用電信息采集系統建設下行通信方案淺析

岳振宇

摘 要：用電信息采集系統建設是堅強智能電網建設的重要內容，是加強精益化管理、提高優質服務水平的必要手段，是延伸電力市場、創新交易平臺的重要依托。在采集系統建設過程中，應用了多種通信技術。其中，采集設備的下行通信解決方案包括電力載波通信、微功率無線通信、485通信等。

關鍵詞：用電信息采集系統；堅強智能電網；下行通信；通信技術

中圖分類號：TN915.853 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）21-0142-02

1 堅強智能電網發展戰略

堅強智能電網是以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強網架為基礎，以通信信息平臺為支撐，具有信息化、自動化、互動化特征，包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電、調度和通信信息各個環節，覆蓋所有的電壓等級，實現“電力流、信息流、業務流”高度一體化融合的現代電網。

2 下行通信解決方案發展現狀

采集系統下行通信解決方案比較多，包括電力載波通信、微功率無線通信、485通信等。其中，電力載波通信應用的較多。在20世紀80年代末至90年代中期，國內將電力載波通信應用在低壓用電領域中，各廠商利用FSK、PSK通信調制技術嘗試實現遠程抄表業務。2001—2005年，采用集中式靜態自動組網技術改善了系統抄收性能，減少現場工程維護工作量。此技術適用于通信媒介動態變化比較小的場合，且運算依賴于集中器，所以，系統的可維護性仍然比較低。2006年開始，國內幾家較大載波芯片廠商開始研發以網絡神經元芯片為核心的產品，從物理層、網絡層、鏈路層等方面提升系統性能，以解決任意節點的物理層通信保障能力和具有中繼控制的網絡傳輸協議。

目前，在國網（27省）和南網（5省）共32個網省公司中，除了北京和山東外，其余大部分網省用電信息采集系統都是以窄帶載波方案抄表為主。

2.1 窄帶載波解決方案

在窄帶載波方案的各廠家中，青島鼎信和東軟是主流廠家，占載波份額的75%以上，其余的廠家有瑞斯康、福星曉程、彌亞威、力合微等。窄帶載波方案在國內的應用范圍最廣，使用時間最長，其優勢和劣勢也被業界普遍認識。

窄帶載波方案的主要優勢表現在以下幾方面：①安裝數量多，現場運行經驗豐富。②通訊距離較遠，在噪聲干擾比較小的情況下，可以支持500 m的通訊距離，以完成基本抄表業務；③可計算臺變/配變線損，滿足供電公司效能考核要求。④可識別相位，支持三相不平衡統計計算。

相對于其優勢而言，由于窄帶方案的技術具有局限性，所以，在使用方面存在許多問題：①以單頻點為主，通訊帶寬窄。載波頻段在500 k以下，與現場噪聲主要能量頻段重合，而時變噪聲和脈沖干擾對通訊效果的影響很大，傳統的調制方式無法有效應對多徑反射造成的傳輸誤碼。②大數據包傳輸不可靠，很難實現多表計并行遠程費控、實時線損計算等新業務的使用需求。③無法應對多臺變串擾問題，嚴重影響其抄通率。④不支持互聯互通，現場施工時無法實現混裝，后續維護工作比較煩瑣。⑤每年運維費用大，每個模塊平均每年7元左右。

2.2 微功率無線解決方案

在國網用電信息采集系統累計招標中，微功率無線方案占總招標量的6%～7%，大約1 100萬模塊或采集器，可以采集數千萬戶的電表。其中，北京全部采用微功率無線方案；山東是II型集中器和微功率無線并存，份額相當；寧夏是載波和微功率無線相結合，前者比例高于后者；其他網省采用的主要是載波方案，微功率主要是試點。

該方案的優勢主要體現為：①采集成功率較高。②遠程費控業務可以實際開展。③可抄表數據比較多，支持多特色業務。④微功率無線模塊已經實現了互聯互通，便于后期采購、運維等管理。⑤打破了臺區的限制，以物理區域為單位實現無線抄控。

在此方案中，微功率無線方案在解決這一問題時引發了另外的問題，無法從根本上建立針對窄帶方案的絕對優勢。其問題主要表現為：①受建筑物遮擋的影響，微功率集中器無法覆蓋整個臺區，而解決辦法是在1個臺區中加裝多臺集中器。這種方案能夠實現全覆蓋效果，但是，加大了施工、維護難度，加大了對廠家后續服務的依賴。②無臺區概念，集中器不安裝在臺變附近，而是根據無線特點選取信號中心點安裝，線損計算功能幾乎不可用。③現場安裝選點要求比較高，需要有經驗的人員操作，否則抄表效果會差很多。④由于是公共頻點，容易受有線電視信號等其他無線設備的影響，也容易影響其他設備。⑤標準發射功率50 MW（17 dBm）的模塊現場抄讀效果不佳。廠家經常會將發射功率提高至20 dBm，以達到良好的使用效果，并且每10個內置天線模塊就需要加裝1個外置天線模塊，這不但增加了故障節點，而且給現場施工增加了很大的難度。

