并存局面，其中美國是以光纖為主。本地信道方面，美國推廣建設的智能電表基本是以Zigbee智能表，其本地通信大量采用微功率無線方式，英國、澳大利亞、印度主流應用也是Zigbee微功率無線技術。西歐國家中，由于其低壓電力網上存在的電磁污染治理得較好，且其電器電磁兼容性的控制較為嚴格，所以電力線載波技術在西歐得到了相對廣泛的、成功的應用，隨著電力線通信關鍵技術上取得的重要突破，本地通信方式多以載波技術為主。

1.2 國內用電采集系統建設情況

國內用電采集系統經歷了第一、二代的發展，目前正進入第三代建設起步階段，電力線載波技術、光纖通信等相關通信技術均取得了創新和突破。國內各省(市)采集系統的遠程信道主要采用光纖、無線公網、無線專網的方式，本地信道主要采用485接線和載波(大部分是窄帶載波，少量寬帶載波)，微功率無線等方式也有應用。

2 幾種主流信道技術

2.1 光纖通信

光纖通信是利用光波在光導纖維中傳輸信息的通信方式，主要分為有源光網絡通信和無源光網絡通信。光纖專網通信的接口方式有以太網(Ethernet)通信方式、RS232專線方式和E1方式。但是由于自建光纖成本較高，光纖通信尚未得到普及。

圖1 光纖通信

通過租用廣電網絡也可達到光纖通信的目的，基于廣電光纖網絡的集抄技術具備光纖通信速度快、傳輸數據量大的優勢，避免了自建電力光纖入戶的高昂費用，是節約資源的有效方式，具備發展前景。

2.2 無線公網

無線公網通訊是指電力計量裝置或終端通過無線通訊模塊接入到無線公網，再經由專用光纖網絡接入到主站采集系統的應用，目前無線公網主要有GPRS、CDMA、3G3種。

圖2 無線公網

2.3 微功率無線通信方式

微功率無線是在較短距離內利用無線通信的低功耗通信技術。在低功耗、低成本的前提下，微功率無線利用高速微處理器技術解決通信難題，適合于測量點多、范圍分散場合的低壓抄表應用。

2.4 低壓窄帶載波通信技術

電力線載波通信，是將信息調制為高頻信號并耦合至電力線路，利用電力線路作為介質進行通信的技術。低壓窄帶載波通信是指載波信號頻率范圍≤500 kHz的低壓電力線載波通信。DL/T 698 規定載波信號頻率范圍為3～500 kHz, 優先選擇IEC 61000-3-8規定的電力部門專用頻帶9～95 kHz。

圖4 集中器+載波采集器+RS485電能表通信方案

2.5 低壓寬帶載波通信技術

電力線載波通信，是將信息調制為高頻信號并耦合至電力線路，利用電力線路作為介質進行通信的技術。和窄帶電力線載波技術不同，寬帶電力線載波系統工作在1～40 MHz頻率范圍內，較好地避開了千赫茲(kHz)頻段的常規低頻干擾，采用正交或擴頻調制方式實現兆級以上的數據傳輸，數據物理層傳輸速率最高可達200 Mbps。寬帶電力線載波技術還處于發展階段，目前沒有統一標準，技術變化和進步較快，相互之間不能兼容。

圖5 集中器(集成寬、窄帶)+采集器+RS485電能表+載波電能表方案

2.6 總線通信

RS-485總線是基于RS-485總線與表計通信的有線通信方式。通信效率相對無線和載波可靠性高，但安裝難度大，需專門敷設線路組網，維護不方便，成本高。另外，在多雷的地區，雷擊損壞嚴重。

圖6 RS485通信方案

3 幾種主流采集組網方式比較

3.1 技術性能比較

如表1所示，根據各類信道組網方式的比較，從數據傳輸可靠性、通信實時性等主要信道傳輸指標來考慮，光纖通道以其高速高可靠的傳輸性能，成為采集遠程信道的首選。同時無線公網也以較高的速率、強大的并發處理能力、可靠的通信性能成為遠程信道的次優方案。在本地通信中，RS485總線方式以高可靠性、高度安全性成為本地通信的首選方案，窄帶載波(或窄帶載波+RS485線)、微功率無線等本地通信方案則因技術簡單，便于維護，可在農村或人口低密度地區采用。

