，，

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

近年，國(guó)家電網(wǎng)公司加快用電信息采集系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱采集系統(tǒng))建設(shè)，在為電費(fèi)結(jié)算、線損分析、市場(chǎng)分析與節(jié)能服務(wù)、計(jì)量管理、客戶服務(wù)、用電檢查等營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)提供強(qiáng)大技術(shù)支撐基礎(chǔ)上，還將為規(guī)劃、調(diào)度、配電網(wǎng)等專業(yè)提供有效數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)“用電信息采集成果在電網(wǎng)規(guī)劃、安全生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理、優(yōu)質(zhì)服務(wù)工作中得到全面應(yīng)用”建設(shè)目標(biāo)。

采集系統(tǒng)主要由主站、終端和通信信道(包含遠(yuǎn)程和本地通信兩部分)3部分構(gòu)成，但在建設(shè)過(guò)程中，如何隨著通信技術(shù)進(jìn)步不斷優(yōu)化采集通信手段，提高通信成功率，解決大數(shù)據(jù)量的雙向交互，一直是采集系統(tǒng)推廣建設(shè)中面臨的問(wèn)題。為此，國(guó)家電網(wǎng)公司在智能電網(wǎng)的框架下對(duì)用電采集系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)事項(xiàng)作了原則性的規(guī)定，這就需要各個(gè)省(市)電力公司在國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，選擇適合的通信技術(shù)建設(shè)自己的用電采集系統(tǒng)。

1 采集系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外用電采集系統(tǒng)建設(shè)情況

在歐洲，用電采集系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展迅速，意大利、瑞典幾乎所有家庭都安裝了智能電表，英國(guó)、法國(guó)等西歐國(guó)家正積極推進(jìn)智能電表建設(shè)，已基本實(shí)現(xiàn)了工商用戶和部分居民用戶的用電信息自動(dòng)采集。在美國(guó)，全美20個(gè)州超過(guò)一半用戶正在使用智能電表。在日本，智能電表建設(shè)主要集中在關(guān)西地區(qū)，大地震引發(fā)核電危機(jī)后，為有效控制用電需求，智能電表建設(shè)步伐加快趨勢(shì)明顯。

采集系統(tǒng)通信方面，國(guó)外遠(yuǎn)程信道主要是光纖(以太網(wǎng))組網(wǎng)技術(shù)為主與無(wú)線公網(wǎng)并存局面，其中美國(guó)是以光纖為主。本地信道方面，美國(guó)推廣建設(shè)的智能電表基本是以Zigbee智能表，其本地通信大量采用微功率無(wú)線方式，英國(guó)、澳大利亞、印度主流應(yīng)用也是Zigbee微功率無(wú)線技術(shù)。西歐國(guó)家中，由于其低壓電力網(wǎng)上存在的電磁污染治理得較好，且其電器電磁兼容性的控制較為嚴(yán)格，所以電力線載波技術(shù)在西歐得到了相對(duì)廣泛的、成功的應(yīng)用，隨著電力線通信關(guān)鍵技術(shù)上取得的重要突破，本地通信方式多以載波技術(shù)為主。

1.2 國(guó)內(nèi)用電采集系統(tǒng)建設(shè)情況

國(guó)內(nèi)用電采集系統(tǒng)經(jīng)歷了第一、二代的發(fā)展，目前正進(jìn)入第三代建設(shè)起步階段，電力線載波技術(shù)、光纖通信等相關(guān)通信技術(shù)均取得了創(chuàng)新和突破。國(guó)內(nèi)各省(市)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程信道主要采用光纖、無(wú)線公網(wǎng)、無(wú)線專網(wǎng)的方式，本地信道主要采用485接線和載波(大部分是窄帶載波，少量寬帶載波)，微功率無(wú)線等方式也有應(yīng)用。

2 幾種主流信道技術(shù)

2.1 光纖通信

光纖通信是利用光波在光導(dǎo)纖維中傳輸信息的通信方式，主要分為有源光網(wǎng)絡(luò)通信和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)通信。光纖專網(wǎng)通信的接口方式有以太網(wǎng)(Ethernet)通信方式、RS232專線方式和E1方式。但是由于自建光纖成本較高，光纖通信尚未得到普及。

