無線通信技術在電力信息采集中的應用

崔凱翔

摘要：從電力信息采集系統結構、功能以及業務采集過程中引入無線通信技術應用的依據，并分析無線儲能技術數據丟失的規律。根據電力信息采集系統的特點，從節約成本、提升效率的角度提出應用微功率無線通信、低壓窄帶電力線載波、低壓寬帶電力線載波三種本地信道通信方式。

關鍵詞：無線通信;信道;電力信息采集;應用

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）33-0187-02

隨著我國經濟快速發展，智能電網建設不斷推進，電力無線通信技術也取得巨大的進步。與此同時，用戶對電力的業務需求越來越多。通信網絡的性能在一定程度上決定是否能為用戶提供優質的服務，如電力信息采集業務實現可靠性關鍵的因素之一便是通訊網絡性能的好與壞。而建設用電信息采集系統又是實現智能電網的必然要求，在實現電網與客戶雙向互動，承擔起用電信息自動采集、高效共享和實現監控等重要的任務，可以有效改變過去長期無法及時、完整、準確掌控電力用戶信息的落后局面，在系統各層面上滿足用戶的需求，實現電網公司管理現代化，進一步提升服務能力等方面具有跨越性的歷史意義。

一、電力信息采集系統

電力信息采集業務是對用戶的用電信息進行采集、監測和處理，實現用戶用電信息計量異常監測以及用戶用電信息采集、分析和管理，同時也讓電能質量被實時監控等，在用戶服務、市場管理、電費實時結算等多方面提供實時、可靠的數據。

電力用電信息采集系統分主站層、通信信道層和采集設備層三層。[1]主站與其他應用系統和公網信道是由防火墻分離開來，單獨組網。在主站層里有前置采集平臺、營銷采集業務應用以及數據庫管理三部分組織。前置采集平臺管理和調查各種與終端的遠程通信;營銷采集業務應用讓系統的各部分應用功能得到充分得到充分發揮;數據庫管理實現用電終端的用電信息有效管理，并擔負起協議解析職責。實現這三種功能，需要由前置采集服務器、營銷系統服務器以及相關的網絡設備組成主站網絡的物理結構。采集設備層的主要任務是收集和提供整個系統的原始用電信息，是整個系統的底層，又分為計量設備層、終端子層兩個子層，分別負責實現電能計量和數據輸出和收集用戶計量設備的信息、處理和凍結相關數據，并實現與上層主站的交互等。而主站層和采集設備層之間的最重要使是通信信道，為主站和終端信息交互提供平臺。目前有230MHz電力無線專網、GPRS/CDMA無線公網以及光纖專網等通信信道，而無線技術的應用更能滿足系統需要，其可靠性和穩定性成了當前的研究重點。

用電信息釆集系統主要有五大功能，分別是系統數據采集、系統接口、運行維護管理、數據管理及控制和綜合應用。數據采集主要是根據業務要求編制自動采集任務，例如任務類型和名稱、采集周期和群組、正常補采次數以及執行優先級等信息，對任務執行情況進行管理;系統接口主要是與其他應用系統進行連接;運行維護管理功能是對密碼、權限、檔案、通信與路由、終端、運行狀況、故障記錄、報表等方面的內容進行有效管理;數據管理及控制功能包括對數據的計算、檢查、分析、存儲等內容進行管理以及對電量、功率、費率、電纜催收等內容進行控制;綜合應用功能主要是提供異常用電分析、有序用電管理、自動抄表管理、用電分析、電能質量數據統計等服務。用電信息采集首先由主站對集體終端進行對時，統一時間后終端進行采集工作狀態，按設定的時間間隔進行定時抄表、存儲并通過無線信道傳數據到后臺，如無線信道不穩定時，后臺會自動再次生成相應的補救命令追補數據，最后后臺對數據進行處理。整個采集過程，業務通信具有整點時刻定時抄表，重傳補數的特點，保證在業務通信失敗的情況下還可以再次重新傳采集數據，實現信息采集可靠性。

