用电信息采集系统建设下行通信方案浅析
2014-11-27岳振宇
岳振宇
摘 要：用电信息采集系统建设是坚强智能电网建设的重要内容，是加强精益化管理、提高优质服务水平的必要手段，是延伸电力市场、创新交易平台的重要依托。在采集系统建设过程中，应用了多种通信技术。其中，采集设备的下行通信解决方案包括电力载波通信、微功率无线通信、485通信等。
关键词：用电信息采集系统；坚强智能电网；下行通信；通信技术
中图分类号：TN915.853 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）21-0142-02
1 坚强智能电网发展战略
坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电、调度和通信信息各个环节，覆盖所有的电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”高度一体化融合的现代电网。
2 下行通信解决方案发展现状
采集系统下行通信解决方案比较多，包括电力载波通信、微功率无线通信、485通信等。其中，电力载波通信应用的较多。在20世纪80年代末至90年代中期，国内将电力载波通信应用在低压用电领域中，各厂商利用FSK、PSK通信调制技术尝试实现远程抄表业务。2001—2005年，采用集中式静态自动组网技术改善了系统抄收性能，减少现场工程维护工作量。此技术适用于通信媒介动态变化比较小的场合，且运算依赖于集中器，所以，系统的可维护性仍然比较低。2006年开始，国内几家较大载波芯片厂商开始研发以网络神经元芯片为核心的产品，从物理层、网络层、链路层等方面提升系统性能，以解决任意节点的物理层通信保障能力和具有中继控制的网络传输协议。
目前，在国网（27省）和南网（5省）共32个网省公司中，除了北京和山东外，其余大部分网省用电信息采集系统都是以窄带载波方案抄表为主。
2.1 窄带载波解决方案
在窄带载波方案的各厂家中，青岛鼎信和东软是主流厂家，占载波份额的75%以上，其余的厂家有瑞斯康、福星晓程、弥亚威、力合微等。窄带载波方案在国内的应用范围最广，使用时间最长，其优势和劣势也被业界普遍认识。
窄带载波方案的主要优势表现在以下几方面：①安装数量多，现场运行经验丰富。②通讯距离较远，在噪声干扰比较小的情况下，可以支持500 m的通讯距离，以完成基本抄表业务；③可计算台变/配变线损，满足供电公司效能考核要求。④可识别相位，支持三相不平衡统计计算。
相对于其优势而言，由于窄带方案的技术具有局限性，所以，在使用方面存在许多问题：①以单频点为主，通讯带宽窄。载波频段在500 k以下，与现场噪声主要能量频段重合，而时变噪声和脉冲干扰对通讯效果的影响很大，传统的调制方式无法有效应对多径反射造成的传输误码。②大数据包传输不可靠，很难实现多表计并行远程费控、实时线损计算等新业务的使用需求。③无法应对多台变串扰问题，严重影响其抄通率。④不支持互联互通，现场施工时无法实现混装，后续维护工作比较烦琐。⑤每年运维费用大，每个模块平均每年7元左右。
2.2 微功率无线解决方案
在国网用电信息采集系统累计招标中，微功率无线方案占总招标量的6%～7%，大约1 100万模块或采集器，可以采集数千万户的电表。其中，北京全部采用微功率无线方案；山东是II型集中器和微功率无线并存，份额相当；宁夏是载波和微功率无线相结合，前者比例高于后者；其他网省采用的主要是载波方案，微功率主要是试点。
该方案的优势主要体现为：①采集成功率较高。②远程费控业务可以实际开展。③可抄表数据比较多，支持多特色业务。④微功率无线模块已经实现了互联互通，便于后期采购、运维等管理。⑤打破了台区的限制，以物理区域为单位实现无线抄控。
在此方案中，微功率无线方案在解决这一问题时引发了另外的问题，无法从根本上建立针对窄带方案的绝对优势。其问题主要表现为：①受建筑物遮挡的影响，微功率集中器无法覆盖整个台区，而解决办法是在1个台区中加装多台集中器。这种方案能够实现全覆盖效果，但是，加大了施工、维护难度，加大了对厂家后续服务的依赖。②无台区概念，集中器不安装在台变附近，而是根据无线特点选取信号中心点安装，线损计算功能几乎不可用。③现场安装选点要求比较高，需要有经验的人员操作，否则抄表效果会差很多。④由于是公共频点，容易受有线电视信号等其他无线设备的影响，也容易影响其他设备。⑤标准发射功率50 MW（17 dBm）的模块现场抄读效果不佳。厂家经常会将发射功率提高至20 dBm，以达到良好的使用效果，并且每10个内置天线模块就需要加装1个外置天线模块，这不但增加了故障节点，而且给现场施工增加了很大的难度。
2.3 485通信方案
485通信是利用电能表的485接口采集费控。这种方式的优点是采集数据稳定，准确性和实时性较强。但是，由于485接口属于弱电接口，故障率较高，现场施工布线工作比较烦琐，所以，普遍将其应用在少量用户采集环境中，比如专变用户的采集费控。
2.4 宽带载波解决方案