圖1 光纖通信

通過(guò)租用廣電網(wǎng)絡(luò)也可達(dá)到光纖通信的目的，基于廣電光纖網(wǎng)絡(luò)的集抄技術(shù)具備光纖通信速度快、傳輸數(shù)據(jù)量大的優(yōu)勢(shì)，避免了自建電力光纖入戶的高昂費(fèi)用，是節(jié)約資源的有效方式，具備發(fā)展前景。

2.2 無(wú)線公網(wǎng)

無(wú)線公網(wǎng)通訊是指電力計(jì)量裝置或終端通過(guò)無(wú)線通訊模塊接入到無(wú)線公網(wǎng)，再經(jīng)由專用光纖網(wǎng)絡(luò)接入到主站采集系統(tǒng)的應(yīng)用，目前無(wú)線公網(wǎng)主要有GPRS、CDMA、3G3種。

圖2 無(wú)線公網(wǎng)

2.3 微功率無(wú)線通信方式

微功率無(wú)線是在較短距離內(nèi)利用無(wú)線通信的低功耗通信技術(shù)。在低功耗、低成本的前提下，微功率無(wú)線利用高速微處理器技術(shù)解決通信難題，適合于測(cè)量點(diǎn)多、范圍分散場(chǎng)合的低壓抄表應(yīng)用。

2.4 低壓窄帶載波通信技術(shù)

電力線載波通信，是將信息調(diào)制為高頻信號(hào)并耦合至電力線路，利用電力線路作為介質(zhì)進(jìn)行通信的技術(shù)。低壓窄帶載波通信是指載波信號(hào)頻率范圍≤500 kHz的低壓電力線載波通信。DL/T 698 規(guī)定載波信號(hào)頻率范圍為3～500 kHz, 優(yōu)先選擇IEC 61000-3-8規(guī)定的電力部門(mén)專用頻帶9～95 kHz。

圖4 集中器+載波采集器+RS485電能表通信方案

2.5 低壓寬帶載波通信技術(shù)

電力線載波通信，是將信息調(diào)制為高頻信號(hào)并耦合至電力線路，利用電力線路作為介質(zhì)進(jìn)行通信的技術(shù)。和窄帶電力線載波技術(shù)不同，寬帶電力線載波系統(tǒng)工作在1～40 MHz頻率范圍內(nèi)，較好地避開(kāi)了千赫茲(kHz)頻段的常規(guī)低頻干擾，采用正交或擴(kuò)頻調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)兆級(jí)以上的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)物理層傳輸速率最高可達(dá)200 Mbps。寬帶電力線載波技術(shù)還處于發(fā)展階段，目前沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)變化和進(jìn)步較快，相互之間不能兼容。

圖5 集中器(集成寬、窄帶)+采集器+RS485電能表+載波電能表方案

2.6 總線通信

RS-485總線是基于RS-485總線與表計(jì)通信的有線通信方式。通信效率相對(duì)無(wú)線和載波可靠性高，但安裝難度大，需專門(mén)敷設(shè)線路組網(wǎng)，維護(hù)不方便，成本高。另外，在多雷的地區(qū)，雷擊損壞嚴(yán)重。

圖6 RS485通信方案

3 幾種主流采集組網(wǎng)方式比較

3.1 技術(shù)性能比較

如表1所示，根據(jù)各類信道組網(wǎng)方式的比較，從數(shù)據(jù)傳輸可靠性、通信實(shí)時(shí)性等主要信道傳輸指標(biāo)來(lái)考慮，光纖通道以其高速高可靠的傳輸性能，成為采集遠(yuǎn)程信道的首選。同時(shí)無(wú)線公網(wǎng)也以較高的速率、強(qiáng)大的并發(fā)處理能力、可靠的通信性能成為遠(yuǎn)程信道的次優(yōu)方案。在本地通信中，RS485總線方式以高可靠性、高度安全性成為本地通信的首選方案，窄帶載波(或窄帶載波+RS485線)、微功率無(wú)線等本地通信方案則因技術(shù)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，可在農(nóng)村或人口低密度地區(qū)采用。