二、無線通信信道技術特點與數據丟失規律分析

1.無線通信信道技術的特點

利用信道的統計特征進行分析是無線通信信道技術的重要特征之一。無線通信信道分為小尺度衰落和大尺度衰落兩種衰落大體。小尺度傳播是指信號在短時間內瞬間產生的變化，而大尺度傳播指的是在相關長的一段時間內信號平均功率的變化。信道的相位、振幅會受到多徑傳播和多普勒頻移兩者的影響，產生信號頻散和時間選擇性衰落。衰落也根據大小將小尺度衰落分為選擇性頻率衰落和平坦衰落。在電力系統無線通信應用中通常有如高斯噪聲、白噪聲、窄帶高斯噪聲等多種噪聲陪隨著信號的傳輸，短時衰減是他們其中最大的特點，最大可以達到60～70dB。無線通信信道技術噪聲有突發性的脈沖噪聲、自然噪聲、同步周期性脈沖的噪聲、異步周期性脈沖的噪聲。突發性的脈沖噪聲顧名思義是指網絡上開關的操作或者發生閃電時產生一系列脈沖噪聲影響到非常寬的頻帶，以致脈沖噪聲密度比背景噪聲的功率譜密度高出50dB;自然噪聲即是指如閃電、雷擊、電焊等自然界各種各校的電磁波造成的自然噪聲;同步周期性脈沖的噪聲是電力設備按照50Hz或者100Hz來工作的頻率產生的脈沖，功率隨頻率增加而減少;異步周期性脈沖的噪聲是由于大功率電器的開關發生周期星的開閉動作導致噪聲產生，重復率主要集中50～200范圍之內。

2.電力無線通信數據丟失規律

不同地區電力負荷的特性不同，影響電力負荷的因素也不完全相同。[2]電力用電信息采集業務的主要任務是對居民用電信息進行采集與監控，無線通信往往會受到電磁干擾的影響。對用電信息采集無線通信網絡進行數據分析，指在根據電磁干擾造成數據丟失規律，結合信息采集業務的應用環境特點，調整選用合適的控制策略，以保證用信息采集業務的可靠性。分析數據丟失規律，首先要統計出24小時內居民用電負荷與時間的關系特性，并結合用電負荷量得出階梯獎業務量模型，再根據模式作出規律性變化分析。

在統計電力用戶用電負荷狀況時，節選廣州某居民區生活和工作用電負荷24小時規律變化為例，通過采樣、統計、整理得出一天內的用電負荷曲線，如圖1所示：

其中，負荷比值=瞬時負荷量/24小時平均負荷量。由圖1可以看出，01：00～05：00時間段為居民的休息時間，全天進行用電量低谷;05：00～08：00時間段，居民起床、做飯、上班等，用電量略有所回升;08：00～12：00時間段為居民上班時間，使用各種電器設備，用電量明顯上升，而12：00～13：00為午餐午休時間，用電量隨著部分活動的停止而呈小幅下降;13：00～18：00又進入工作期間，用電量也相應上升;18：00～20：00時間段是居民回家做飯時間，用電量逐漸增加;20：00～23：00時間是大多數人在家休息，如電視、空調等大功率電器大幅啟動，多數娛樂場所也進行一天的高峰，此時處于用電高峰期，在21：00附近進入一天用電最高峰，隨后便有所下降，至24時多數居民已休息，用電量又逐漸步入一天的低谷。

電力無線通信數據丟失率與電磁干擾因素呈正相關關系，一般而已，電磁干擾因素越大，電力無線通信信道數據據丟失率就越大。結合居民用電負荷曲線，將一天分成五個時間段，依次為K23：00-6：00;K6：00-12：00;K12：00-18：00;K18：00-20：00;K20：00-23：00。五個時間段的居民用電量呈遞增趨勢，設20：00的用電負荷比值為K20：00，那么K20：00-23：00段的平均負荷比值為：

K20：00-23：00=（K20：00+K21：00+K22：00）/3

同理可求得其他四個時間段的平均負荷比值，可以得到五個級別的通信數據丟失率階梯模型，可以總結電力無線通信數據丟失規律是隨著用電量的變化而變化。在接入過程中應當充分根據此規律的特點而設計不同的控制方式，從而最大限制提高無線資源的利用率。

三、無線通信技術在系統中的應用

用電信息采集系統通信分為有線通信和無線通信。無線通信又分為無線專網和無線公網。一般而言，變電站采集終端采用有線的光纖通信方式，保證采集實時性強;高壓客戶采用230 MHz專網或無線公網方式;而低壓客戶幾乎都是采用無線公網通信方式。由于居民用電信息采集中，一個公用配變電下有大量的電力用戶，而且具有用電容量小、計量點分散等特點，本地信道方式將大量的電力用戶信息集中再往系統主站傳輸是一個低成本的無線通信技術應用方式。因此，用電信息采集系統無線技術的應用主要介紹微功率無線通信、低壓窄帶電力線載波、低壓寬帶電力線載波三種本地信道通信方式的應用。[3]