目前，在国内宽带载波现场，其实用化刚刚开始，尚未大规模应用。传统观念对宽带系统的三大误解是功耗大、传输距离近、采购成本高，所以，致使宽带载波方案在国内电力行业推广进度缓慢。近年来，宽带载波通信芯片发展迅速，部分厂家对国内信道参数、噪声进行了大量的积累和研究。在提供双向、高速、实时通讯解决方案的同时，解决了国外宽带芯片功耗较高的问题，适用于国网智能电表设计规范。
该方案的优势如下：①真正实现了“全采集、全费控”的目标。费控的成功率和通讯时间，一方面，依赖于物理层通讯的稳定性；另一方面，取决于通讯重传的次数，即系统对信道变化的实时适应性。宽带方案在物理层设计方面有效地提升了PLC通讯质量，并利用多网络自动协调技术、动态自适应多路径路由技术和自动快速组网技术等使设备支持多条路径广播和并行抄表，大幅提高了系统的实时性。②抗噪声和抗信道衰落能力强。OFDM技术把串行数据信息通过多个子载波并行传输，即在每个子载波上的信号时间相应地比单载波系统上的信号时间长很多，使OFDM具有更强的能力应对抗脉冲噪声和信道快衰落，减少了符号间干扰（ISI）的影响。③无中继传输距离得到了完善，阻抗稳定在50Ω左右，时变特性不明显，有效地避免了因阻抗引发的衰减问题。经现场实测，无中继设备传输超过了2 500 m。④解决了多台变信号串扰问题，采用自动协调技术，无需人工干预，保持抄表不间断运行；采用实时动态带宽协调机制，根据串扰影响程度实时动态的协调带宽，以确保通信的成功率。⑤支撑智能用电和能效管理业务。它能够实时提供双向、实时、高速和安全的通讯通道，点对点通讯达到1 Mbps的速率，大大地提高了并行通信的能力，为实现大数据量并行交互功能提供了必要的保障。
3 典型案例介绍
以下是唐山地区老旧小区宽带载波方案改造案例。
3.1 现场描述
现场的实际情况是：①唐山市铁三小区供安装载波模块662块，原鼎信方案抄通率90%.②箱变315 kVA变压器，平均户用电负荷较小。信道噪声相对较小，一般在几百毫伏。③全部为架空走线，每单元12块电表位于户外的同一个表箱中。架空线为铜线，入电表侧是铝线。④集中器与电表距离较远，且存在较强的干扰，原方案需要加装中继器才能满足抄读需求。具体的安装现场如图1所示。
图1 安装现场
3.2 测试分析
采用全频时分多台区方案，其运行稳定，抄表成功率、抄表延时平均、组网测试和升级测试均满足现场验收指标； 上行通信已调通，已对接到主站，实时抄读成功率达到100%；能够满足费控要求。具体的测试数据如表1所示。
表1 测试数据
测试地点 功能点 子项 数值
唐山古冶小区 抄表成功率 日冻结成功率 100%
点抄成功率 100%
费控成功率 100%
抄表延时平均 点抄 556.9 ms
轮抄 109.7 ms
费控延时平均 拉闸 <50 s
合闸 <50 s
组网性能 全网组网 29 min
新模块入网 30 s
升级 全网升级 100%（36 min）
点对点升级 25～30 s
稳定性 死机 无
4 总结
分布式能源管理、智能家居管理、智能楼宇控制与管理等都是未来电力的发展方向。用电信息采集系统作为提供双向、高速、安全和稳定的数据通道，使集中器、采集器、智能表计、用户智能交互终端等设备在用户和电网公司之间形成了网络互动和即时连接，保障了电量信息、应用和数据的实时、高速采集和传输。同时，根据智能表计、智能交互终端的自动事件上报，为设备故障分析提供了依据。在数据传输过程中，下行通信是至关重要的，虽然宽带载波在近几年刚刚推行，但是，已经经过了不断完善和优化的过程，所以，其优势在未来多元化、大数据量的发展中可以得到充分的验证。
参考文献
[1]孙海翠，张金波.低压电力线载波通信技术研究与应用[J].电测与仪表，2006（08）.
〔编辑：白洁〕
Information Collection System Construction of the Downlink Communication Scheme
Yue Zhenyu
Abstract： The information collection system construction is strong and important part of smart grid construction， is a necessary means to strengthen the lean management， improve service levels， is an important basis for extension of the electricity market， innovative trading platform. In the collection system construction process， the application of a variety of communication technologies. Among them， the downlink communications solutions capture devices include power line carrier communication， micro-power wireless communications， and 485 and so on.
