基于22标准集中器的高频采集技术研究

滕培青 谷呈星

收稿日期：2023-09-19

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.002

摘  要：随着数字时代的到来，电力系统逐渐向着智能化方向发展。为了实现用电信息的高可靠性和高实时性采集，国家电网公司推出了22标准I型集中器用电采集终端系列规范，对高频采集提出更高要求。为满足电力系统的发展需求，该论文采用理论与实验相结合的方法对高频采集进行了研究，首先介绍了高频采集的研究背景及理论基础，其次提出了高频采集APP通信模型和协议机制，最后展示了高频采集现场应用成果，证明了所提方案的优越性。高频采集技术对有效开展供电线路老化趋势分析，监测电网电压质量和负荷波动情况具有重要意义。

关键词：能源互联网；22标准I型集中器；电力系统；高频采集

中图分类号：TN929.5；TM933.4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）07-0007-04

Research on High Frequency Acquisition Technology Based on 22 Standard Concentrators

TENG Peiqing， GU Chengxing

（CET Shandong Electronics Co.， Ltd.， Ji'nan  250101， China）

Abstract： With the advent of the digital age， the power system is gradually developing towards intelligence. In order to achieve high reliability and real-time acquisition of electricity information， State Grid Corporation of China has launched the 22 standard Type I concentrator electricity collection terminal series specification， which puts higher requirements for high frequency acquisition. To meet development needs of the power system， this paper adopts a method combining of theory and experiment to study high frequency acquisition. Firstly， the research background and theoretical basis of high frequency acquisition are introduced. Secondly， the communication model and protocol mechanism of the high frequency acquisition APP are proposed. Finally， the on-site application results of high frequency acquisition are presented， proving the superiority of the proposed scheme. High frequency acquisition technology is of great significance for effectively analyzing the aging trend of power supply lines， monitoring the voltage quality and load fluctuations of the power grid.

Keywords： energy internet; 22 standard Type I concentrator; power system; high frequency acquisition

0  引  言

随着能源互联网[1]的发展，电力市场用户对于电能表电压、电流等高频数据采集需求不断增长[2]。国家电网公司在加快打造具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的目标下，加大了“云、管、边、端”设备从上到下部署新产品的研发工作[3]。22标准I型集中器在“云、管、边、端”体系中具有重要地位，是集配电台区供用电信息采集、电能表或采集终端数据采集、设备状态监测及通信组网、就地化分析决策、协同计算等功能于一体的智能化用电采集终，采用“硬件平台化、功能软件化、结构模块化、软硬件解耦、通信协议自适配”的设计思路[4]，是低压配电物联网的关键设备，符合新一代配电物联网“全面感知、广泛互联、边缘计算、数据融合、智能应用”的思想[5]。

与19标准终端相比，22标准I型集中器的用电信息采集功能要求发生了变化。第一，集中器的抄表任务加大从窄带的路由主动、集中器主动抄表机制向并发抄表机制调整。第二，集中器中会存在多种采集方案，任务执行频率差别很大，从节点类型多种多样，任务需要进行更合理的调度。短周期任务和长周期任务要按照任务优先级穿插进行，普通表计采集任务和重点表计采集任务也要如此，不能出现长周期任务挤占短周期任务，普通表计挤占重点表计采集任务的现象。与19标准终端相比，22标准I型集中器的设计思想也发生了重要变化：1）硬件采用平台化设计，支持边缘计算框架。2）通信协议采用自适配思路设计，软件采用容器化设计，做到功能间不相互影响又能够互相耦合。这些变化使得22标准I型集中器具有非常巨大的优势。硬件与软件实现了最大限度地解耦，能够以软件定义的方式实现功能需求。终端能分解成多个独立、通用的功能模块，灵活性得到大大增强。22标准I型集中器可以按各地区的实际需求安装相应的应用，可扩展性强，升级方便。而且软件的容器化能实现业务隔离，安全性更强。

22标准I型集中器在兼容现有用电信息采集业务基础上，实现电能表电压、电流、等电力负荷数据的分钟级高频采集，支撑供电线路老化趋势分析，监测电网电压质量和负荷监测分析等业务的应用，在实现新型电力系统[6]的智能化道路上扮演者举足轻重的角色。

