基于22標準集中器的高頻采集技術研究

滕培青 谷呈星

收稿日期：2023-09-19

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.002

摘? 要：隨著數字時代的到來，電力系統逐漸向著智能化方向發展。為了實現用電信息的高可靠性和高實時性采集，國家電網公司推出了22標準I型集中器用電采集終端系列規范，對高頻采集提出更高要求。為滿足電力系統的發展需求，該論文采用理論與實驗相結合的方法對高頻采集進行了研究，首先介紹了高頻采集的研究背景及理論基礎，其次提出了高頻采集APP通信模型和協議機制，最后展示了高頻采集現場應用成果，證明了所提方案的優越性。高頻采集技術對有效開展供電線路老化趨勢分析，監測電網電壓質量和負荷波動情況具有重要意義。

關鍵詞：能源互聯網；22標準I型集中器；電力系統；高頻采集

中圖分類號：TN929.5；TM933.4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）07-0007-04

Research on High Frequency Acquisition Technology Based on 22 Standard Concentrators

TENG Peiqing， GU Chengxing

（CET Shandong Electronics Co.， Ltd.， Ji'nan? 250101， China）

Abstract： With the advent of the digital age， the power system is gradually developing towards intelligence. In order to achieve high reliability and real-time acquisition of electricity information， State Grid Corporation of China has launched the 22 standard Type I concentrator electricity collection terminal series specification， which puts higher requirements for high frequency acquisition. To meet development needs of the power system， this paper adopts a method combining of theory and experiment to study high frequency acquisition. Firstly， the research background and theoretical basis of high frequency acquisition are introduced. Secondly， the communication model and protocol mechanism of the high frequency acquisition APP are proposed. Finally， the on-site application results of high frequency acquisition are presented， proving the superiority of the proposed scheme. High frequency acquisition technology is of great significance for effectively analyzing the aging trend of power supply lines， monitoring the voltage quality and load fluctuations of the power grid.

Keywords： energy internet; 22 standard Type I concentrator; power system; high frequency acquisition

0? 引? 言

隨著能源互聯網[1]的發展，電力市場用戶對于電能表電壓、電流等高頻數據采集需求不斷增長[2]。國家電網公司在加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯網企業的目標下，加大了“云、管、邊、端”設備從上到下部署新產品的研發工作[3]。22標準I型集中器在“云、管、邊、端”體系中具有重要地位，是集配電臺區供用電信息采集、電能表或采集終端數據采集、設備狀態監測及通信組網、就地化分析決策、協同計算等功能于一體的智能化用電采集終，采用“硬件平臺化、功能軟件化、結構模塊化、軟硬件解耦、通信協議自適配”的設計思路[4]，是低壓配電物聯網的關鍵設備，符合新一代配電物聯網“全面感知、廣泛互聯、邊緣計算、數據融合、智能應用”的思想[5]。

與19標準終端相比，22標準I型集中器的用電信息采集功能要求發生了變化。第一，集中器的抄表任務加大從窄帶的路由主動、集中器主動抄表機制向并發抄表機制調整。第二，集中器中會存在多種采集方案，任務執行頻率差別很大，從節點類型多種多樣，任務需要進行更合理的調度。短周期任務和長周期任務要按照任務優先級穿插進行，普通表計采集任務和重點表計采集任務也要如此，不能出現長周期任務擠占短周期任務，普通表計擠占重點表計采集任務的現象。與19標準終端相比，22標準I型集中器的設計思想也發生了重要變化：1）硬件采用平臺化設計，支持邊緣計算框架。2）通信協議采用自適配思路設計，軟件采用容器化設計，做到功能間不相互影響又能夠互相耦合。這些變化使得22標準I型集中器具有非常巨大的優勢。硬件與軟件實現了最大限度地解耦，能夠以軟件定義的方式實現功能需求。終端能分解成多個獨立、通用的功能模塊，靈活性得到大大增強。22標準I型集中器可以按各地區的實際需求安裝相應的應用，可擴展性強，升級方便。而且軟件的容器化能實現業務隔離，安全性更強。