Key words： information collection system； strong and smart grid； downlink communication； communication technology
3 典型案例介绍
以下是唐山地区老旧小区宽带载波方案改造案例。
3.1 现场描述
现场的实际情况是：①唐山市铁三小区供安装载波模块662块，原鼎信方案抄通率90%.②箱变315 kVA变压器，平均户用电负荷较小。信道噪声相对较小，一般在几百毫伏。③全部为架空走线，每单元12块电表位于户外的同一个表箱中。架空线为铜线，入电表侧是铝线。④集中器与电表距离较远，且存在较强的干扰，原方案需要加装中继器才能满足抄读需求。具体的安装现场如图1所示。
图1 安装现场
3.2 测试分析
采用全频时分多台区方案，其运行稳定，抄表成功率、抄表延时平均、组网测试和升级测试均满足现场验收指标； 上行通信已调通，已对接到主站，实时抄读成功率达到100%；能够满足费控要求。具体的测试数据如表1所示。
表1 测试数据
测试地点 功能点 子项 数值
唐山古冶小区 抄表成功率 日冻结成功率 100%
点抄成功率 100%
费控成功率 100%
抄表延时平均 点抄 556.9 ms
轮抄 109.7 ms
费控延时平均 拉闸 <50 s
合闸 <50 s
组网性能 全网组网 29 min
新模块入网 30 s
升级 全网升级 100%（36 min）
点对点升级 25～30 s
稳定性 死机 无
4 总结
分布式能源管理、智能家居管理、智能楼宇控制与管理等都是未来电力的发展方向。用电信息采集系统作为提供双向、高速、安全和稳定的数据通道，使集中器、采集器、智能表计、用户智能交互终端等设备在用户和电网公司之间形成了网络互动和即时连接，保障了电量信息、应用和数据的实时、高速采集和传输。同时，根据智能表计、智能交互终端的自动事件上报，为设备故障分析提供了依据。在数据传输过程中，下行通信是至关重要的，虽然宽带载波在近几年刚刚推行，但是，已经经过了不断完善和优化的过程，所以，其优势在未来多元化、大数据量的发展中可以得到充分的验证。
参考文献
[1]孙海翠，张金波.低压电力线载波通信技术研究与应用[J].电测与仪表，2006（08）.
〔编辑：白洁〕
Information Collection System Construction of the Downlink Communication Scheme
Yue Zhenyu
Abstract： The information collection system construction is strong and important part of smart grid construction， is a necessary means to strengthen the lean management， improve service levels， is an important basis for extension of the electricity market， innovative trading platform. In the collection system construction process， the application of a variety of communication technologies. Among them， the downlink communications solutions capture devices include power line carrier communication， micro-power wireless communications， and 485 and so on.
Key words： information collection system； strong and smart grid； downlink communication； communication technology
3 典型案例介绍
以下是唐山地区老旧小区宽带载波方案改造案例。
3.1 现场描述
现场的实际情况是：①唐山市铁三小区供安装载波模块662块，原鼎信方案抄通率90%.②箱变315 kVA变压器，平均户用电负荷较小。信道噪声相对较小，一般在几百毫伏。③全部为架空走线，每单元12块电表位于户外的同一个表箱中。架空线为铜线，入电表侧是铝线。④集中器与电表距离较远，且存在较强的干扰，原方案需要加装中继器才能满足抄读需求。具体的安装现场如图1所示。
图1 安装现场
3.2 测试分析
采用全频时分多台区方案，其运行稳定，抄表成功率、抄表延时平均、组网测试和升级测试均满足现场验收指标； 上行通信已调通，已对接到主站，实时抄读成功率达到100%；能够满足费控要求。具体的测试数据如表1所示。
表1 测试数据
测试地点 功能点 子项 数值
唐山古冶小区 抄表成功率 日冻结成功率 100%
点抄成功率 100%
费控成功率 100%
抄表延时平均 点抄 556.9 ms
轮抄 109.7 ms
费控延时平均 拉闸 <50 s
合闸 <50 s
组网性能 全网组网 29 min
新模块入网 30 s
升级 全网升级 100%（36 min）
点对点升级 25～30 s
稳定性 死机 无
4 总结
分布式能源管理、智能家居管理、智能楼宇控制与管理等都是未来电力的发展方向。用电信息采集系统作为提供双向、高速、安全和稳定的数据通道，使集中器、采集器、智能表计、用户智能交互终端等设备在用户和电网公司之间形成了网络互动和即时连接，保障了电量信息、应用和数据的实时、高速采集和传输。同时，根据智能表计、智能交互终端的自动事件上报，为设备故障分析提供了依据。在数据传输过程中，下行通信是至关重要的，虽然宽带载波在近几年刚刚推行，但是，已经经过了不断完善和优化的过程，所以，其优势在未来多元化、大数据量的发展中可以得到充分的验证。
参考文献
[1]孙海翠，张金波.低压电力线载波通信技术研究与应用[J].电测与仪表，2006（08）.
〔编辑：白洁〕
Information Collection System Construction of the Downlink Communication Scheme
Yue Zhenyu
Abstract： The information collection system construction is strong and important part of smart grid construction， is a necessary means to strengthen the lean management， improve service levels， is an important basis for extension of the electricity market， innovative trading platform. In the collection system construction process， the application of a variety of communication technologies. Among them， the downlink communications solutions capture devices include power line carrier communication， micro-power wireless communications， and 485 and so on.
Key words： information collection system； strong and smart grid； downlink communication； communication technology
