用電信息采集系統通信技術

徐文濤

國網寧夏電力公司電力科學研究院供電服務中心

本文通過結合實際應用情況，對用電信息采集上行和下行通信技術優、缺點的分析，驗證了用電信息采集系統各種通信方式及組網方案的可行性，對用電信息采集系統建設通信方式的選擇提出了指導意見，為用電信息采集系統建設完善和提升提供了技術支撐。

引言

自2010年智能電能表推廣應用和用電信息采集系統建設全面推進以來，安裝了大量智能電能表，截至目前，智能電能表應用覆蓋率居全國第一。隨著用電信息采集系統接入用戶數量的快速增加和系統功能實用化的穩步推進，通信信道的傳輸速率、穩定性、可靠性等已成為提升用電信息采集系統建設應用效果的關鍵點。

通信技術是用電信息采集系統功能實現的重要基礎，通信技術的性能、承載能力保證了用電信息采集系統功能的多樣性和數據的安全性，在整個系統中起著至關重要的作用。用電信息采集系統采用的通信信道可分為遠程通信信道和本地通信信道兩類，遠程信道主要有GPRS 無線公網、CDMA 無線公網、光纖專網、230MHz 專網等，本地信道主要有窄帶載波、寬帶載波、RS-485 通信、微功率無線等。用電信息采集系統應用的通信技術類型多樣，通信效果參差不齊，各種通信方式差異性較大，系統功能實用化效果也存在一定程度的差異。為實現用電信息采集系統“全采集”的目標，本文通過比較各類用電信息采集通信技術的優劣，在不同環境下，對各類本地通信方式進行測試和分析，提出了用電信息采集通信信道應用的意見。

影響用電信息采集通信的因素

智能電能表是智能電網的重要組成部分，用電信息采集系統是營銷業務應用重要的數據支撐平臺。用電采集系統主站是對電力用戶的用電信息進行收集、處理和實時監控的核心，可實現用電信息的自動采集、計量異常監測、電能質量監測、用電分析和管理、相關信息發布、分布式能源監控、智能用電設備的信息交互等功能。

遠程通信技術

遠程通信信道是指各類采集終端與采集系統主站之間的通信接入信道。遠程通信技術包括：GPRS/CDMA 無線公網、光纖專網、230MHz 無線專網等。

無線公網通信是指利用網絡運營商（移動、聯通、電信等）的無線網絡和終端產品完成電力用戶用電信息采集，主要是采用GPRS 和CDMA 網絡，并有少量的3G 網絡。無線公網使用簡單，快捷方便。截至目前，用電信息采集系統96%以上的數據都是采用無線公網通信的方式上傳到采集主站。

230MHz 是根據國家無線電管理局國無管【1991】5號《關于印發民用超短波遙測、遙控、數據傳輸業務頻段規劃的通知》技術要求所使用的頻段，其中分配給電力負荷監控系統使用的有十五對雙工頻點和十個單工頻點，這些頻點在其它系統不許使用，為230MHz 無線專網通信系統的可靠性、實時性提供保證，是十分寶貴的頻率資源，詳細頻點見表1。

主站系統和變電站、開關站等站點之間已基本建成SDH 光纖骨干網。采集系統遠程通信光纖專網的建設重點就是建設EPON 光纖接入網，將光纖專網從變電站、開關站等重要站點向下延伸至開閉所、環網柜、開關柜和臺區變壓器等，這些地方也是放置集中器和ONU 的地方。OLT 放置方式比較靈活，可以根據情況選擇放置在變電站，也可以向下延伸放置在開閉所，這樣可以進一步拓展EPON 網絡的覆蓋范圍。

本地通信技術

本地通信通道是指各類采集終端與電能表之間的通信信道，本地通信方式包括：電力線載波通信技術（分為窄帶、寬帶兩種）、微功率無線技術、RS-485 總線等。

電力線載波通信（Power Line Communication）簡稱PLC，是指利用電力線作為通信介質進行數據傳輸的一種通信技術，它是將所要傳輸的信息數據調制在適于電力線介質傳輸的低頻或高頻載波信號上，并沿電力線傳輸，接收端通過解調載波信號來恢復原始信息數據。

