微功率无线自组网抄表系统的设计与应用

周立志，占玉兵，夏峰，岳鹏

(国电南瑞科技股份有限公司，南京市，210061)

0 引言

随着智能电网在全国的深入推广，电力管理对数据的采集和传输手段要求越来越高。由于电力行业终端用户数量庞大，并且现场环境复杂，所以传统的抄表模式已经不能满足需求。

无线自组网技术是一种近距离、低功耗、低成本、高可靠性的高速双向无线通信技术，是移动Ad-Hoc网络的特殊形态，其早期研究源于移动Ad-Hoe网络的研究与开发［1］，也可以视为一种WLAN和Ad-Hoc网络的融合，兼顾了两者的优势，具有独特的优点。

微功率无线数据传输能够以较快的速度将管理命令送达用电信息采集终端，并将相应的信息返回管理中心，能够克服电网中的杂波干扰，既不受电网阻抗剧烈变化的影响，也不受电网结构变化的影响，是实现“坚强智能电网”的有力工具，也是实现“全覆盖、全采集、全预付费”建设目标的重要手段［2］。

1 系统总体设计

1.1 系统硬件设计

微功率无线集中抄表系统由主站、集抄终端、电能表3部分组成。

主站由工作站和软件构成，用来接收和存储电力用户的用电数据，并进行统计分析、汇总计费和报表打印等工作，担当着整个系统的总控制及管理工作。

集抄终端包括集中器和采集器。集中器用于收集采集器或电能表的数据，并进行处理储存，同时能和主站或手持设备进行数据交换。采集器用于采集多个或单个电能表的电能信息，并可与集中器交换数据。集中器是整个无线抄表的核心单元，在整个系统中扮演着承上启下的角色，决定着整个系统的性能［3-4］，集中器的硬件系统结构如图1所示。

图1 集中器硬件系统结构Fig.1 Structure diagram of concentrator hardware system

电能表是用于测量功率的仪表，是集中抄表系统最末端的设备，电子式电能表通过标准RS 485串口通信协议直接与采集器或集中器连接，将数据传给采集器或集中器。

系统硬件采用 ARM9嵌入式平台，该平台以ATMEL AT91SAM9260为核心，板载32MB SDRAM、64MB NANDFLASH、2个RS 485接口(采集与级联)、调制型红外接口、调试用USB接口、1个远程信道用以太网、1个远程通信模块接口(用于安装GPRS/CDMA、光纤专网、PSTN等远程信道)、1个本地通信模块接口(用于安装微功率无线、宽带载波、窄带载波等本地信道)。

平台提供了多种系统接口和资源，同时与其他采集芯片通信从而实现计量、交流采样和谐波采集功能。集中器由GPRS/CDMA通信模块、ARM芯片处理单元、接口电路和电源模块组成。接口电路主要完成对下挂的其他终端数据的采集;RS 485抄表接口负责读取电能表和级联终端的数据;GPRS/CMDA模块负责和无线网络的连接和数据收发。终端的接收和发送命令通过移动GPRS/CMDA通信网络来传输，命令接收经过校验后进行相应的处理，从而实现远程读表、数据采集和异常信息主动上报等功能。

1.2 系统软件设计

终端软件以嵌入式Linux为核心，应用功能的程序采用模块化设计，方便功能的加载和裁减，可以满足不同的客户需求和功能定制，终端软件系统设计方案如图2所示。

图2 软件系统结构图Fig.2 Structure diagram of software system

整个软件系统包括操作系统层、业务支撑层、应用功能层3个部分。操作系统层主要用于实现应用软件的多任务多进程调度以及系统硬件资源的管理。业务支撑层用于提供应用软件的实时数据以及进行通信管理、任务调度、存储管理、数据库操作管理等工作。应用功能层用于实现应用软件数据分析、通信规约解析、事件处理、负控算法、人机接口等功能。

2 微功率无线通信关键技术

2.1 智能自组网技术

微功率无线组网的设计和应用涉及到多项关键技术的研究，包括新型软硬件体系结构、低耗节能及实时并发的模型、安全机制的设计理论与方法、传输通信协议栈和路由算法，以及在大范围分布、多采集点的情况下高可靠、实时性的通信技术等［5-11］。微功率无线组网技术融合了先进的自组织网络技术，不需要中央控制设施，网络中的节点既是路由器又是主机，作为对等实体连接在一起。非相邻的两节点间的通信必须通过网络中的其他节点进行转发才能实现，从而组成一个多跳无线网络，最大自组织网络具有如下5个特点。

(1)自适应:参照北美标准FCC15.247，保证能在现场复杂环境无互扰、长期可靠地运行。

(2)自组织:网络中的节点之间发送信标，知晓相互的状态信息和网络拓扑结构，任何2个节点中可能存在多条冗余通信路径。

(3)自路由:网络中的节点通过分布式的计算，实时地选择最优的路由路径，该路径具有最佳的数据可靠性和最小的功率消耗，且全智能自动路由、中继，中继级数可达20级，无需额外增加任何中继，单网最大支持1 024节点。

