壽之奇，歐陽(yáng)柳

（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.浙江省電力公司，杭州 310007）

低壓用電信息采集系統(tǒng)是國(guó)家智能電網(wǎng)建設(shè)中用電環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)性工程，通過(guò)對(duì)低壓終端用戶用電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析，實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)控、遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程費(fèi)控、負(fù)荷管理、線損分析等功能[1]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有規(guī)?；瘧?yīng)用的采集模式主要有電力載波采集模式、小功率無(wú)線采集模式和基于GPRS采集器的采集模式，本文主要對(duì)上述3種采集模式進(jìn)行比較，探索符合不同環(huán)境下低壓用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)模式。

1 電力載波采集模式

1.1 電力載波采集模式簡(jiǎn)介

電力載波通信技術(shù)從20世紀(jì)90年代開始運(yùn)用于低壓用電信息采集（低壓集抄），這種采集模式由三級(jí)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示，第一級(jí)是通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)電能表和采集器之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，第二級(jí)是通過(guò)信號(hào)頻率小于500 kHz的低壓電力線載波實(shí)現(xiàn)采集器和集中器之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，第三級(jí)是通過(guò)GPRS無(wú)線公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)主站和集中器之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。

根據(jù)帶寬和速率，電力載波通信可分為窄帶通信系統(tǒng)和寬帶通信系統(tǒng)。窄帶低速芯片的指定帶寬一般在3～500 kHz，多采用FSK（頻移鍵控）、PSK（相移鍵控）、DSSS（直接序列擴(kuò)頻）和線性調(diào)頻Chirp等技術(shù)。寬帶高速芯片指帶寬限定在2～30 MHz，采用以O(shè)FDM（正交頻分復(fù)用）為核心的通信技術(shù)?；疽? Mbit/s的傳輸速率為界。

1.2 電力載波采集模式的優(yōu)點(diǎn)

（1）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本低、建設(shè)速度快。這種采集模式充分利用現(xiàn)有電力線資源，無(wú)需新建主傳輸網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)速度較快。此外由于這種采集技術(shù)在國(guó)內(nèi)已相當(dāng)成熟，相關(guān)附屬設(shè)備價(jià)格也較為低廉，綜合建設(shè)成本較低。

（2）運(yùn)行維護(hù)通信費(fèi)用低。這種采集模式一般是1個(gè)公變臺(tái)區(qū)設(shè)置1臺(tái)集中器，每個(gè)集中器配置1張SIM卡，以每個(gè)臺(tái)區(qū)100戶計(jì)，按杭州市電力局目前4元/月的GPRS通信套餐標(biāo)準(zhǔn)，平均每戶每年的通信費(fèi)用為0.48元。

（3）網(wǎng)絡(luò)的延伸性好。該采集模式不受信號(hào)覆蓋的制約，理論上只要電力線到達(dá)的地方就能采集到數(shù)據(jù)，比較適合偏遠(yuǎn)地區(qū)和障礙物多、不利于無(wú)線傳輸?shù)膮^(qū)域。

1.3 電力載波采集模式的缺點(diǎn)

（1）信道衰減制約信號(hào)傳輸距離[2]。由于低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和負(fù)載的多樣性與時(shí)變性，對(duì)高頻信號(hào)而言，低壓電力線實(shí)際是非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的負(fù)載在線上任意位置隨機(jī)連接和斷開，因此高頻信號(hào)的衰減必然存在。其次，低壓電力線的非均勻性傳輸信號(hào)還會(huì)遇到反射、駐波等復(fù)雜現(xiàn)象而引起信號(hào)衰減。

（2）噪音干擾制約信號(hào)傳輸質(zhì)量。低壓電力線不同于專門的數(shù)據(jù)通信線路，低壓電力線上有許多噪聲和干擾源，如吸塵器、電冰箱、洗衣機(jī)等，由于電器設(shè)備開停的頻繁性和不可控性導(dǎo)致電力線的特性不斷變化，使得低壓電力線通信具有時(shí)間上不可控的特點(diǎn)。

2 小功率無(wú)線采集模式

2.1 小功率無(wú)線采集模式簡(jiǎn)介

圖1 電力載波模式現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 小功率無(wú)線模式現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

小功率無(wú)線技術(shù)一般指發(fā)射功率在100 mW以下的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于能源、信息等諸多領(lǐng)域，比較典型的有藍(lán)牙技術(shù)，Zigbee技術(shù)，Z-Wave技術(shù)。這種采集模式由三級(jí)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，如圖2所示，第一級(jí)通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)電能表和采集器之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，第二級(jí)通過(guò)微功率組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集器和集中器之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，第三級(jí)通過(guò)GPRS無(wú)線公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)主站和集中器之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。小功率無(wú)線通信方式的頻點(diǎn)選擇較為重要，其通信效果直接影響抄表可靠性。

