无公网信号地下室用户用电信息采集方案的研究与应用

李红柳，崔开源，伍言

（国网成都供电公司客户服务中心计量部，四川成都　610021）

无公网信号地下室用户用电信息采集方案的研究与应用

李红柳，崔开源，伍言

（国网成都供电公司客户服务中心计量部，四川成都610021）

用电信息采集系统建设是智能电网建设的重要内容之一，是对传统抄收系统的一次变革。基于成都地区部分地下室用户无公网信号现状，设计了通信技术方案集，包括有线通信技术方案、无线通信技术、有线与无线相结合的通信技术方案3种。在此基础上，通过研究3种方案的技术边界，确定不同应用场景下的方案选择，提出了一种最优采集方案求解算法。应用实例表明，所述方法可以有效地解决无公网信号地下室用户采集系统建设的技术瓶颈，并能大幅降低工程费用，提高用电信息采集管控水平，促进“全覆盖、全采集、全费控”目标的实现。

用电信息采集系统；地下室；无公网信号；技术边界

作为智能电网建设的基础，用电信息采集系统承担着用电信息自动采集、高效共享和实时监控的重要任务，是智能用电服务体系的重要基础，也是用户用电信息的重要来源［1］。现阶段，国内用电信息采集系统尚处于建设发展阶段，尚未专门针对无公网信号地下室用户采集系统建设，引入相应的通信技术手段和措施，形成有效的解决方案。

用电信息采集系统的研究主要集中在采集系统的构架、主站建设以及功能应用［2］，而关于采集终端与主站之间的通信研究较少。文献［3］通过改善用电信息采集与管理系统应用的不足，提出了供电企业用电信息采集一体化的总体设计原则和具体设计方案，但仅关注了采集系统的整体构架，并没有考虑采集系统具体施工建设过程中遇到的实际问题。文献［4］针对采集系统建设运行和应用中出现的通信通道取舍问题，提出了复合通道建管技术方案和采集三率保障方案，有效提高了用电信息采集通道的稳定性和易维护性，但却没有考虑终端处于地下室等无信号无接口条件下的通信问题。文献［5］总结了3类应用于实际工程中的解决无GPRS信号问题的终端改造方法，但没有考虑各种方法的具体应用场景。文献［6］分析归纳了造成现场终端无信号的几类原因，并提出了相应的解决办法，但是提出的方法过于简略，也没有对各种方案的应用边界进行界定。

基于现有的有线、无线通信技术，开发针对无公网信号地下室用户采集的信息通信实用化技术，并界定相应的技术边界，设计了用电信息采集方案，并结合示范工程分析了方案的经济、社会效益和推广应用的条件。为最终全面实现用电信息采集系统建设“全覆盖、全采集、全费控”的目标，为智能电网建设提供行之有效的技术方案。

1　无公网信号地下室用电信息采集方案集

针对无公网信号地下室用户采集的不同特点，分别设计有线采集通信技术方案、无线采集通信技术方案、有线与无线相结合的通信技术方案，形成基于无信号地下室用户采集的通信技术方案集。

1.1有线采集方案

有线采集通信技术方案通过室外天线接收室外无线公网信号，经过电缆传输至室内采集终端［7］。当线缆长度超过5 m，需采用高增益天线。通常情况下，在连接室外天线和采集终端时，需穿墙越壁，施工布线难度大，工作量大。有线采集方案原理如图1所示。

图1　针对地下室用户的有线采集方案Fig.1　The cable acquisition proposal for basement users

1.2无线采集方案

无线采集通信技术方案通过将采集终端移动到具有移动信号网络的位置，然后在电表和采集终端上增加数据传输模块来实现无线通讯，从而来保证采集终端能正常抄收电表数据并能将数据返回到主站系统中的方式来实现全采集。其作用原理是在原采集终端和部件上安装“数传模块”，组成星形拓扑网络；如果距离较远，可加上中继器，数传模块之间可采用微功率无线或电力线载波通信方式［8］。如图2所示。

图2　针对地下室用户的无线采集通信技术方案Fig.2　The wireless acquisition communication proposal for basement users

1.3有线与无线结合采集方案

有线与无线相结合的采集通信技术方案通过室外天线接收室外无线公网信号，并通过信号放大器系统将其转换为有线信号［9］；经过通信电缆传输至有线信号通信终端；通信终端对信号进行滤波、智能分析、增益补偿、功率放大，再通过室内通信电缆传输至室内天线，室内天线将有线信号转换为无线公网信号，完成信号的室内发射，使原本没有无线公网信号的配电房得到信号覆盖［10］。采集终端信号发射过程则相反。

