用電信息采集系統中無線通信技術的應用

高博凱

（國網陜西省電力有限公司延安供電公司，陜西 延安 716000）

0 引 言

無線通信技術在用電信息采集系統中的應用是一種新興的研究方向，具有重要的理論意義和實際價值。在用電信息采集系統中應用無線通信技術，可以避免傳統有線通信技術的布線復雜、維護困難、易受損壞及可擴展性差等缺點，提高用電信息采集系統的通信效率、通信質量、通信安全性及通信靈活性等，為智能電網的建設和運行提供更好的服務。

1 無線通信技術的特點及發展

1.1 無線通信技術的特點

根據頻率范圍的不同，無線通信技術可以分為低頻、中頻、高頻、超高頻、微波及毫米波等。不同頻率的無線通信技術具有不同的傳播特性和應用場景[1]。例如，低頻和中頻的無線通信技術可以利用地波和天波的傳播方式，實現遠距離的通信，但其數據傳輸速率較低，適用于廣播和海洋通信等領域；高頻和超高頻的無線通信技術可以利用電離層反射和對流層散射的傳播方式，實現中遠距離的通信，數據傳輸速率較高，適用于無線電業余和衛星通信等領域；微波和毫米波的無線通信技術主要利用直線傳播的方式，實現近距離通信，數據傳輸速率非常高，適用于移動通信和雷達等領域。

1.2 無線通信技術的發展

無線通信技術的發展經歷模擬通信和數字通信2 個階段。模擬通信指將信息信號直接調制到載波上，然后通過無線電波傳輸，再經過解調和放大等處理，還原信息信號[2]。模擬通信的主要優點是技術成熟、設備簡單、成本低廉，主要缺點是抗干擾能力弱、信噪比低、通信質量差、系統容量小及安全性差等。數字通信指將信息信號轉換為數字信號，然后通過編碼、調制等處理，再通過無線電波傳輸，最后經過解調、譯碼等處理還原數字信號。數字通信的主要優點是抗干擾能力強、信噪比高、通信質量好、系統容量大及安全性好等，主要缺點是技術復雜、設備昂貴、時延較大等。

2 無線通信技術在用電信息采集系統中的應用

2.1 用電信息采集系統的體系結構

用電信息采集系統作為供電企業的重要工作平臺，在多方面發揮著關鍵作用。該系統主要由采集主站、通信信道及終端設備組成，其組成結構如圖1 所示。

圖1 用電信息采集系統邏輯框架

采集主站是整個數據采集與監控系統的核心，負責處理大量的業務應用、通信調度及控制執行任務。它與前置平臺、工作站、數據庫服務器及其他網絡設備協同工作，確保系統的穩定運行。通信層主要在主站服務器與現場的終端設備之間建立穩定的信息傳輸鏈路，從而保證數據的實時、準確傳輸。集抄設備由臺區集中器和采集器組成，負責匯總和暫存來自采集器和電表的數據，并與系統上層服務器進行通信。終端設備分布在用戶現場，包括各種計量設備和輔助設備，核心任務是收集用戶的電能消費相關信息，確保數據的完整性和準確性。對于特定的電力客戶，專變采集設備負責提供更深入的數據分析和狀態檢測。采集器一般與多臺電能表連接，負責傳遞用戶的電能消費信息給集中器，確保數據的完整性和準確性。集中器作為終端設備的一部分，負責收集來自采集器和電表的信息，并將這些信息匯總和暫存，然后與系統上層服務器進行通信，實現數據的雙向傳輸。

2.2 無線通信技術在用電信息采集系統中的應用場景

2.2.1 低壓用電信息采集

低壓用電信息采集指通過無線通信技術實現對低壓用戶用電數據的實時采集或定時采集，包括電能表的讀數、電壓、電流、功率因數、有功功率、無功功率及電能質量等參數[3]。低壓用電信息采集的應用場景是低壓配電網，主要涉及住宅、商業、工業等。低壓用電信息采集的目的是實現高效、準確、可靠及安全的數據傳輸，滿足電網的計量、結算、監控及優化等需求。

2.2.2 分布式能源接入

分布式能源接入指通過無線通信技術實現對分布式能源的接入管理，包括分布式能源的識別、接入、控制、調度及保護等。分布式能源接入的應用場景是分布式能源網，主要涉及風能、光伏、儲能及燃氣等可再生能源[4]。分布式能源接入的目的是實現高速、穩定、靈活及智能的數據傳輸，滿足電網的平衡、協調、優化等需求。

2.2.3 智能電網監控

智能電網監控指通過無線通信技術實現對電網的實時監控和故障診斷，包括電網的狀態量、故障量、告警量及事件量等。智能電網監控的應用場景是智能電網，主要涉及輸電、變電及配電等電網設施。智能電網監控的目的是實現高容量、高質量、高效率及高智能的數據傳輸，滿足電網的安全、可靠、經濟及環保等要求。

2.3 無線通信技術在用電信息采集系統中的應用效果和性能指標

無線通信技術在用電信息采集系統中的應用效果和性能指標，主要反映無線通信技術在可靠性、實時性、安全性及經濟性等方面的優勢和局限[5]。無線通信技術包括微功率無線通信、RF Mesh、ZigBee、M-Bus、通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）以及長期演進（Long Term Evolution，LTE）等，各自的特點和適用場景如下。