2.2 小功率無(wú)線采集模式的優(yōu)點(diǎn)

（1）網(wǎng)絡(luò)自組自管。通信節(jié)點(diǎn)有自組能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本低、建設(shè)速度快。無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)無(wú)須現(xiàn)場(chǎng)布線，減少了建設(shè)工程量和資金投入，是一種較為經(jīng)濟(jì)的建設(shè)模式。

（3）網(wǎng)絡(luò)容量大。由于無(wú)線通信速度快，網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到幾萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)的容量，能滿足臺(tái)區(qū)、廠區(qū)、甚至全地區(qū)集中抄表的需要。

（4）安裝維護(hù)方便。網(wǎng)絡(luò)自組自管，完全不需要人工干預(yù)通信網(wǎng)絡(luò)的配置、管理，安裝維護(hù)比其它電力集抄技術(shù)簡(jiǎn)單方便。

2.3 小功率無(wú)線采集模式的缺點(diǎn)

（1）通信距離受制約的因素較多。地理環(huán)境、電磁環(huán)境、氣候條件、發(fā)射機(jī)的射頻輸出功率、接收機(jī)的接收靈敏度、系統(tǒng)抗干擾能力、軟件糾錯(cuò)、天線類型和位置及其增益等都制約了通信的距離。此外，建筑墻體對(duì)信號(hào)的衰減是影響通信距離的另一主要原因。

（2）通信質(zhì)量受干擾的因素較多。同頻干擾是制約小功率無(wú)線集抄的重要因素，目前廣泛使用的車載尋呼、電臺(tái)、對(duì)講機(jī)、無(wú)線遙控設(shè)備等幾乎都用315～500 MHz的無(wú)線頻率，此外ISM頻段則有更多同頻設(shè)備，這對(duì)集抄信道傳輸質(zhì)量的影響極大。此外，溫度、電源電壓及環(huán)境改變引起的頻率漂移是影響通信質(zhì)量的另一因素。

3 GPRS采集器采集模式

3.1 GPRS采集模式簡(jiǎn)介

這種采集模式的組網(wǎng)較為簡(jiǎn)練，由二級(jí)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，如圖3所示，第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)電能表和采集器之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用GPRS專用通道[3]或內(nèi)部光纖通道[4]直接和主站實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。這種技術(shù)被廣泛運(yùn)用于變電站、電廠電能量信息采集和客戶負(fù)荷控制領(lǐng)域。2010年浙江省已開始在低壓配電網(wǎng)規(guī)?；茝V這種采集模式。

3.2 GPRS采集模式的優(yōu)點(diǎn)

（1）采集可靠性高。兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)均采用專用的通信網(wǎng)絡(luò)，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。杭州市電力局各變電所、電廠關(guān)口電能量采集信息系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)用電管理系統(tǒng)均采用這種模式，歷年來(lái)的一次采集數(shù)據(jù)完整率和月累計(jì)數(shù)據(jù)完整率均超過(guò)98.5%。

（2）能較好適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展要求。國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)十二五規(guī)劃已明確了基于電力線的三網(wǎng)融合光纖入戶的具體要求，該采集模式就是基于上述技術(shù)要求建設(shè)的，能較好地滿足低壓配電網(wǎng)智能用電的發(fā)展要求。

（3）組網(wǎng)的靈活性高。由于采集終端和主站之間的網(wǎng)絡(luò)選擇不會(huì)影響采集側(cè)的組網(wǎng)模式，因此在電力線復(fù)合光纖網(wǎng)未覆蓋前可以先選擇GPRS公網(wǎng)通道，光纖網(wǎng)建設(shè)完成后可實(shí)現(xiàn)靈活切換，避免重復(fù)建設(shè)。

圖3 GPRS（或光纖網(wǎng)）采集器模式現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.3 有線采集模式的缺點(diǎn)

（1）不宜在采集點(diǎn)分散區(qū)域推行。這種集抄模式非常適合集中裝表社區(qū)，每路RS485總線能帶32塊電能表，現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)工程量少，檢修運(yùn)維方便。由于每只采集器拖帶的采集點(diǎn)數(shù)量較大，可降低通信成本。但在電能表安裝較為分散的區(qū)域，則現(xiàn)場(chǎng)布線工程量大，且受RS485傳輸距離限制。此外，采集器拖帶電能表較少也會(huì)造成通信成本增加。

（2）建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本較高。如采用光纖網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)成本將遠(yuǎn)高于其它集抄模式。