整个接收与发射的过程，通信终端对信号的强度、质量、安全性均进行实时动态管理，从而实现无信号地下室采集终端与主站的通信。原理如图3所示。

图3　针对地下室用户的有线与无线结合采集通信技术方案Fig.3　The cable and wireless combined acquisition communication solution for basement users

2　无信号地下室用户用电信息采集方案技术边界分析

2.1边界条件分析

中国移动的规范规定，接收电平≥（城市取-90 dBm；乡村取-94 dBm）时，则满足覆盖要求［11］，也就是说此处无线信号强度满足覆盖要求，即接受电平≥-90 dBm，就可以满足覆盖要求［12］。本文以施工调试天数衡量施工难度，即施工调试难度较高的技术方案，施工调试天数相对较多，而施工调试难度较低的技术方案，施工调试天数相对较少。

2.2有线采集通信方案技术边界

基于地下室用户的有线采集通信技术方案具有数据传输稳定、可靠性高的优点，同时也存在施工布线难度大、安装工作量大等不足，且受到施工现场布线条件的制约［13］。该技术方案适用于对采集成功率和实时性要求高，且地下室施工布线条件良好的环境。因此，当需要高质量用户用电信息且用户地下室施工布线条件适宜时，在用电采集通信中引入该技术，如表1所示。

表1　有线采集通信技术方案边界参数Tab.1　Boundary parameters of the cable acquisition communication proposal

有线方案的施工调试总成本F有线测算公式如式（1）所示。

式中：k为通信模块价格；t为所需模块数量；b为通信电缆单位成本；j为通信电缆长度；w为人工成本单价；d为实际施工调试天数；An为天线成本。

2.3无线采集通信方案技术边界

基于无公网信号地下室用户的无线采集通信技术方案具有无需布线，安装施工调试方便的优点，但其应用效果依赖于数传模块组成的局域网网络质量的好坏［14］。该技术适用于地下室内部局域网信号良好但施工布线条件差的环境。因此，当用户地下室信号良好，而施工布线受到环境条件制约时，在用电采集通信中引入该技术方案，如表2所示。

无线方案的施工调试总成本F无线的计算公式为：

式中：e为无线通信模块价格（含配套电源）；t为所需模块数量；v为信号中继器的价格；g为信号中继器数量。

表2　无线采集通信技术方案边界参数Tab.2　Boundary parameters of the wireless acquisition communication proposal

2.4有线与无线相结合的采集通信方案边界

基于无公网信号地下室用户的有线与无线相结合的采集通信技术方案，充分融合了有线通信技术“数据传输稳定”和无线通信技术“采集设备安装布线便捷安全”的优点，并有效弥补了有线、无线通信技术单独应用的不足。该技术适用于地下室信号不佳且施工布线条件较差且有多台需要公网无线通信的设备的环境。因此，当用户地下室信号不稳定且具有一定的施工布线条件时，在用电采集通信中引入该技术方案。

表3　有线无线结合采集通信技术方案边界参数Tab.3　Boundary parameters of the cable and wireless combined acquisition communication proposal

有线无线结合方案的施工调试总成本F结合计算公式为：

式中：q为信号放大模块成本。

2.5最优采集方案求解算法应用流程

最优采集方案求解算法应用流程如图4所示。

图4　最优采集方案求解算法应用流程Fig.4　Application process of the solution algorithm of the optimal acquisition proposal

3　算例分析

3.1算例1

以成都市锦江区华润路的某住宅项目为研究对象。该项目配电房位于1栋-2楼，经测试，信号强度值（AT）为6。地面三楼GPRS信号强度达到-90 dB，满足用电信息采集终端的信号要求。通过最优采集方案求解算法对该场景下的采集方案进行寻优求解。

有线采集方案中通信模块成本k为1 000元/个；通信电缆成本为20元/m；天线成本An为150元/点位。该项目中，通信模块使用个数为1，室外天线到室内采集终端布线长度为102 m，施工时间为1.5 d。有线无线相结合方案中，信号放大模块成本q为1 000元/个；天线成本An为300元；通信电缆单位成本b为20元/m。经测算，地面三楼信号合格处安装室外天线，室外天线到室内吸顶天线布线长度为82 m，需使用1个信号放大模块。