2.3.1 微功率無線通信

微功率無線通信是一種利用微波頻段（433 MHz、868 MHz、915 MHz 等）進行短距離、低速率信息傳輸的無線通信技術，適用于低壓用電信息采集、需求響應管理等應用場景。微功率無線通信能夠實現低壓用戶用電數據的高效、準確、可靠及安全傳輸，滿足電網的計量、結算、監控及優化等功能。微功率無線通信的性能指標是通信速率為1.2 ～100 kb/s，通信距離為100 ～1 000 m，通信成功率為95%以上，通信延時為10 s 以內，通信功耗為10 mW 以下。微功率無線通信的優點是功耗低、成本低、抗干擾強及安全性高，缺點是速率低、距離短、容量小，不適合大規模網絡的組建和高速數據的傳輸。

2.3.2 RF Mesh

RF Mesh 是一種利用射頻頻段（2.4 GHz、5.8 GHz等）進行中距離、中速率信息傳輸的無線通信技術，適用于智能電網監控和分布式能源接入等應用場景。RF Mesh 利用多跳路由的方式，實現電網設施的實時監控和故障診斷，滿足電網的安全、可靠、經濟及環保等要求。RF Mesh 的性能指標是通信速率為10 ～10 000 kb/s，通信距離為100 ～5 000 m，通信成功率為98%，通信時延為1 s，通信功耗為100m W 以下。RF Mesh的優點是覆蓋廣、速率高、實時性好及兼容性強，缺點是功耗高、成本高、干擾多及安全性低，需要結合加密算法和相應的安全機制開展通信工作。

2.3.3 ZigBee

ZigBee 是一種利用2.4 GHz 頻段進行短距離、低速率信息傳輸的無線通信技術，適用于智能家居、智能表箱及智能分支箱等應用場景。ZigBee 通過將家庭網關（智能電表）與用戶戶內可控的電器或裝置連接起來，使用戶能夠積極參與需求響應。ZigBee 的性能指標是通信速率為20 ～250 kb/s，通信距離為10 ～100 m，通信成功率為99%以上，通信延時為0.1 s 以內，通信功耗為1 mW 以下。ZigBee 的優點是功耗低、成本低、網絡靈活及傳輸穩定，缺點是速率低、距離短、容量小，不適合大數據量的傳輸和復雜環境的覆蓋。ZigBee 的通信方式如圖2 所示。

圖2 ZigBee 的通信方式

由圖2 可知，通信網絡的結構設計相當精細，每1 個電表箱內都通過RS-485 有線總線形成了1 個小型的網絡。而在每個電表箱內，均安裝1 個ZigBee節點作為采集器與RS-485 網絡相連。ZigBee 節點負責將本箱內的采集數據以無線方式傳輸到安裝在臺區計量箱中的另一個ZigBee 節點，降低布線難度，提高系統的靈活性。臺區計量箱的總計量關口電能表采用傳統的RS-485 方式與ZigBee 節點相連，確保數據的完整性和準確性。

2.3.4 M-Bus

M-Bus 是一種利用433 MHz 頻段進行短距離、低速率信息傳輸的無線通信技術，適用于電能表、斷路器、開關、充電樁及傳感器等應用場景。M-Bus 的應用實現多種設備的數據采集和控制，滿足電網的多業務場景。M-Bus 的性能指標是通信速率為2.4 ～100 kb/s，通信距離為10 ～500 m，通信成功率為95%以上，通信延時為10 s 以內，通信功耗為10 mW 以下。M-Bus 的優點是功耗低、成本低、抗干擾強及安全性高，缺點是速率低、距離短、容量小，不適合大規模網絡的組建和高速數據的傳輸。

2.3.5 GPRS

GPRS 是一種利用公共移動通信網絡，如全球移動通信系統（Global System for Mobile communications，GSM）進行長距離、高速率信息傳輸的無線通信技術，適用于智能電網監控、分布式能源接入等應用場景。GPRS 利用公共移動通信網絡，實現電網設施的實時監控和故障診斷，滿足電網的安全、可靠、經濟及環保等功能。GPRS 的性能指標是通信速率為10 ～100 kb/s，通信距離為無限制，通信成功率為99%以上，通信延時為0.1 s 以內，通信功耗為500 mW 以下。GPRS 的優點是覆蓋廣、速率高、實時性好及兼容性強，缺點是功耗高、成本高、干擾多及安全性低，需要結合加密算法和相應的安全機制。

2.3.6 LTE

LTE 是一種利用公共移動通信網絡進行長距離、高速率信息傳輸的無線通信技術，適用于智能電網監控、分布式能源接入等應用場景。LTE 利用公共移動通信網絡，實現電網設施的實時監控和故障診斷，滿足電網的安全、可靠、經濟及環保等功能。LTE 的性能指標是通信速率為10 ～10 000 kb/s，通信距離無限制，通信成功率為99%以上，通信延時為0.1 s以內，通信功耗為500 mW 以下。LTE 的優點是覆蓋廣、速率高、實時性好及兼容性強，缺點是功耗高、成本高、干擾多及安全性低，需要結合加密算法和相應的安全機制。

3 結 論

文章從無線通信技術的基本原理和特點、無線通信技術在用電信息采集系統中的應用場景和需求、應用方案和技術特點、應用效果和性能指標等方面，全面分析和研究無線通信技術在用電信息采集系統中的應用，為相關領域的學術研究和工程實踐提供參考。