(4)自恢复:网络因为自身故障或外部障碍发生裂解后，能够自动恢复组网。因此可以采用超稳定的mesh网状网络构形，节点拥有多至20个邻居数，能够瞬间自我路由修复。

(5)自愈合:现实情况下的应用会不断遇到新的障碍，如脚手架、新设备或流动性车辆等，网络可以围绕这些设备重新组织。所有这一切均是自动发生的，用户不必进行任何干预，网络会选择当前最优路由路径。

网络中节点与节点之间采用全双工通信方式，支持上行和下行同时通信。

2.2 多信道随机跳频通信技术

多信道随机跳频通信技术的应用，使得网络平均随机使用分配的跳频信道，如图3所示，能在以下现实环境中极大提高数据采集成功率和现场长期抗干扰表现:

(1)无线集抄系统周边有其他类型的无线系统产生的带外干扰，如无线集群通信塔等。

(2)无线集抄系统附近有其他厂商生产且工作于同一频带的无线系统。

(3)相同厂商相邻子网的无线集抄系统同时进行，即使采用多频点错开复用配置，仍有互扰的现场环境。

图3 多信道随机动态跳频Fig.3 Schematic diagram of multi-channel random dynamic FM

2.3 智能跳频同步锁定技术

跳频同步是跳频自组网的关键技术，是网络通信的基础。该项技术是通过调整网络中各节点的时钟使其一致来实现全网同步。微功率无线网络无需人工设置信道群组，信道群组间可以智能复用，即使是多个信道群组之间也能自动完成智能复用工作。

3 无线集抄系统的现场应用

3.1 本地组网方案

为实现用电信息的及时、完整、准确采集，满足用电管理部门对基础数据和增值服务的要求，结合无线通信技术的自身特点，微功率无线网络构建的本地网络可以通过以下3种组网方案，适应工程现场的复杂性和多变性要求。

(1)方案Ⅰ:无线集中器+无线电能表(无线通信模块+单相/三相多功能电能表)，如图4所示。

图4 无线网络构建方案ⅠFig.4 Scheme I of micro-power wireless network construction

(2)方案Ⅱ:无线集中器+无线采集器+RS 485单相/三相多功能电能表，如图5所示。

图5 无线网络构建方案ⅡFig.5 Scheme II of micro-power wireless network construction

(3)方案Ⅲ:无线集中器+无线采集器+RS 485单相/三相多功能电能表+无线电能表(无线通信模块+单相/三相多功能电能表)。此方案为上述方案Ⅰ、Ⅱ的混合模式。

3.2 集抄终端的现场安装

微功率无线集抄系统中集中器应安装在现场电能表组群的相对中心位置，无线采集器或无线电能表遍布四周，以此达到最佳的组网和抄表效果。

1台集中器管辖电能表的数量以200～500块为最佳，无线集中器的安装位置和电能表的组织相对灵活，必要时可以跨台区抄表，也可以在1个较大的台区下安装多个集中器。

4 结语

目前，本文研究的微功率无线自组网集抄系统已经在北京、江苏、广东、广西、湖北、山东、新疆等多个省市得到了推广和应用，电力用户达到40万户。

从实际的应用情况看，微功率无线通信技术有着诸多技术优点，如组网快、无需人工干预、网络运行稳定、安全可靠、维护费用少、可跨台区通信等，但同样存在着同频干扰、缺乏行业规范等不足，相信随着技术和规范的进一步发展和完善，微功率无线通信技术必将在低压集抄领域中得到更加广泛的应用和发展。

［1］龙玉湘，章兢，戴瑜兴.基于ZigBee的无线抄表系统的集中器设计［J］.低压电器，2007(20):14-17.

［2］杨万里，秦毅.短距离微功率无线组网AMI技术的探讨［J］.电测与仪表，2010(3):1-5.

［3］Q/GDW 373—2009电力用户用电信息采集系统功能规范［S］.

［4］庄克玉，胡继珍，张超.低压电力无线集中抄表系统数据采集终端设计［J］.微型机与应用，2009(9):23-26.

［5］王涛.无线传感网络通信技术在用电信息采集系统中的应用［J］.环球仪表，2010(1):18-20.

［6］魏永静，徐建政，张民.对于智能小区远程自动抄表系统的相关思考［J］.电力系统通信，2006，27(2):42-45.

［7］李沙，支长义，朱郴良，等.直读远程抄表系统设计［J］.电力系统保护与控制，2009，37(19):119-121.

［8］潘旭兵.基于Si4432的无线收发模块设计［J］.计算机应用，2009，29(增刊2):189-191.

［9］吴在军，王铮，胡敏强.变电站自动抄表系统设计与实现［J］.电力自动化设备，2002，22(2):57-59.

［10］蔡子亮，赵忠彪，高荣.一种新型远程抄表系统的集中抄表器设计及通信协议研究［J］.继电器，2007，35(7):46-48.

［11］侯晨伟.基于GPRS和NRF90无线模块的电力自动抄表系统［J］.长春理工大学学报:高教版，2009，4(10):179-180.