22標準I型集中器在兼容現有用電信息采集業務基礎上，實現電能表電壓、電流、等電力負荷數據的分鐘級高頻采集，支撐供電線路老化趨勢分析，監測電網電壓質量和負荷監測分析等業務的應用，在實現新型電力系統[6]的智能化道路上扮演者舉足輕重的角色。

1? 高頻數據采集的理論基礎

22標準I型集中器主要依靠高速電力線載波通信技術（HPLC），實現電力用戶負荷數據的高頻采集。HPLC技術是利用電力線作為通信介質進行數據傳輸的一種通信技術[7]，其信道傳輸主要采用了OFDM技術，使得各傳輸子信道之間相互正交，能消除各個子信道之間的相互干擾，提高頻帶利用率[8]。OFDM技術用到的主要公式如（1）所示：

；0≤k≤（M-1）（1）

式中，X（tk）與h（n）為一對傅里葉變換，OFDM技術的調制解調可利用IFFT反向快速傅里葉變換和FFT快速傅里葉變換實現。

HPLC技術通信速率范圍為0.5～12 MHz，通信速率遠大于1 Mbit/s，具有通信速率高、時效性強、抗干擾能力強以及傳輸可靠性高等特點[9]。HPLC的網絡拓撲結構如圖1所示，其通信網絡是一個多級關聯的樹狀，以中央協調站CCO為中心，代理協調器PCO為中繼，完成多個站點STA的多級鏈接，CCO完成網絡控制和維護，對應用電信息采集系統中的集中器。STA是安裝在電表和采集器間的通信設備單元。

圖1? HPLC的網絡拓撲結構圖

高頻采集系統本地通信架構由集中器、采集器和計量裝置等設備組成，各設備間通過HPLC通信協議在電力系統中組網。在原有采集系統的基礎上，高頻采集做的改進如下：1）集中器與主節點CCO之間，采用Q/GDW1376.2協議通信。集中器的主節點CCO和從節點采集器或者電能表的STA模塊之間，采用HPLC電力線載波通信協議。2）采集器和STA與電能表之間，采用DL/T-698.45或DL/T-645協議通信。

2? 高頻采集軟件APP通信模型

22標準I型集中器軟件架構如圖2所示，分為系統APP和用戶APP，終端的APP之間通信使用消息總線框架，APP之間的交互全部通過消息總線進行。消息驅動支持IPC、TCP、UDP、MQTT等多種模式，可根據系統資源及運行環境靈活剪裁僅支持其中一種或多種。

圖2? 終端軟件架構

22標準I型集中器部署的APP符合《用電信息采集系統技術規范 第4部分：軟件及接口技術要求》，多種APP協調配合共同實現電力用戶高頻數據采集，各軟件APP名稱及功能如下：

系統管理器：終端中有且僅有一個系統APP，即系統管理器，命名為“smiOS”，系統管理器負責終端內APP的管理以及系統監控，確保系統穩定可靠運行。

安全管理：安全管理APP負責管理安全模塊訪問權限，負責引導程序、內核及應用APP的驗簽及啟動管理，負責SSAL（國家電網公司安全應用層協議）鏈路層加解密等，安全管理APP命名為“secReinf”。

低壓集抄：電能表數據、狀態量采集，數據凍結、統計、電能表運行狀況監測，參數設置與查詢，事件記錄與主動上報，數據傳輸和安全防護。

數據中心：數據中心負責對整個系統的數據存儲管理、數據服務，數據中心命名為“dbCenter”。各APP通過消息總線與數據中心進行交互。

采集任務調度管理：采集任務調度管理負責所有采集任務的管理，通過采集任務的配置執行相應抄表過程，數據采集結果存儲到數據中心，實現數據共享。

本地通信管理：本地通信管理APP負責終端本地通信模塊（CCO）的管理，遵照相關流程完成對CCO的初始化和檔案同步，通過CCO實現與STA節點的數據交互。本地通信管理APP命名為“ccoRouter”。