2.3 485通信方案

485通信是利用電能表的485接口采集費控。這種方式的優點是采集數據穩定，準確性和實時性較強。但是，由于485接口屬于弱電接口，故障率較高，現場施工布線工作比較煩瑣，所以，普遍將其應用在少量用戶采集環境中，比如專變用戶的采集費控。

2.4 寬帶載波解決方案

目前，在國內寬帶載波現場，其實用化剛剛開始，尚未大規模應用。傳統觀念對寬帶系統的三大誤解是功耗大、傳輸距離近、采購成本高，所以，致使寬帶載波方案在國內電力行業推廣進度緩慢。近年來，寬帶載波通信芯片發展迅速，部分廠家對國內信道參數、噪聲進行了大量的積累和研究。在提供雙向、高速、實時通訊解決方案的同時，解決了國外寬帶芯片功耗較高的問題，適用于國網智能電表設計規范。

該方案的優勢如下：①真正實現了“全采集、全費控”的目標。費控的成功率和通訊時間，一方面，依賴于物理層通訊的穩定性；另一方面，取決于通訊重傳的次數，即系統對信道變化的實時適應性。寬帶方案在物理層設計方面有效地提升了PLC通訊質量，并利用多網絡自動協調技術、動態自適應多路徑路由技術和自動快速組網技術等使設備支持多條路徑廣播和并行抄表，大幅提高了系統的實時性。②抗噪聲和抗信道衰落能力強。OFDM技術把串行數據信息通過多個子載波并行傳輸，即在每個子載波上的信號時間相應地比單載波系統上的信號時間長很多，使OFDM具有更強的能力應對抗脈沖噪聲和信道快衰落，減少了符號間干擾（ISI）的影響。③無中繼傳輸距離得到了完善，阻抗穩定在50Ω左右，時變特性不明顯，有效地避免了因阻抗引發的衰減問題。經現場實測，無中繼設備傳輸超過了2 500 m。④解決了多臺變信號串擾問題，采用自動協調技術，無需人工干預，保持抄表不間斷運行；采用實時動態帶寬協調機制，根據串擾影響程度實時動態的協調帶寬，以確保通信的成功率。⑤支撐智能用電和能效管理業務。它能夠實時提供雙向、實時、高速和安全的通訊通道，點對點通訊達到1 Mbps的速率，大大地提高了并行通信的能力，為實現大數據量并行交互功能提供了必要的保障。

3 典型案例介紹

以下是唐山地區老舊小區寬帶載波方案改造案例。

3.1 現場描述

現場的實際情況是：①唐山市鐵三小區供安裝載波模塊662塊，原鼎信方案抄通率90%.②箱變315 kVA變壓器，平均戶用電負荷較小。信道噪聲相對較小，一般在幾百毫伏。③全部為架空走線，每單元12塊電表位于戶外的同一個表箱中。架空線為銅線，入電表側是鋁線。④集中器與電表距離較遠，且存在較強的干擾，原方案需要加裝中繼器才能滿足抄讀需求。具體的安裝現場如圖1所示。

圖1 安裝現場

3.2 測試分析

采用全頻時分多臺區方案，其運行穩定，抄表成功率、抄表延時平均、組網測試和升級測試均滿足現場驗收指標； 上行通信已調通，已對接到主站，實時抄讀成功率達到100%；能夠滿足費控要求。具體的測試數據如表1所示。

表1 測試數據

測試地點 功能點 子項 數值

唐山古冶小區 抄表成功率 日凍結成功率 100%

點抄成功率 100%

費控成功率 100%

抄表延時平均 點抄 556.9 ms

輪抄 109.7 ms

費控延時平均 拉閘 <50 s

合閘 <50 s

組網性能 全網組網 29 min

新模塊入網 30 s

升級 全網升級 100%（36 min）

點對點升級 25～30 s

穩定性 死機 無

4 總結

分布式能源管理、智能家居管理、智能樓宇控制與管理等都是未來電力的發展方向。用電信息采集系統作為提供雙向、高速、安全和穩定的數據通道，使集中器、采集器、智能表計、用戶智能交互終端等設備在用戶和電網公司之間形成了網絡互動和即時連接，保障了電量信息、應用和數據的實時、高速采集和傳輸。同時，根據智能表計、智能交互終端的自動事件上報，為設備故障分析提供了依據。在數據傳輸過程中，下行通信是至關重要的，雖然寬帶載波在近幾年剛剛推行，但是，已經經過了不斷完善和優化的過程，所以，其優勢在未來多元化、大數據量的發展中可以得到充分的驗證。

參考文獻

[1]孫海翠，張金波.低壓電力線載波通信技術研究與應用[J].電測與儀表，2006（08）.

