董俐君 ，張 芊 ，祝恩國 ，劉 宣

（1.中國電力科學(xué)研究院 北京 100192；2.國網(wǎng)北京市電力公司 北京 100061）

1 引言

用電信息采集系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，主要覆蓋營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用的電能信息采集業(yè)務(wù)，對電力用戶的用電信息進(jìn)行采集、處理和實時監(jiān)控，實現(xiàn)用電信息的自動采集、用電異常監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電業(yè)務(wù)管理、分布式能源監(jiān)控、智能用電信息交互、增值服務(wù)等功能。選用穩(wěn)定可靠的通信技術(shù)是用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，采集終端和系統(tǒng)主站之間的遠(yuǎn)程通信必須保證其可靠性、實時性和安全性，否則將對整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來很大影響[1～3]。230 MHz無線專網(wǎng)通信技術(shù)是用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)中一種重要的遠(yuǎn)程通信技術(shù)，其糾錯能力強，數(shù)據(jù)處理效率高，支持事件上報功能，在很大程度上解決了光纖通信方式成本高的問題，在用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮了積極作用。在早期用戶數(shù)量不是很多的情況下，這種基本的通信方式不僅能很好地滿足業(yè)務(wù)需求，而且技術(shù)簡單成熟。隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，用電用戶數(shù)不斷增長，電網(wǎng)的智能化和信息化迫切需要尋求一種更為高效、快速、可靠的通信系統(tǒng)。但由于230 MHz無線專網(wǎng)通信方式自身的限制，存在通信速率低、接入點較少、采集成功率不高、實時性較差的問題。

為更好地解決目前230 MHz無線專網(wǎng)在采集速度、采集用時及系統(tǒng)容量上的問題，進(jìn)一步提升230 MHz無線專網(wǎng)在數(shù)據(jù)采集方面的整體優(yōu)勢，需要深入研究基于新型通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)通信技術(shù)方案，為建設(shè)用電信息采集系統(tǒng)提供有力支撐。本文開展了新型通信技術(shù)SGWM在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，提出了基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)的通信系統(tǒng)的技術(shù)方案以及功能實現(xiàn)，重點分析通信系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計組網(wǎng)方案。分析結(jié)果表明，基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用效果較好，對進(jìn)一步提高用電信息采集系統(tǒng)通信的可靠性、實時性和安全性，降低系統(tǒng)建設(shè)費用具有重要意義，為推廣應(yīng)用信息雙向交互和加快推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)提供技術(shù)支持。

2 通信系統(tǒng)概述

2.1 SGWM與230 MHz數(shù)傳電臺技術(shù)對比

SGWM是一種新興的無線寬帶接入技術(shù)，可以為用戶提供無線數(shù)據(jù)接入服務(wù)，基于IEEE 802.16技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以替代現(xiàn)有的有線和DSL連接方式，提供“最后一公里”的無線寬帶接入，并且在成本、傳輸距離和帶寬方面都具有諸多優(yōu)勢，目前在北美、歐洲等地區(qū)獲得廣泛應(yīng)用和關(guān)注，在亞洲地區(qū)也呈現(xiàn)出旺盛的生命力和良好的應(yīng)用前景。目前基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用尚未開展較多研究，其與230 MHz數(shù)傳電臺的技術(shù)對比見表1，可見SGWM新型通信技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景[4～10]。

2.2 通信系統(tǒng)構(gòu)成

基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)的通信系統(tǒng)由多臺基站設(shè)備、基站管理的大量終端通信模塊和相關(guān)的軟硬件傳輸設(shè)備構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。通信主體包括主站、基站和終端通信模塊3部分，其主站與基站之間通過有線鏈路連接，可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸；基站與終端之間構(gòu)成點對多點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向通信。

表1 SGWM與230 MHz數(shù)傳電臺技術(shù)對比

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在下行鏈路，主站可向下發(fā)送查詢指令與管理指令，數(shù)據(jù)經(jīng)過有線鏈路傳送到基站，基站通過無線鏈路發(fā)送到終端的通信模塊，再傳到終端內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；在上行鏈路，終端將主站查詢結(jié)果與采集所得的用電信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站，基站將數(shù)據(jù)經(jīng)過有線鏈路轉(zhuǎn)發(fā)到主站。在主站與終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的整個過程中，基站只具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，并不具備數(shù)據(jù)處理功能。但基站具有對無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)、在網(wǎng)管理與所轄終端退網(wǎng)管理的主導(dǎo)權(quán)利。

2.2.1主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。主站系統(tǒng)由應(yīng)用服務(wù)器、前置服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、接口服務(wù)器等組成，主要完成業(yè)務(wù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集、協(xié)議處理、通信調(diào)度、數(shù)據(jù)庫管理、運行管理、現(xiàn)場管理等功能，存儲所有電力用戶的電能信息，并與營銷管理應(yīng)用系統(tǒng)或其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)接口。