串口管理：串口管理APP負責終端的RS-485和CAN接口的通信管理，實現報文傳輸。串口管理APP命名為“uartManager”。

電力用戶數據高頻采集軟件APP交互模型如圖3所示。

圖3? 高頻采集軟件APP交互模型

3? 高頻數據協議機制

22標準I型集中器主要依靠HPLC實現電力用戶負荷數據高頻采集，利用HPLC高速率特點，可以有效提升電能表自動抄表成功率；HPLC本地通信模塊提供并發通信能力來提升應用層通信速率，主要從兩方面來并發：一是集中器與電表之間不采用一問一答制，集中器可以同時抄讀多個電表對象；二是每幀Q/GDW 1376.2可以包含多幀電表協議（DLT645或DLT698.45包含多個OAD）。集中器最多可同時并發13幀抄表幀，大大提升了應用層通信速率。

22標準I型集中器的HPLC高頻采集交互流程如圖4所示，集中器的采集任務調度管理APP檢測到需要插入抄表任務后，本地通信管理APP連續發送多個AFN=F1-F1抄表幀給CCO，當收到CCO的否認應答后，暫停發送抄表幀給CCO。當集中器接收到CCO的任意一條抄表應答報文（可能是成功或者失敗）時，集中器應再補發一幀報文給CCO，使得并發數一直保持最大數量，直到所有電表抄讀完成為止。抄表完成后，CCO將通過AFN=F1-F1上行幀將抄讀結果通過本地通信管理APP發送給采集任務調度管理APP，采集任務調度管理APP解析處理完抄讀數據后，將任務抄讀記錄存儲到數據中心供主站召測或其他APP調用。

HPLC電力線寬帶載波通信技術具有性能高、速率快、擴展性強而且不需要額外接線的優點，正越來越多地被運用到用電信息采集系統當中，但其相對較高的頻率使得寬帶單主節點采集系統在長線路傳輸和電網環境惡劣的情況下容易出現抄表不穩定或采集盲區等問題。針對這種情況，我們使用RS-485本地通信模式來輔助抄表。RS-485通信方式具有數據采集成功率高、實時性好、錯誤率低等優點。對于HPLC無法順利采集的臺區，我們可以外接II型采集器通過485通信方式實現抄表。HPLC和RS-485兩種通信方式相結合，可以適用于大多數情況進行電力負荷的高頻數據采集[10]。

4? 高頻采集現場應用成果展示

22標準I型集中器高頻采集效果可在用戶采集系統主站看到，如圖5展示出了試點臺區的一天96點電壓曲線采集的部分數據。經統計，試點臺區一周內96點電壓曲線采集成功率為100.0%，滿足采集系統考核需求，證明了高頻采集方案的可靠性。

如圖6展示出了分鐘級高頻采集的電壓曲線數據，一天的數據共1 440點，從中可以體現出高頻采集的強大的采集能力，采集一天數據無漏點現象，曲線采集效率符合客戶需求，滿足當代電力系統對用電信息采集高實時性和高可靠性的要求。

5? 結? 論

隨著能源互聯網的發展，電力市場用戶智能化要求越來越高，對于電能表電壓、電流等電力負荷曲線數據高頻采集需求不斷增長，對實時性和可靠性的要求也越來越高。本文先后闡述了22標準I型集中器高頻采集技術的研究背景及理論基礎，提出了一種實現高頻采集的軟件APP通信模型，介紹了一種HPLC高頻電力線載波和RS-485通信技術相結合的高頻數據通信協議機制，并展示了22標準I型集中器高頻采集技術在試點臺區的應用成果。在未來，隨著22標準用電采集終端的廣泛應用，電力負荷高頻采集技術必將成為市場和客戶關注的重點。通過高頻采集技術，終端采集所有表計的日凍結數據，可以用于電量發行及日用電量分析；采集24～96點電壓、電流、功率因數等實時用電數據，可以用于供電質量相關指標分析；采集前一天的負荷曲線或小時凍結信息，可以用于精細時段的線損分析。這些功能有助于實現電網供能能力與用戶用能需求的平衡，能引導用戶低谷用電、高峰放電，提高客戶側深度參與電網調節的能力，提升電網的運行效率和用戶的用電經濟性，助力國家綠色發展，具有深刻而廣泛的研究意義。

參考文獻：

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作者簡介：滕培青（1998—），女，漢族，山東泰安人，助理工程師，本科，研究方向：電力信息采集；谷呈星（1996—），男，漢族，山東濟南人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：無線網絡通信。