微功率無線通信是指采用WSN（Wireless Sensor Networks）技術的無線通信方式。WSN是一系列微功率通信的總稱，綜合了嵌入式系統技術、傳感器技術、網絡無線通信技術、分布式信息處理技術等，通信微型傳感器節點對用戶進行實時的感知和監控，利用每個傳感器具有無線通信功能組建成一個無線網絡，將數據傳輸到監控中心，非常適用于低成本、測量點多、范圍分散的低壓場合。應用WSN技術克服了傳統數據對點無線傳輸模式的局限性，自組織性、拓撲結構動態性、網絡分布式特性等較為明顯，而且通信能力、抗干擾能力都比較強，無需要安裝，功耗低，具有很強的成本優勢。無線數據支持雙向傳輸，既可以上傳電能表的數據，又可以接收集中器下發的命令，還可以中繼來自其他節點數據。通信流程如圖2所示：

電能表通過無線采集節點傳輸到中繼節點，并由集中器進行處理。集中器下發命令數據，目標無線采集節點就會通過多個中繼節點收到命令，甚至可以直接收到，然后轉發給電能表。還也可以利用無線網絡實時性強的優點，將突發事件通過無線節點主動上傳到后臺，有效地實現故障報警、實時監控、防竊電。對于測量點相對分散、集中裝表、用戶負載變化大、載波不穩定等場合非常適用。

低壓窄帶電力線載波通信指的是載波信息范圍限制在500kHz以內的低壓電力線載波通信。配電線主要用于傳輸50Hz大功率電力，配電線連接各種設備將會影響到傳輸的通信信號，特別是近年來變頻家用電器大量使用，對信道的穩定性造成巨大的干擾，主要表現為阻抗不穩定、噪聲顯著、信號衰減嚴重，并且這兩個因素隨著時間和頻率變化而變化。窄帶載波通信技術可以雙向傳輸，不再需要另外通信線路，具有較強的適應性，而且具有容易安裝的特點，對于低壓用戶數據采集是個很好的應用。但其數據傳輸速率較低，容易受到噪聲大、信號衰減的影響，在通信可靠性方面還存在著一定的技術障礙。因此，在應用時應當利用軟硬件技術結合，完成組網優化窄帶載波通信，對于一些用電負載特性變化較小、電能表分散布置困難的區域具有一定的應用價值。

寬帶電力線載波系統工作在1～40MHz頻率范圍，成功避開了kHz頻段帶來的干擾，并通過擴頻調制或者正交方式來獲得兆級以上的傳輸速率。這種電力線寬帶通信調制技術把信道帶寬分成N個正交的子信道，每個子信道呈現相對性和平坦特性，將這些子信道看成理想信息。由于低壓臺區電力線上的高頻傳輸信號往往會衰減得比較快，需要通過時分中繼、自動中繼、頻分中繼和智能路由計算等多項技術手段實現整個低壓電力通信網絡重構并通信。

這種通信技術具有較高的抗干擾能力，適應性強，可以同時承載多個業務并對各個任務進行并發處理。同時有單跳通信距離受限、信號衰減大等局限性。在應用時還需要采用路由、中繼等行之有效的優化措施。根據寬帶載波的短距離和少分支特性，應當重點應用于城鄉公變區供電區域、電表集中安裝居民區等，電能表數據采集效果和經濟性均優于其他的抄表方式。

四、結語

智能電網建設體現一個國家電力發展水平。而智能用電是智能電網的一個重要組成部分，其建設水平直接關系到我國電網經濟運行、使用效率、有序用電等諸多問題。用電信息采集系統自動化、智能化為智能用電服務提供有力的技術。本文在分析用電信息采集系統、無線通信技術特點的基礎上對微功率無線通信、低壓窄帶電力線載波、低壓寬帶電力線載波三種本地信道通信方式進行討論，旨在為國家智能用電服務提供支持。

參考文獻：

[1]韓勇，劉柳，顧博.電力用戶用電信息采集系統主站軟件設計[J].電網技術，2013，（2）：82-83.

[2]陳建.電力負荷預測方法[J].渤海大學學報（自然科學版），

2006，27（2）：142.

[3]李靖波，劉曉忠.低壓電力用戶用電信息采集本地通信方式比較[J].電力系統通信，2010，（8）：62-63.

（責任編輯：王祝萍）