圖2 系統(tǒng)主站結(jié)構(gòu)

2.2.2 基站設(shè)備

基站負(fù)責(zé)遠(yuǎn)端通信，其下行鏈路接收主站下發(fā)的管理信息，并通過無線信道轉(zhuǎn)發(fā)給終端通信模塊；上行鏈路接收終端通信模塊通過無線信道發(fā)送的響應(yīng)信息和采集數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給主站?；就瑫r負(fù)責(zé)230 MHz無線通信系統(tǒng)的管理，包括終端通信模塊的驗證、入網(wǎng)、組網(wǎng)和退網(wǎng)等。

2.2.3 終端通信模塊

終端通信模塊負(fù)責(zé)本地通信，其下行鏈路接收接入設(shè)備通過無線信道轉(zhuǎn)發(fā)的管理信息，并通過本地接口轉(zhuǎn)發(fā)給終端電能模塊；上行鏈路接收終端電能模塊的響應(yīng)和采集數(shù)據(jù)，并通過無線信道轉(zhuǎn)發(fā)給接入設(shè)備。終端通信模塊同時響應(yīng)接入設(shè)備的通信系統(tǒng)管理指令，并根據(jù)需要支持智能路由功能。

3 通信系統(tǒng)功能

3.1 通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能

通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能介紹如下。

（1）用電信息傳輸

在指定時間將終端存儲的用電信息數(shù)據(jù)傳送至主站；在限定時間內(nèi)將所有用電數(shù)據(jù)傳送完畢；保證通信過程的可靠性與實時性。

（2）組網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)管理

硬件設(shè)備上電后，基站對其所覆蓋的所有終端的通信模塊進(jìn)行自動組網(wǎng)，并根據(jù)指定協(xié)議方式形成具有較高穩(wěn)定性的無線網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)正常建立后，基站可以對相應(yīng)終端進(jìn)行監(jiān)測與管理，在終端出現(xiàn)異常時，基站可強制其退網(wǎng)。在基站容量范圍內(nèi)，新增加的終端通信模塊可實時地通過競爭時隙入網(wǎng)。

（3）主站查詢與控制

主站通過通信網(wǎng)絡(luò)實時、定向地查詢專變用戶的用電信息，可以動態(tài)掌握終端設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的工作狀態(tài)、物理屬性等，實時控制終端通斷電。主站通過通信網(wǎng)絡(luò)掌握用戶用電狀態(tài)，并根據(jù)用電狀態(tài)分析用戶是否正常用電。當(dāng)用戶欠費或者用電出現(xiàn)異常時，主站可及時進(jìn)行相應(yīng)處理。

3.2 基站功能

基站功能介紹如下。

· 定期接收終端發(fā)送的用戶用電信息，并發(fā)送至主站。

·對接入系統(tǒng)的終端以及無線資源進(jìn)行管理，使用電信息采集系統(tǒng)中的設(shè)備處于同步狀態(tài)，實現(xiàn)了資源的合理利用，是用電信息采集系統(tǒng)得以正常工作的關(guān)鍵。

·負(fù)荷監(jiān)測、控制功能。根據(jù)上級要求，定時多播或廣播配電指令，是實現(xiàn)用電信息采集系統(tǒng)有序供電、分時段用電的核心步驟。

· 數(shù)據(jù)處理功能?；究梢詫?shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理，對于傳輸錯誤的數(shù)據(jù)，可以要求終端重傳。通過此功能可避免到更高層判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，減小了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r延，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.3 終端通信模塊的功能

終端通信模塊的功能介紹如下。

·終端通信模塊在規(guī)定的時間內(nèi)自動發(fā)送用電信息到基站，是用電信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表業(yè)務(wù)的重要條件。

序列密碼起源于Vernam密碼，1917年，G.Vernam提出了流密碼Vernam cipher，若密鑰流字符是隨機的，那么Vernam密碼成為一次一密，這種密碼在一定條件下是無條件安全的。當(dāng)然序列密碼也存在缺陷，即密鑰的個數(shù)必須和明文的個數(shù)相同，密鑰的分配和管理十分的困難。1949年，Shannon信息論的提出為序列密碼奠定了理論基礎(chǔ)。序列密碼分為同步序列密碼SSC和自同步序列密碼SSSC。相比于分組密碼，序列密碼特殊在于它每次用一個密鑰加密一個比特，它的速度更快，占用硬件資源更少。

