低压配电网用电信息采集模式探讨

2011-05-29寿之奇欧阳柳

浙江电力 2011年4期

寿之奇，欧阳柳

（1.华北电力大学，北京 102206；2.浙江省电力公司，杭州 310007）

低压用电信息采集系统是国家智能电网建设中用电环节的基础性工程，通过对低压终端用户用电数据的实时采集和分析，实现用电监控、远程抄表、远程费控、负荷管理、线损分析等功能[1]。国内现有规模化应用的采集模式主要有电力载波采集模式、小功率无线采集模式和基于GPRS采集器的采集模式，本文主要对上述3种采集模式进行比较，探索符合不同环境下低压用电信息采集系统的建设模式。

1 电力载波采集模式

1.1 电力载波采集模式简介

电力载波通信技术从20世纪90年代开始运用于低压用电信息采集（低压集抄），这种采集模式由三级数据传输网络组成，如图1所示，第一级是通过RS485总线实现电能表和采集器之间的数据双向传输，第二级是通过信号频率小于500 kHz的低压电力线载波实现采集器和集中器之间的数据双向传输，第三级是通过GPRS无线公网实现主站和集中器之间的数据双向传输。

根据带宽和速率，电力载波通信可分为窄带通信系统和宽带通信系统。窄带低速芯片的指定带宽一般在3～500 kHz，多采用FSK（频移键控）、PSK（相移键控）、DSSS（直接序列扩频）和线性调频Chirp等技术。宽带高速芯片指带宽限定在2～30 MHz，采用以OFDM（正交频分复用）为核心的通信技术。基本以2 Mbit/s的传输速率为界。

1.2 电力载波采集模式的优点

（1）网络建设成本低、建设速度快。这种采集模式充分利用现有电力线资源，无需新建主传输网络，建设速度较快。此外由于这种采集技术在国内已相当成熟，相关附属设备价格也较为低廉，综合建设成本较低。

（2）运行维护通信费用低。这种采集模式一般是1个公变台区设置1台集中器，每个集中器配置1张SIM卡，以每个台区100户计，按杭州市电力局目前4元/月的GPRS通信套餐标准，平均每户每年的通信费用为0.48元。

（3）网络的延伸性好。该采集模式不受信号覆盖的制约，理论上只要电力线到达的地方就能采集到数据，比较适合偏远地区和障碍物多、不利于无线传输的区域。

1.3 电力载波采集模式的缺点

（1）信道衰减制约信号传输距离[2]。由于低压配电网结构的复杂性和负载的多样性与时变性，对高频信号而言，低压电力线实际是非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在线上任意位置随机连接和断开，因此高频信号的衰减必然存在。其次，低压电力线的非均匀性传输信号还会遇到反射、驻波等复杂现象而引起信号衰减。

（2）噪音干扰制约信号传输质量。低压电力线不同于专门的数据通信线路，低压电力线上有许多噪声和干扰源，如吸尘器、电冰箱、洗衣机等，由于电器设备开停的频繁性和不可控性导致电力线的特性不断变化，使得低压电力线通信具有时间上不可控的特点。

2 小功率无线采集模式

2.1 小功率无线采集模式简介

图1 电力载波模式现场网络结构图

图2 小功率无线模式现场网络结构图

小功率无线技术一般指发射功率在100 mW以下的无线组网技术，目前已广泛应用于能源、信息等诸多领域，比较典型的有蓝牙技术，Zigbee技术，Z-Wave技术。这种采集模式由三级数据传输网络组成，如图2所示，第一级通过RS485总线实现电能表和采集器之间的数据双向传输，第二级通过微功率组网技术实现采集器和集中器之间的数据双向传输，第三级通过GPRS无线公网实现主站和集中器之间的数据双向传输。小功率无线通信方式的频点选择较为重要，其通信效果直接影响抄表可靠性。

2.2 小功率无线采集模式的优点

（1）网络自组自管。通信节点有自组能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发数据的多跳无线网络系统。

（2）网络建设成本低、建设速度快。无线组网技术无须现场布线，减少了建设工程量和资金投入，是一种较为经济的建设模式。

（3）网络容量大。由于无线通信速度快，网络能达到几万个节点的容量，能满足台区、厂区、甚至全地区集中抄表的需要。

（4）安装维护方便。网络自组自管，完全不需要人工干预通信网络的配置、管理，安装维护比其它电力集抄技术简单方便。

2.3 小功率无线采集模式的缺点

（1）通信距离受制约的因素较多。地理环境、电磁环境、气候条件、发射机的射频输出功率、接收机的接收灵敏度、系统抗干扰能力、软件纠错、天线类型和位置及其增益等都制约了通信的距离。此外，建筑墙体对信号的衰减是影响通信距离的另一主要原因。

（2）通信质量受干扰的因素较多。同频干扰是制约小功率无线集抄的重要因素，目前广泛使用的车载寻呼、电台、对讲机、无线遥控设备等几乎都用315～500 MHz的无线频率，此外ISM频段则有更多同频设备，这对集抄信道传输质量的影响极大。此外，温度、电源电压及环境改变引起的频率漂移是影响通信质量的另一因素。

