用电信息采集系统通信技术

徐文涛

国网宁夏电力公司电力科学研究院供电服务中心

本文通过结合实际应用情况，对用电信息采集上行和下行通信技术优、缺点的分析，验证了用电信息采集系统各种通信方式及组网方案的可行性，对用电信息采集系统建设通信方式的选择提出了指导意见，为用电信息采集系统建设完善和提升提供了技术支撑。

引言

自2010年智能电能表推广应用和用电信息采集系统建设全面推进以来，安装了大量智能电能表，截至目前，智能电能表应用覆盖率居全国第一。随着用电信息采集系统接入用户数量的快速增加和系统功能实用化的稳步推进，通信信道的传输速率、稳定性、可靠性等已成为提升用电信息采集系统建设应用效果的关键点。

通信技术是用电信息采集系统功能实现的重要基础，通信技术的性能、承载能力保证了用电信息采集系统功能的多样性和数据的安全性，在整个系统中起着至关重要的作用。用电信息采集系统采用的通信信道可分为远程通信信道和本地通信信道两类，远程信道主要有GPRS 无线公网、CDMA 无线公网、光纤专网、230MHz 专网等，本地信道主要有窄带载波、宽带载波、RS-485 通信、微功率无线等。用电信息采集系统应用的通信技术类型多样，通信效果参差不齐，各种通信方式差异性较大，系统功能实用化效果也存在一定程度的差异。为实现用电信息采集系统“全采集”的目标，本文通过比较各类用电信息采集通信技术的优劣，在不同环境下，对各类本地通信方式进行测试和分析，提出了用电信息采集通信信道应用的意见。

影响用电信息采集通信的因素

智能电能表是智能电网的重要组成部分，用电信息采集系统是营销业务应用重要的数据支撑平台。用电采集系统主站是对电力用户的用电信息进行收集、处理和实时监控的核心，可实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。

远程通信技术

远程通信信道是指各类采集终端与采集系统主站之间的通信接入信道。远程通信技术包括：GPRS/CDMA 无线公网、光纤专网、230MHz 无线专网等。

无线公网通信是指利用网络运营商（移动、联通、电信等）的无线网络和终端产品完成电力用户用电信息采集，主要是采用GPRS 和CDMA 网络，并有少量的3G 网络。无线公网使用简单，快捷方便。截至目前，用电信息采集系统96%以上的数据都是采用无线公网通信的方式上传到采集主站。

230MHz 是根据国家无线电管理局国无管【1991】5号《关于印发民用超短波遥测、遥控、数据传输业务频段规划的通知》技术要求所使用的频段，其中分配给电力负荷监控系统使用的有十五对双工频点和十个单工频点，这些频点在其它系统不许使用，为230MHz 无线专网通信系统的可靠性、实时性提供保证，是十分宝贵的频率资源，详细频点见表1。

主站系统和变电站、开关站等站点之间已基本建成SDH 光纤骨干网。采集系统远程通信光纤专网的建设重点就是建设EPON 光纤接入网，将光纤专网从变电站、开关站等重要站点向下延伸至开闭所、环网柜、开关柜和台区变压器等，这些地方也是放置集中器和ONU 的地方。OLT 放置方式比较灵活，可以根据情况选择放置在变电站，也可以向下延伸放置在开闭所，这样可以进一步拓展EPON 网络的覆盖范围。

本地通信技术

本地通信通道是指各类采集终端与电能表之间的通信信道，本地通信方式包括：电力线载波通信技术（分为窄带、宽带两种）、微功率无线技术、RS-485 总线等。

电力线载波通信（Power Line Communication）简称PLC，是指利用电力线作为通信介质进行数据传输的一种通信技术，它是将所要传输的信息数据调制在适于电力线介质传输的低频或高频载波信号上，并沿电力线传输，接收端通过解调载波信号来恢复原始信息数据。

微功率无线通信技术采用自组织网络构架，其发射功率不大于50mW，工作频率为公共计量频段470MHz～510MHz。用电信息采集微功率无线通信系统具有7 级中继深度，在低功率发射的情况下，开阔场地点对点通信距离可达300 米，在实际的居民用电环境中，通过多级中继路由，有效通信覆盖半径达到300～1000m。

RS-485 是将专变采集终端、载波采集器、无线采集器，或II 型集中器与电能表之间采用两线制建立连接，实现数据通信的符合TIA/EIA-485 串行通讯标准的总线协议。

用电信息采集通信技术分析

远程通信技术分析

表1 用电信息采集系统230MHz 无线专网工作频点

表2 远程通信技术比较

远程通信技术包括：①无线公网（GPRS、CDMA、3G）；②无线专网（TD-LTE230MHz、230MHz）；③光纤通信技术（EPON 通信技术）。多种远程通信技术性能比较如表2 所示。

远程通信技术性能指标综合对比

无线公网优劣分析

优势：①无需建设网络，网络建设由运营商投资；②初始投资低，通信SIM 卡费用约每年60 元/张；③网络资产归属运营商，电力企业无需承担网络运维；④无线网络接入方便，在信号覆盖区域内，即插即用。

缺点：①长期、大规模应用将产生大量的租用费用，数据流量统计不透明；②部分区域GPRS/CDMA 等无线公网终端在线率较低，不能很好的满足费控等实时性要求较高的业务；③业务应用依赖于运营商提供的网络资源，应用水平和推广进度受制于公网建设程度，部分区域通信未覆盖；④公网通信首先满足公共用户业务应用，无法保障实时性、延时等服务质量要求，且运营商网络维护并不通知电力公司，电信业务语音优先；⑤存在公网系统升级换代风险，目前使用的GPRS/CDMA 是2G 网络，未来运营商将网络升级至3G 后，运营商2G 网络资源会大幅下降，服务质量更难以保证；⑥网络覆盖区域与供电区域不完全一致，有可能导致漫游费用；⑦用电信息采集终端安装位置存在无线公网覆盖盲点；⑧随着终端数量的不断增加，存在用户密集区域无线公网信道接入能力有限，造成终端争抢信道现象，使该区域终端稳定性下降，采集成功率下降。