4 實(shí)例分析

杭州市電力局近年來(lái)開展了低壓配電網(wǎng)客戶用電信息采集系統(tǒng)的探索與建設(shè)，截至2010年9月，全局已覆蓋低壓客戶16萬(wàn)余戶，其中城區(qū)用戶約14萬(wàn)戶，農(nóng)村用戶約2萬(wàn)戶，采集模式涵蓋了電力載波、小功率無(wú)線和GPRS采集器三類。按城區(qū)（集中裝表）和農(nóng)村（分散裝表）分別對(duì)3種采集模式的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用及運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 3種模式的建設(shè)和運(yùn)行成本統(tǒng)計(jì)（均值）元/戶

表1中，運(yùn)行成本的差異主要體現(xiàn)在GPRS通信月租費(fèi)，低壓集抄的通信套餐約4元/月；3種模式通信租費(fèi)以外的運(yùn)行成本差別不大，約2.5元/戶。從建設(shè)成本看，城區(qū)3種模式的成本基本相近，但農(nóng)村GPRS采集器模式的建設(shè)成本比其它兩種模式約高30%。從運(yùn)行成本看，GPRS采集模式的運(yùn)行成本較高，主要原因是該模式在采集側(cè)只有一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，每只采集器在城區(qū)平均接16只電能表，在農(nóng)村由于居住分散，每只采集器平均接6只電能表，而其它兩種模式一般每臺(tái)區(qū)1個(gè)集中器，每個(gè)集中器配置GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)和主站的數(shù)據(jù)交換。因此，GPRS采集器模式通信費(fèi)用明顯偏高。

表2為杭州市電力局2010年5-9月的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)均值。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集成功率指一次數(shù)據(jù)采集成功率，即主站單次招測(cè)終端返回當(dāng)前電能表窗口值的成功率；周期數(shù)據(jù)采集是指主站在24 h內(nèi)按設(shè)置的抄讀周期（一般為15 min～1 h）對(duì)電能表月凍結(jié)量進(jìn)行抄讀，抄讀成功一次即可計(jì)入成功率，同時(shí)停止當(dāng)日招測(cè)。本案例為窄帶載波，頻率范圍在 3～160 kHz，中心頻率為 120 kHz。小功率無(wú)線主頻點(diǎn)為470M，若受到干擾會(huì)有固定頻點(diǎn)跳頻。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集成功率和采集延時(shí)是低壓配電網(wǎng)智能用電供用電雙方交互的重要指標(biāo)，也是國(guó)家電網(wǎng)公司推廣智能費(fèi)控電能表，進(jìn)行遠(yuǎn)程跳閘和復(fù)電的關(guān)鍵性指標(biāo)。周期數(shù)據(jù)采集成功率則是衡量月度遠(yuǎn)程抄表結(jié)算的關(guān)鍵指標(biāo)。表2中的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，GPRS采集器模式的各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互和遠(yuǎn)程抄表結(jié)算的要求，電力載波和小功率無(wú)線模式在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互方面有所欠缺，但能基本滿足周期性遠(yuǎn)程抄表結(jié)算的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)十二五規(guī)劃的要求，浙江電網(wǎng)擬在2015年前實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電網(wǎng)客戶計(jì)量裝置的全采集、全覆蓋、全費(fèi)控。浙江地理環(huán)境較為復(fù)雜，城區(qū)和農(nóng)村的住房結(jié)構(gòu)和分布、配電網(wǎng)供電質(zhì)量、移動(dòng)公網(wǎng)信號(hào)強(qiáng)弱分布等方面差異較大。同時(shí)，目前3種主流采集模式都存在自身的技術(shù)瓶頸。因此，只采用一種采集模式來(lái)開展低壓配電網(wǎng)客戶用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)有較大的局限性。此外，城區(qū)和農(nóng)村的需求側(cè)管理也存在差異，城區(qū)對(duì)智能用電有較高的需求，而農(nóng)村需求主要體現(xiàn)在周期性遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表上，因此區(qū)域性低壓配電網(wǎng)用電采集系統(tǒng)的建設(shè)必須根據(jù)區(qū)域需求的差異化，結(jié)合環(huán)境特點(diǎn)、建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本，以多種采集模式互補(bǔ)的形式來(lái)開展。結(jié)合浙江低壓配電網(wǎng)的實(shí)際特點(diǎn)，較為合理的低壓配電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)模式是：以GPRS采集器模式為主要采集模式，滿足采集點(diǎn)集中、布線簡(jiǎn)單區(qū)域（城區(qū)和中心集鎮(zhèn)）的數(shù)據(jù)采集，以小功率無(wú)線和電力載波模式作為補(bǔ)充形式，以滿足采集點(diǎn)分散、布線困難區(qū)域（山區(qū)、農(nóng)村）的數(shù)據(jù)采集。

表2 3種模式運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

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