3 GPRS采集器采集模式

3.1 GPRS采集模式简介

这种采集模式的组网较为简练，由二级数据传输网络组成，如图3所示，第一级网络通过RS485总线实现电能表和采集器之间的数据双向传输，第二级网络采用GPRS专用通道[3]或内部光纤通道[4]直接和主站实现组网。这种技术被广泛运用于变电站、电厂电能量信息采集和客户负荷控制领域。2010年浙江省已开始在低压配电网规模化推广这种采集模式。

3.2 GPRS采集模式的优点

（1）采集可靠性高。两级网络均采用专用的通信网络，确保了数据传输的稳定性和可靠性。杭州市电力局各变电所、电厂关口电能量采集信息系统和现场用电管理系统均采用这种模式，历年来的一次采集数据完整率和月累计数据完整率均超过98.5%。

（2）能较好适应智能电网的发展要求。国家电网公司智能电网十二五规划已明确了基于电力线的三网融合光纤入户的具体要求，该采集模式就是基于上述技术要求建设的，能较好地满足低压配电网智能用电的发展要求。

（3）组网的灵活性高。由于采集终端和主站之间的网络选择不会影响采集侧的组网模式，因此在电力线复合光纤网未覆盖前可以先选择GPRS公网通道，光纤网建设完成后可实现灵活切换，避免重复建设。

图3 GPRS（或光纤网）采集器模式现场网络结构图

3.3 有线采集模式的缺点

（1）不宜在采集点分散区域推行。这种集抄模式非常适合集中装表社区，每路RS485总线能带32块电能表，现场建设工程量少，检修运维方便。由于每只采集器拖带的采集点数量较大，可降低通信成本。但在电能表安装较为分散的区域，则现场布线工程量大，且受RS485传输距离限制。此外，采集器拖带电能表较少也会造成通信成本增加。

（2）建设成本和运行维护成本较高。如采用光纤网络，建设成本将远高于其它集抄模式。

4 实例分析

杭州市电力局近年来开展了低压配电网客户用电信息采集系统的探索与建设，截至2010年9月，全局已覆盖低压客户16万余户，其中城区用户约14万户，农村用户约2万户，采集模式涵盖了电力载波、小功率无线和GPRS采集器三类。按城区（集中装表）和农村（分散装表）分别对3种采集模式的建设和运行维护费用及运行数据进行统计，结果如表1、表2所示。

表1 3种模式的建设和运行成本统计（均值）元/户

表1中，运行成本的差异主要体现在GPRS通信月租费，低压集抄的通信套餐约4元/月；3种模式通信租费以外的运行成本差别不大，约2.5元/户。从建设成本看，城区3种模式的成本基本相近，但农村GPRS采集器模式的建设成本比其它两种模式约高30%。从运行成本看，GPRS采集模式的运行成本较高，主要原因是该模式在采集侧只有一级网络，每只采集器在城区平均接16只电能表，在农村由于居住分散，每只采集器平均接6只电能表，而其它两种模式一般每台区1个集中器，每个集中器配置GPRS通信模块实现和主站的数据交换。因此，GPRS采集器模式通信费用明显偏高。

表2为杭州市电力局2010年5-9月的运行数据统计均值。实时数据采集成功率指一次数据采集成功率，即主站单次招测终端返回当前电能表窗口值的成功率；周期数据采集是指主站在24 h内按设置的抄读周期（一般为15 min～1 h）对电能表月冻结量进行抄读，抄读成功一次即可计入成功率，同时停止当日招测。本案例为窄带载波，频率范围在 3～160 kHz，中心频率为 120 kHz。小功率无线主频点为470M，若受到干扰会有固定频点跳频。

实时数据采集成功率和采集延时是低压配电网智能用电供用电双方交互的重要指标，也是国家电网公司推广智能费控电能表，进行远程跳闸和复电的关键性指标。周期数据采集成功率则是衡量月度远程抄表结算的关键指标。表2中的运行数据显示，GPRS采集器模式的各项指标均能较好地满足实时数据交互和远程抄表结算的要求，电力载波和小功率无线模式在实时数据交互方面有所欠缺，但能基本满足周期性远程抄表结算的要求。

5 结语

根据国家电网公司智能电网十二五规划的要求，浙江电网拟在2015年前实现对低压配电网客户计量装置的全采集、全覆盖、全费控。浙江地理环境较为复杂，城区和农村的住房结构和分布、配电网供电质量、移动公网信号强弱分布等方面差异较大。同时，目前3种主流采集模式都存在自身的技术瓶颈。因此，只采用一种采集模式来开展低压配电网客户用电信息采集系统的建设有较大的局限性。此外，城区和农村的需求侧管理也存在差异，城区对智能用电有较高的需求，而农村需求主要体现在周期性远程自动抄表上，因此区域性低压配电网用电采集系统的建设必须根据区域需求的差异化，结合环境特点、建设和运行维护成本，以多种采集模式互补的形式来开展。结合浙江低压配电网的实际特点，较为合理的低压配电网用电信息采集系统建设模式是：以GPRS采集器模式为主要采集模式，满足采集点集中、布线简单区域（城区和中心集镇）的数据采集，以小功率无线和电力载波模式作为补充形式，以满足采集点分散、布线困难区域（山区、农村）的数据采集。