专网优劣分析

用电信息采集系统远程通信方式采用专网的技术有光纤专网、无线专网。

优势：①可限制流量使用，节约运行费用，长期效益明显；②灵活度高、可扩展性强，可以根据电力业务需求，自由规划网络；③实时性强，电网可以根据不同业务等级，灵活自定义业务优先级，确保实时性业务获得最优信道资源；④安全性保障机制完善，可采用认证、加密等多种安全机制，保障业务安全性；⑤可承载更多电力业务，如移动作业、应急抢修等业务，附加价值高；⑥光纤专网及无线宽带专网传输速度快、距离远、抗干扰能力强、后期扩展能力强，支持未来双向互动业务。

缺点：①投资成本高，运行维护较复杂；②无线专网和载波技术标准不统一，缺乏相关文件支撑。

本地通信技术分析

各种本地通信技术在性能指标方面差异化较大，在技术实现，工程实施、运行管理等方面也存在一定差异，具体性能比较如表3 所示。

本地通信技术性能指标综合对比

优势：①电力线窄带载波方式安装方便，适用于城网表计分层安装小区，可满足当前基本业务需求；②RS-485 通信方式从实时性、可靠性方面均优于其他通信方式，适用于城网表计集中安装小区，更利于下一代采集业务的拓展；③电力线宽带载波方式支持并发，业务承载能力强，可承载双向互动业务；④微功率无线通信方式业务承载能力较强，一般采用蜂窝状组网方式，可实现分散用户的用电信息采集。

表3 本地通信技术基本情况比较表

表4 用电信息采集系统远程通信方式效果比较

表5 用电信息采集系统本地通信方式效果比较

缺点：①电力线窄带载波局限性较多，受低压线路走向和运行状况制约较大，不能很好承载用电信息采集业务；②通讯设备布点密集，设备运维和RS-485 通信电缆敷设工作量较大；③电力线宽带载波方式受频率限制，传输距离较短，设备布点数量大，运维工作量大；④微功率无线通信方式由于存在多级路由，传输时延较大。

各类通信方式采集应用效果分析

目前，用电信息采集系统远程通信方式主要采用GPRS 无线公网和光纤专网，本地通信方式主要采用电力线窄带载波、微功率无线和RS-485。

各类远程通信方式应用比较

用电信息采集系统远程通信方式效果比较主要是通过采集终端在线率进行分析，具体情况如表4 所示。

通过表4 对比分析，可以看出，目前采用光纤专网通信的采集终端数量较少，只覆盖了变电站、部分居民小区用户和专变用户，通信可靠率较高，能够基本满足用电信息采集系统建设和应用需要，但是光纤通信的资金投入较大，且在居民小区内施工困难较多，且后期运维成本较大，无法实现大面积推广应用。

采用GPRS 无线公网通信的采集终端数量较多，但采集终端在线率只有88.43%，主要原因是有些偏远地区GPRS 信号未覆盖、采集终端GPRS 模块故障、SIM 卡质量问题等，但是GPRS 无线公网通信的资金投入相对较少，使用方便，可以大面积推广应用。

各类本地通信方式应用比较

用电信息采集系统本地通信方式效果比较主要是通过智能电能表采集成功率进行分析，具体情况如表5 所示。

电力线窄带载波通信方式具有安装方便、投资少的特点，该种方式应用与城市表计分层安装小区，但采集成功率较低，主要原因为窄带载波通信模块信号输出功率太低、电力线载波通信信号衰减严重、现场线路与用户对应关系错误、通讯速率较慢等，导致采集成功率较低。如果能将上述影响电力线窄带载波通信方式的问题解决，该种本地通信方式是将具有较大的竞争实力，可以大范围推广应用。

微功率无线通信方式是在三种本地通信方式中占比最大，因为该种方式具有业务承载能力较强、组网方式先进、实时通讯速度加快的特点，目前农网用户全部采用该种方式进行采集，但采集成功率未达到国网公司要求，主要原因有：①受GPRS 信号制约，部分偏远地区集中器离线；②各品牌模块与集中器无法实现互联互通，制约上线调试工作；③系统中客户档案存在问题，下发至集中器后无法对电能表进行采集。该种通信方式的应用应结合台区现场运行情况而定，建议在农村地区或用户较为分散地区使用。

RS-485 通信方式具有实时通信速率快、稳定性高等特点，但设备安装和RS-485 通信电缆敷设工程量较大。目前采用该种通信方式主要用户城市表计集中安装小区，但受到GPRS 信号覆盖、现场接线、SIM 卡故障等因素制约，该种方式采集成功率也未达到要求，该种通信方式建议在城市单元表计集中安装小区使用。

结语

综上所述，从业务带宽速率和稳定性综合比较，“光纤专网+RS-485”的组网方案具备高速率、高可靠性、高实时性和高安全性，能够同时满足多种用电信息采集业务应用需求，尤其在费控业务、电费服务、有序用电等方面优于其他方案，是用电信息采集系统最理想的传输信道组网方案。现阶段“无线公网+窄带载波”等通信方式虽在安全性、可靠性上稍差，但也可满足当前基本业务需求。由于未来业务需求量较大，对通信实时性、可靠性要求较高，宜采用“光纤专网+RS-485/宽带载波”、无线专网+RS-485/宽带载波等通信方式的组网方案。