微功率無線通信技術采用自組織網絡構架，其發射功率不大于50mW，工作頻率為公共計量頻段470MHz～510MHz。用電信息采集微功率無線通信系統具有7 級中繼深度，在低功率發射的情況下，開闊場地點對點通信距離可達300 米，在實際的居民用電環境中，通過多級中繼路由，有效通信覆蓋半徑達到300～1000m。

RS-485 是將專變采集終端、載波采集器、無線采集器，或II 型集中器與電能表之間采用兩線制建立連接，實現數據通信的符合TIA/EIA-485 串行通訊標準的總線協議。

用電信息采集通信技術分析

遠程通信技術分析

表1 用電信息采集系統230MHz 無線專網工作頻點

表2 遠程通信技術比較

遠程通信技術包括：①無線公網（GPRS、CDMA、3G）；②無線專網（TD-LTE230MHz、230MHz）；③光纖通信技術（EPON 通信技術）。多種遠程通信技術性能比較如表2 所示。

遠程通信技術性能指標綜合對比

無線公網優劣分析

優勢：①無需建設網絡，網絡建設由運營商投資；②初始投資低，通信SIM 卡費用約每年60 元/張；③網絡資產歸屬運營商，電力企業無需承擔網絡運維；④無線網絡接入方便，在信號覆蓋區域內，即插即用。

缺點：①長期、大規模應用將產生大量的租用費用，數據流量統計不透明；②部分區域GPRS/CDMA 等無線公網終端在線率較低，不能很好的滿足費控等實時性要求較高的業務；③業務應用依賴于運營商提供的網絡資源，應用水平和推廣進度受制于公網建設程度，部分區域通信未覆蓋；④公網通信首先滿足公共用戶業務應用，無法保障實時性、延時等服務質量要求，且運營商網絡維護并不通知電力公司，電信業務語音優先；⑤存在公網系統升級換代風險，目前使用的GPRS/CDMA 是2G 網絡，未來運營商將網絡升級至3G 后，運營商2G 網絡資源會大幅下降，服務質量更難以保證；⑥網絡覆蓋區域與供電區域不完全一致，有可能導致漫游費用；⑦用電信息采集終端安裝位置存在無線公網覆蓋盲點；⑧隨著終端數量的不斷增加，存在用戶密集區域無線公網信道接入能力有限，造成終端爭搶信道現象，使該區域終端穩定性下降，采集成功率下降。

專網優劣分析

用電信息采集系統遠程通信方式采用專網的技術有光纖專網、無線專網。

優勢：①可限制流量使用，節約運行費用，長期效益明顯；②靈活度高、可擴展性強，可以根據電力業務需求，自由規劃網絡；③實時性強，電網可以根據不同業務等級，靈活自定義業務優先級，確保實時性業務獲得最優信道資源；④安全性保障機制完善，可采用認證、加密等多種安全機制，保障業務安全性；⑤可承載更多電力業務，如移動作業、應急搶修等業務，附加價值高；⑥光纖專網及無線寬帶專網傳輸速度快、距離遠、抗干擾能力強、后期擴展能力強，支持未來雙向互動業務。

缺點：①投資成本高，運行維護較復雜；②無線專網和載波技術標準不統一，缺乏相關文件支撐。

本地通信技術分析

各種本地通信技術在性能指標方面差異化較大，在技術實現，工程實施、運行管理等方面也存在一定差異，具體性能比較如表3 所示。

本地通信技術性能指標綜合對比

優勢：①電力線窄帶載波方式安裝方便，適用于城網表計分層安裝小區，可滿足當前基本業務需求；②RS-485 通信方式從實時性、可靠性方面均優于其他通信方式，適用于城網表計集中安裝小區，更利于下一代采集業務的拓展；③電力線寬帶載波方式支持并發，業務承載能力強，可承載雙向互動業務；④微功率無線通信方式業務承載能力較強，一般采用蜂窩狀組網方式，可實現分散用戶的用電信息采集。