〔編輯：白潔〕

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 典型案例介紹

以下是唐山地區老舊小區寬帶載波方案改造案例。

3.1 現場描述

現場的實際情況是：①唐山市鐵三小區供安裝載波模塊662塊，原鼎信方案抄通率90%.②箱變315 kVA變壓器，平均戶用電負荷較小。信道噪聲相對較小，一般在幾百毫伏。③全部為架空走線，每單元12塊電表位于戶外的同一個表箱中。架空線為銅線，入電表側是鋁線。④集中器與電表距離較遠，且存在較強的干擾，原方案需要加裝中繼器才能滿足抄讀需求。具體的安裝現場如圖1所示。

圖1 安裝現場

3.2 測試分析

采用全頻時分多臺區方案，其運行穩定，抄表成功率、抄表延時平均、組網測試和升級測試均滿足現場驗收指標； 上行通信已調通，已對接到主站，實時抄讀成功率達到100%；能夠滿足費控要求。具體的測試數據如表1所示。

表1 測試數據

測試地點 功能點 子項 數值

唐山古冶小區 抄表成功率 日凍結成功率 100%

點抄成功率 100%

費控成功率 100%

抄表延時平均 點抄 556.9 ms

輪抄 109.7 ms

費控延時平均 拉閘 <50 s

合閘 <50 s

組網性能 全網組網 29 min

新模塊入網 30 s

升級 全網升級 100%（36 min）

點對點升級 25～30 s

穩定性 死機 無

4 總結

分布式能源管理、智能家居管理、智能樓宇控制與管理等都是未來電力的發展方向。用電信息采集系統作為提供雙向、高速、安全和穩定的數據通道，使集中器、采集器、智能表計、用戶智能交互終端等設備在用戶和電網公司之間形成了網絡互動和即時連接，保障了電量信息、應用和數據的實時、高速采集和傳輸。同時，根據智能表計、智能交互終端的自動事件上報，為設備故障分析提供了依據。在數據傳輸過程中，下行通信是至關重要的，雖然寬帶載波在近幾年剛剛推行，但是，已經經過了不斷完善和優化的過程，所以，其優勢在未來多元化、大數據量的發展中可以得到充分的驗證。

參考文獻

[1]孫海翠，張金波.低壓電力線載波通信技術研究與應用[J].電測與儀表，2006（08）.

〔編輯：白潔〕

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 典型案例介紹

以下是唐山地區老舊小區寬帶載波方案改造案例。

3.1 現場描述

現場的實際情況是：①唐山市鐵三小區供安裝載波模塊662塊，原鼎信方案抄通率90%.②箱變315 kVA變壓器，平均戶用電負荷較小。信道噪聲相對較小，一般在幾百毫伏。③全部為架空走線，每單元12塊電表位于戶外的同一個表箱中。架空線為銅線，入電表側是鋁線。④集中器與電表距離較遠，且存在較強的干擾，原方案需要加裝中繼器才能滿足抄讀需求。具體的安裝現場如圖1所示。

圖1 安裝現場

3.2 測試分析

采用全頻時分多臺區方案，其運行穩定，抄表成功率、抄表延時平均、組網測試和升級測試均滿足現場驗收指標； 上行通信已調通，已對接到主站，實時抄讀成功率達到100%；能夠滿足費控要求。具體的測試數據如表1所示。

表1 測試數據

測試地點 功能點 子項 數值

唐山古冶小區 抄表成功率 日凍結成功率 100%

點抄成功率 100%

費控成功率 100%

抄表延時平均 點抄 556.9 ms

輪抄 109.7 ms

費控延時平均 拉閘 <50 s

合閘 <50 s

組網性能 全網組網 29 min

新模塊入網 30 s

升級 全網升級 100%（36 min）

點對點升級 25～30 s

穩定性 死機 無

4 總結

分布式能源管理、智能家居管理、智能樓宇控制與管理等都是未來電力的發展方向。用電信息采集系統作為提供雙向、高速、安全和穩定的數據通道，使集中器、采集器、智能表計、用戶智能交互終端等設備在用戶和電網公司之間形成了網絡互動和即時連接，保障了電量信息、應用和數據的實時、高速采集和傳輸。同時，根據智能表計、智能交互終端的自動事件上報，為設備故障分析提供了依據。在數據傳輸過程中，下行通信是至關重要的，雖然寬帶載波在近幾年剛剛推行，但是，已經經過了不斷完善和優化的過程，所以，其優勢在未來多元化、大數據量的發展中可以得到充分的驗證。

參考文獻

[1]孫海翠，張金波.低壓電力線載波通信技術研究與應用[J].電測與儀表，2006（08）.

〔編輯：白潔〕

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