3.2 投資成本比較

根據技術比較，RS485總線方式可作為本地通信方式的首選方案，按照四川省內現有已經完成的工程項目，對“自建光纖+485”、“廣電網絡+485”、“無線公網+485”3種主流組網方式投資成本進行測算，如表2所示。

從投資成本看出，同樣采用RS485本地通信方式，遠程通道采用無線公網戶均價格最低，其次是采用廣電網絡，最后是自建光纖。但在實際建設過程中，因遠程信道中光纖網絡的建設成本較高，可考慮基于多網融合的廣電網絡(即CATV網絡)的建設方式。基于廣電CATV網絡傳輸的智能管理終端將采集功能和集中功能集合在一起，通過RS 485接口采集電表讀數，終端內置調制解調器，通過廣電的同軸電纜傳輸到廣電中心機房，在通過廣電機房的中心交換服務器交換，利用專用光纖到供電局的主站機房，整個傳輸線路不受任何的其它信道干擾。同時，部分小區內廣電網絡的同軸線纜接口已經位于電表箱的附近，施工方便，操作簡單。采用廣電CATV網絡作為遠程通信手段，在網絡穩定性、流暢性與帶寬方面較傳統GPRS集抄有了質的突破，在實現遠程抄表的基礎上，更能利用CATV專線網絡，實現穩定、高效的電價下發工作，成功率遠超過傳統GPRS集抄。

表1 用電信息采集系統信道建設方式比較

表2 用電信息采集系統信道建設成本比較

3.3 組網方式選擇

由于變電站關口、配變臺區、低壓用戶等采集終端類型不同，用電信息采集系統信道的選擇應按照合理性和經濟性的原則來選定，各類終端用電信息采集系統信道選擇合理性為

Pn(T)=∑KiXi

其中，Pn(T)表示終端T選用第n種信道建設方案的合理性；Ki表示因素Xi的影響權重；Xi表示第i個影響因素。

圖7 CTQ優選法

這里考慮傳輸速率、采集成功率、數據傳輸可靠率和戶均投資額4個方面影響因素，則按照歸一化方法為

Xi=(X-MinValue)/(MaxValue-MinValue)

其中，X和Xi分別為轉換前、后的值；MaxValue、MinValue分別為樣本的最大值和最小值。

綜合各方面因素考慮，主要采用精益CTQ(Critical-to-Quality，重要品質特性)優選法實現權重Ki設定。如圖7所示，A、B、C、D分別代表在某一終端類型下，傳輸速率、采集成功率、數據傳輸可靠率和戶均投資額4個因素。

針對多因素情況，采用CTQ優選法對因素進行兩兩比較,充分顯示出因素與因素之間重要性的相互關系，并且判斷兩因素哪個更重要，最終得到影響權重。

4 用電信息采集系統組網建議

在選擇采集系統信道建設方案時，必須堅持科學性、合理性、經濟性并重的原則。綜合以上的技術、經濟分析，按照組網方式選擇方法，提出用電信息采集系統信道建設建議方案如表3。

表3 各類終端用電信息采集系統信道建議方案

[1] 錢萍，胡林，黃晶，等. 負荷管理系統中的通信及通信安全研究[J]. 電氣應用, 2007(2)：24-27.

[2] 郭萬祝，趙遠. 負荷管理系統功能拓展經驗淺談[J]. 電力需求側管理, 2008，10(2)：26-29.

[3] 龔敏. 電力信息綜合管理終端技術討論[J]. 電力需求側管理, 2009，11(4)：69-71.

[4] 張捷. 淮北電網基于EPON的用電信息采集系統設計[D] .北京：華北電力大學, 2012.