表3 本地通信技術基本情況比較表

表4 用電信息采集系統遠程通信方式效果比較

表5 用電信息采集系統本地通信方式效果比較

缺點：①電力線窄帶載波局限性較多，受低壓線路走向和運行狀況制約較大，不能很好承載用電信息采集業務；②通訊設備布點密集，設備運維和RS-485 通信電纜敷設工作量較大；③電力線寬帶載波方式受頻率限制，傳輸距離較短，設備布點數量大，運維工作量大；④微功率無線通信方式由于存在多級路由，傳輸時延較大。

各類通信方式采集應用效果分析

目前，用電信息采集系統遠程通信方式主要采用GPRS 無線公網和光纖專網，本地通信方式主要采用電力線窄帶載波、微功率無線和RS-485。

各類遠程通信方式應用比較

用電信息采集系統遠程通信方式效果比較主要是通過采集終端在線率進行分析，具體情況如表4 所示。

通過表4 對比分析，可以看出，目前采用光纖專網通信的采集終端數量較少，只覆蓋了變電站、部分居民小區用戶和專變用戶，通信可靠率較高，能夠基本滿足用電信息采集系統建設和應用需要，但是光纖通信的資金投入較大，且在居民小區內施工困難較多，且后期運維成本較大，無法實現大面積推廣應用。

采用GPRS 無線公網通信的采集終端數量較多，但采集終端在線率只有88.43%，主要原因是有些偏遠地區GPRS 信號未覆蓋、采集終端GPRS 模塊故障、SIM 卡質量問題等，但是GPRS 無線公網通信的資金投入相對較少，使用方便，可以大面積推廣應用。

各類本地通信方式應用比較

用電信息采集系統本地通信方式效果比較主要是通過智能電能表采集成功率進行分析，具體情況如表5 所示。

電力線窄帶載波通信方式具有安裝方便、投資少的特點，該種方式應用與城市表計分層安裝小區，但采集成功率較低，主要原因為窄帶載波通信模塊信號輸出功率太低、電力線載波通信信號衰減嚴重、現場線路與用戶對應關系錯誤、通訊速率較慢等，導致采集成功率較低。如果能將上述影響電力線窄帶載波通信方式的問題解決，該種本地通信方式是將具有較大的競爭實力，可以大范圍推廣應用。

微功率無線通信方式是在三種本地通信方式中占比最大，因為該種方式具有業務承載能力較強、組網方式先進、實時通訊速度加快的特點，目前農網用戶全部采用該種方式進行采集，但采集成功率未達到國網公司要求，主要原因有：①受GPRS 信號制約，部分偏遠地區集中器離線；②各品牌模塊與集中器無法實現互聯互通，制約上線調試工作；③系統中客戶檔案存在問題，下發至集中器后無法對電能表進行采集。該種通信方式的應用應結合臺區現場運行情況而定，建議在農村地區或用戶較為分散地區使用。

RS-485 通信方式具有實時通信速率快、穩定性高等特點，但設備安裝和RS-485 通信電纜敷設工程量較大。目前采用該種通信方式主要用戶城市表計集中安裝小區，但受到GPRS 信號覆蓋、現場接線、SIM 卡故障等因素制約，該種方式采集成功率也未達到要求，該種通信方式建議在城市單元表計集中安裝小區使用。

結語

綜上所述，從業務帶寬速率和穩定性綜合比較，“光纖專網+RS-485”的組網方案具備高速率、高可靠性、高實時性和高安全性，能夠同時滿足多種用電信息采集業務應用需求，尤其在費控業務、電費服務、有序用電等方面優于其他方案，是用電信息采集系統最理想的傳輸信道組網方案。現階段“無線公網+窄帶載波”等通信方式雖在安全性、可靠性上稍差，但也可滿足當前基本業務需求。由于未來業務需求量較大，對通信實時性、可靠性要求較高，宜采用“光纖專網+RS-485/寬帶載波”、無線專網+RS-485/寬帶載波等通信方式的組網方案。