1  高频数据采集的理论基础

22标准I型集中器主要依靠高速电力线载波通信技术（HPLC），实现电力用户负荷数据的高频采集。HPLC技术是利用电力线作为通信介质进行数据传输的一种通信技术[7]，其信道传输主要采用了OFDM技术，使得各传输子信道之间相互正交，能消除各个子信道之间的相互干扰，提高频带利用率[8]。OFDM技术用到的主要公式如（1）所示：

；0≤k≤（M-1）（1）

式中，X（tk）与h（n）为一对傅里叶变换，OFDM技术的调制解调可利用IFFT反向快速傅里叶变换和FFT快速傅里叶变换实现。

HPLC技术通信速率范围为0.5～12 MHz，通信速率远大于1 Mbit/s，具有通信速率高、时效性强、抗干扰能力强以及传输可靠性高等特点[9]。HPLC的网络拓扑结构如图1所示，其通信网络是一个多级关联的树状，以中央协调站CCO为中心，代理协调器PCO为中继，完成多个站点STA的多级链接，CCO完成网络控制和维护，对应用电信息采集系统中的集中器。STA是安装在电表和采集器间的通信设备单元。

图1  HPLC的网络拓扑结构图

高频采集系统本地通信架构由集中器、采集器和计量装置等设备组成，各设备间通过HPLC通信协议在电力系统中组网。在原有采集系统的基础上，高频采集做的改进如下：1）集中器与主节点CCO之间，采用Q/GDW1376.2协议通信。集中器的主节点CCO和从节点采集器或者电能表的STA模块之间，采用HPLC电力线载波通信协议。2）采集器和STA与电能表之间，采用DL/T-698.45或DL/T-645协议通信。

2  高频采集软件APP通信模型

22标准I型集中器软件架构如图2所示，分为系统APP和用户APP，终端的APP之间通信使用消息总线框架，APP之间的交互全部通过消息总线进行。消息驱动支持IPC、TCP、UDP、MQTT等多种模式，可根据系统资源及运行环境灵活剪裁仅支持其中一种或多种。

图2  终端软件架构

22标准I型集中器部署的APP符合《用电信息采集系统技术规范 第4部分：软件及接口技术要求》，多种APP协调配合共同实现电力用户高频数据采集，各软件APP名称及功能如下：

系统管理器：终端中有且仅有一个系统APP，即系统管理器，命名为“smiOS”，系统管理器负责终端内APP的管理以及系统监控，确保系统稳定可靠运行。

安全管理：安全管理APP负责管理安全模块访问权限，负责引导程序、内核及应用APP的验签及启动管理，负责SSAL（国家电网公司安全应用层协议）链路层加解密等，安全管理APP命名为“secReinf”。

低压集抄：电能表数据、状态量采集，数据冻结、统计、电能表运行状况监测，参数设置与查询，事件记录与主动上报，数据传输和安全防护。

数据中心：数据中心负责对整个系统的数据存储管理、数据服务，数据中心命名为“dbCenter”。各APP通过消息总线与数据中心进行交互。

采集任务调度管理：采集任务调度管理负责所有采集任务的管理，通过采集任务的配置执行相应抄表过程，数据采集结果存储到数据中心，实现数据共享。

本地通信管理：本地通信管理APP负责终端本地通信模块（CCO）的管理，遵照相关流程完成对CCO的初始化和档案同步，通过CCO实现与STA节点的数据交互。本地通信管理APP命名为“ccoRouter”。

串口管理：串口管理APP负责终端的RS-485和CAN接口的通信管理，实现报文传输。串口管理APP命名为“uartManager”。

电力用户数据高频采集软件APP交互模型如图3所示。

图3  高频采集软件APP交互模型

3  高频数据协议机制

22标准I型集中器主要依靠HPLC实现电力用户负荷数据高频采集，利用HPLC高速率特点，可以有效提升电能表自动抄表成功率；HPLC本地通信模块提供并发通信能力来提升应用层通信速率，主要从两方面来并发：一是集中器与电表之间不采用一问一答制，集中器可以同时抄读多个电表对象；二是每帧Q/GDW 1376.2可以包含多帧电表协议（DLT645或DLT698.45包含多个OAD）。集中器最多可同时并发13帧抄表帧，大大提升了应用层通信速率。