3.2 投資成本比較

根據(jù)技術(shù)比較，RS485總線方式可作為本地通信方式的首選方案，按照四川省內(nèi)現(xiàn)有已經(jīng)完成的工程項(xiàng)目，對(duì)“自建光纖+485”、“廣電網(wǎng)絡(luò)+485”、“無(wú)線公網(wǎng)+485”3種主流組網(wǎng)方式投資成本進(jìn)行測(cè)算，如表2所示。

從投資成本看出，同樣采用RS485本地通信方式，遠(yuǎn)程通道采用無(wú)線公網(wǎng)戶均價(jià)格最低，其次是采用廣電網(wǎng)絡(luò)，最后是自建光纖。但在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，因遠(yuǎn)程信道中光纖網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本較高，可考慮基于多網(wǎng)融合的廣電網(wǎng)絡(luò)(即CATV網(wǎng)絡(luò))的建設(shè)方式。基于廣電CATV網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹悄芄芾斫K端將采集功能和集中功能集合在一起，通過(guò)RS 485接口采集電表讀數(shù)，終端內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)廣電的同軸電纜傳輸?shù)綇V電中心機(jī)房，在通過(guò)廣電機(jī)房的中心交換服務(wù)器交換，利用專用光纖到供電局的主站機(jī)房，整個(gè)傳輸線路不受任何的其它信道干擾。同時(shí)，部分小區(qū)內(nèi)廣電網(wǎng)絡(luò)的同軸線纜接口已經(jīng)位于電表箱的附近，施工方便，操作簡(jiǎn)單。采用廣電CATV網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程通信手段，在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、流暢性與帶寬方面較傳統(tǒng)GPRS集抄有了質(zhì)的突破，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的基礎(chǔ)上，更能利用CATV專線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的電價(jià)下發(fā)工作，成功率遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)GPRS集抄。

表1 用電信息采集系統(tǒng)信道建設(shè)方式比較

表2 用電信息采集系統(tǒng)信道建設(shè)成本比較

3.3 組網(wǎng)方式選擇

由于變電站關(guān)口、配變臺(tái)區(qū)、低壓用戶等采集終端類型不同，用電信息采集系統(tǒng)信道的選擇應(yīng)按照合理性和經(jīng)濟(jì)性的原則來(lái)選定，各類終端用電信息采集系統(tǒng)信道選擇合理性為

Pn(T)=∑KiXi

其中，Pn(T)表示終端T選用第n種信道建設(shè)方案的合理性；Ki表示因素Xi的影響權(quán)重；Xi表示第i個(gè)影響因素。

圖7 CTQ優(yōu)選法

這里考慮傳輸速率、采集成功率、數(shù)據(jù)傳輸可靠率和戶均投資額4個(gè)方面影響因素，則按照歸一化方法為

Xi=(X-MinValue)/(MaxValue-MinValue)

其中，X和Xi分別為轉(zhuǎn)換前、后的值；MaxValue、MinValue分別為樣本的最大值和最小值。

綜合各方面因素考慮，主要采用精益CTQ(Critical-to-Quality，重要品質(zhì)特性)優(yōu)選法實(shí)現(xiàn)權(quán)重Ki設(shè)定。如圖7所示，A、B、C、D分別代表在某一終端類型下，傳輸速率、采集成功率、數(shù)據(jù)傳輸可靠率和戶均投資額4個(gè)因素。

針對(duì)多因素情況，采用CTQ優(yōu)選法對(duì)因素進(jìn)行兩兩比較,充分顯示出因素與因素之間重要性的相互關(guān)系，并且判斷兩因素哪個(gè)更重要，最終得到影響權(quán)重。

4 用電信息采集系統(tǒng)組網(wǎng)建議

在選擇采集系統(tǒng)信道建設(shè)方案時(shí)，必須堅(jiān)持科學(xué)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性并重的原則。綜合以上的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析，按照組網(wǎng)方式選擇方法，提出用電信息采集系統(tǒng)信道建設(shè)建議方案如表3。

表3 各類終端用電信息采集系統(tǒng)信道建議方案

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[4] 張捷. 淮北電網(wǎng)基于EPON的用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D] .北京：華北電力大學(xué), 2012.