将上述参数代入最优采集方案求解算法，得有线方案施工成本为3 490元，有线无线结合方案的施工总成本为3 140元。而由于配电房位于地下负二楼，经现场查勘，施工布线情况良好，但无线信号传输通道上，实体遮蔽物较多，对无线信号的传输影响较大，根据技术边界条件，通过算法评估，无线方案不适用于该点位，只有有线方案和有线无线结合的两种方案适用于该点位。

综上，可知3种方案中有线无线相结合的方案成本最低，故应选用有线无线相结合的方案。

3.2算例2

应用实例2为位于成都市青羊区支矶石街1号的商业项目，配电房亦位于地下1层，信号强度值（AT）为7。经测试，地面二楼GPRS信号强度达到-90 dBm，满足用电信息采集终端的信号要求。经现场查勘，施工布线情况良好，无线信号传输条件良好。

有线方案中通信模块使用个数为1，地面二楼信号合格处安装室外天线，室外天线到室内采集终端的布线距离为49 m，施工时间为1.5 d。无线方案中无线通信模块数量为2，信号中继器使用数量为1，施工时间为0.5 d。有线无线结合方案中，地面二楼信号合格处安装室外天线，室外天线到室内吸顶天线布线长度为40 m，需使用1个信号放大模块。

将上述参数代入最优采集方案求解算法，计算得有线方案施工成本为2 430元，无线方案施工成本为3 100元，有线无线结合方案的施工总成本为2 300元。

综上，3种方案中有线无线相结合的方案成本最低，故应选用有线无线相结合的方案。

3.3算例分析

计算不同场景下三种采集方案应用成本以及通过最优算法求解得到的采集方案的应用成本，如图5所示。

图5　采集方案应用成本比较Fig.5　Comparison of the application costs of different acquisition proposals

从图5可以看出，当采集终端到地面信号处的距离大于150 m时，无线方案不满足边界条件，无法应用，当采集终端到地面信号处的距离大于200 m时，有线采集方案不满足边界条件，无法应用。上述2种情况下均无应用成本。而本文所述的最优算法能够自动排除不满足技术边界条件的方案，且求解得到的采集方案成本曲线始终与各应用距离及场景下3种采集方案中的最低成本曲线重合。

4　结语

本文基于成都地区部分地下室用户无公网信号的现状，设计了通信技术方案集，包括有线通信技术方案、无线通信技术、有线与无线相结合的通信技术方案3种，并在此基础上了提出了一种最优采集方案求解算法。通过算例可以得出以下结论：

1）3种采集方案在不同应用场景下具有不同的经济效益，当采集终端到地面信号处的距离增大时，有线与无线结合方案的经济效益优势明显。

2）最优采集方案求解算法能够根据具体场景参数，有效地排除不满足边界条件的采集方案。

3）通过最优采集方案能够对不同应用场景最经济的采集方案进行寻优。

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（编辑黄晶）

Research and Application of the Electricity Information Acquisition Method for Basement Users without Public Signals

LI Hongliu，CUI Kaiyuan，WU Yan
（Chengdu Electric Power Supply Company Customer Service Center，Chengdu 610021，Sichuan，China）

Construction of the electricity information acquisition system is one of the important contents of the smart grid construction，and it is a fundamental change to the traditional reading and collecting system.Based on the current situation that part of the basement users are not covered by public signals in Chengdu，a communication technology solution set is designed，including cable communication technology，wireless communication technology，the cable and wireless combined communication technology solutions.On this basis，through the study of the technical boundary of three solutions，the scheme selection under different scenarios is determined and an optimal acquisition solution is proposed.The application examples show that the method described in this paper can effectively solve the technical bottleneck of the acquisition system construction of basement users without signals.It can also significantly reduce the project cost；improve the control ability of the electricity information collection so as to promote the realization of the“full coverage，full collection，and full cost control”goal.

electricity information acquisition system；basement；without public signal；technical boundary

1674-3814（2015）11-0053-05

TM925

A

2015-01-21。

李红柳（1965—），女，本科，高级工程师，主要从事电能计量管理工作；

崔开源（1985—），男，硕士研究生，工程师，主要从事用电信息采集技术和管理工作；

伍言（1988—），男，硕士研究生，助理工程师，主要从事电能计量技术工作。