22标准I型集中器的HPLC高频采集交互流程如图4所示，集中器的采集任务调度管理APP检测到需要插入抄表任务后，本地通信管理APP连续发送多个AFN=F1-F1抄表帧给CCO，当收到CCO的否认应答后，暂停发送抄表帧给CCO。当集中器接收到CCO的任意一条抄表应答报文（可能是成功或者失败）时，集中器应再补发一帧报文给CCO，使得并发数一直保持最大数量，直到所有电表抄读完成为止。抄表完成后，CCO将通过AFN=F1-F1上行帧将抄读结果通过本地通信管理APP发送给采集任务调度管理APP，采集任务调度管理APP解析处理完抄读数据后，将任务抄读记录存储到数据中心供主站召测或其他APP调用。

HPLC电力线宽带载波通信技术具有性能高、速率快、扩展性强而且不需要额外接线的优点，正越来越多地被运用到用电信息采集系统当中，但其相对较高的频率使得宽带单主节点采集系统在长线路传输和电网环境恶劣的情况下容易出现抄表不稳定或采集盲区等问题。针对这种情况，我们使用RS-485本地通信模式来辅助抄表。RS-485通信方式具有数据采集成功率高、实时性好、错误率低等优点。对于HPLC无法顺利采集的台区，我们可以外接II型采集器通过485通信方式实现抄表。HPLC和RS-485两种通信方式相结合，可以适用于大多数情况进行电力负荷的高频数据采集[10]。

4  高频采集现场应用成果展示

22标准I型集中器高频采集效果可在用户采集系统主站看到，如图5展示出了试点台区的一天96点电压曲线采集的部分数据。经统计，试点台区一周内96点电压曲线采集成功率为100.0%，满足采集系统考核需求，证明了高频采集方案的可靠性。

如图6展示出了分钟级高频采集的电压曲线数据，一天的数据共1 440点，从中可以体现出高频采集的强大的采集能力，采集一天数据无漏点现象，曲线采集效率符合客户需求，满足当代电力系统对用电信息采集高实时性和高可靠性的要求。

5  结  论

随着能源互联网的发展，电力市场用户智能化要求越来越高，对于电能表电压、电流等电力负荷曲线数据高频采集需求不断增长，对实时性和可靠性的要求也越来越高。本文先后阐述了22标准I型集中器高频采集技术的研究背景及理论基础，提出了一种实现高频采集的软件APP通信模型，介绍了一种HPLC高频电力线载波和RS-485通信技术相结合的高频数据通信协议机制，并展示了22标准I型集中器高频采集技术在试点台区的应用成果。在未来，随着22标准用电采集终端的广泛应用，电力负荷高频采集技术必将成为市场和客户关注的重点。通过高频采集技术，终端采集所有表计的日冻结数据，可以用于电量发行及日用电量分析；采集24～96点电压、电流、功率因数等实时用电数据，可以用于供电质量相关指标分析；采集前一天的负荷曲线或小时冻结信息，可以用于精细时段的线损分析。这些功能有助于实现电网供能能力与用户用能需求的平衡，能引导用户低谷用电、高峰放电，提高客户侧深度参与电网调节的能力，提升电网的运行效率和用户的用电经济性，助力国家绿色发展，具有深刻而广泛的研究意义。

参考文献：

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[8] 杜珂，王韦杰，梅平.基于OFDM的低压电力线宽带载波通信技术在低压集抄系统中的应用 [J].科技展望，2016，26（35）：83-84.

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[10] 陈锋锐，马海军，刘晓利，等.智能化技术在配电线路线损分析中的应用 [J].集成电路应用，2023，40（8）：166-167.

作者简介：滕培青（1998—），女，汉族，山东泰安人，助理工程师，本科，研究方向：电力信息采集；谷呈星（1996—），男，汉族，山东济南人，助理工程师，硕士研究生，研究方向：无线网络通信。