·終端通信模塊將主站所發(fā)的配電指令數(shù)據(jù)從串口傳入終端主板，終端主板再對其所控制的負(fù)荷進(jìn)行控制，這也是用電信息采集系統(tǒng)完成負(fù)荷管理功能、電力調(diào)度業(yè)務(wù)，實現(xiàn)有序供電的最終執(zhí)行步驟。

·終端通信模塊根據(jù)基站廣播定期向基站發(fā)送自身的終端管理參數(shù)（如IP地址、MAC地址等），是用電信息采集系統(tǒng)對接入網(wǎng)絡(luò)終端和系統(tǒng)資源進(jìn)行管理，實現(xiàn)系統(tǒng)自動巡檢的關(guān)鍵條件之一。

4 基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信組網(wǎng)技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 載波聚合復(fù)用技術(shù)

由于用電信息采集系統(tǒng)電力無線寬帶所分配的頻點較少、帶寬較窄、頻點離散分布，當(dāng)一個小區(qū)的頻點受到干擾時，無法自動實現(xiàn)頻率調(diào)整，需要人工進(jìn)行切換，工作量大，且不易實現(xiàn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能難以滿足日益增長的電力系統(tǒng)高速無線通信的需求。為充分利用電力行業(yè)40個離散頻點，用電信息采集系統(tǒng)考慮利用最新的載波聚合技術(shù)，在接入設(shè)備實現(xiàn)與多個頻點的終端同時通信，終端通信模塊支持多個頻點間的切換，實現(xiàn)一個基站同時支持與多個頻點的終端進(jìn)行通信，以解決頻帶資源受限的問題，滿足視頻業(yè)務(wù)進(jìn)行多子帶傳輸?shù)母咚俾侍匦?，有效提高系統(tǒng)容量。

4.2 智能路由技術(shù)

在用電信息采集系統(tǒng)中，接入設(shè)備與隱藏終端的通信通過智能路由技術(shù)實現(xiàn)，接入設(shè)備下屬的所有終端通信模塊都應(yīng)具有中繼能力，各終端通信模塊的中繼級別與功能由實際鏈路環(huán)境確定。采集終端自動掃描可用頻點信息，并根據(jù)基站指令自動切換工作頻點。基站和終端的頻點切換均是自動完成，不需人工到基站和終端現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試設(shè)置，提高了用電信息采集系統(tǒng)的承載能力，達(dá)到擴大系統(tǒng)服務(wù)規(guī)模的目的，為實現(xiàn)客戶雙向互動服務(wù)提供了技術(shù)支撐，極大地提高了用電信息交互的便捷性、實時性、準(zhǔn)確性。

4.3 異頻組網(wǎng)技術(shù)

為了適應(yīng)230 MHz無線專網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)具有的數(shù)據(jù)量小、突發(fā)性、用戶數(shù)量多的特點，SGWM接入網(wǎng)主要是無線基站，支持無線資源管理等功能，核心網(wǎng)支持用戶認(rèn)證、漫游等功能。用電信息采集系統(tǒng)的組網(wǎng)方式采用異頻蜂窩組網(wǎng)方案，每個蜂窩組（簇）由7個蜂窩小區(qū)組成，每個蜂窩小區(qū)預(yù)先分配至少一個授權(quán)頻點，使系統(tǒng)更好地實現(xiàn)主動上報，提升了信道的傳輸速率，增大了網(wǎng)絡(luò)容量。

4.4 安全防護(hù)技術(shù)

由于230 MHz電臺采用透明傳輸模式，無糾錯能力和加密功能，要想實現(xiàn)糾錯和加密，只能在采集終端或主站計算機上進(jìn)行，使傳輸時延非常大，影響了系統(tǒng)的吞吐量，從而導(dǎo)致用電信息采集系統(tǒng)信息采集量巨大、覆蓋面廣、面臨的安全隱患較多，威脅到電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行。為了確保用電信息采集系統(tǒng)主站、通信信道和采集終端的安全，需要針對采集系統(tǒng)各環(huán)節(jié)可能存在的安全隱患，全面實施安全防護(hù)體系建設(shè)方案。系統(tǒng)主站要部署高速密碼機，用于主站側(cè)數(shù)據(jù)的加/解密，主要實現(xiàn)身份認(rèn)證、密鑰協(xié)商、密鑰更新、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的加/解密、MAC計算和數(shù)據(jù)校驗等功能；在專變采集終端、集中器和智能電能表中安裝安全加密模塊，用于采集設(shè)備與主站、智能電能表之間進(jìn)行的身份識別、安全認(rèn)證、關(guān)鍵信息和敏感信息安全傳輸，實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)的加/解密，實現(xiàn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的完整性、機密性、可用性和可靠性。

5 組網(wǎng)方案設(shè)計與分析

本文以蜂窩組網(wǎng)為例。從電力專用授權(quán)的40個離散頻點來看，主要分布在3個相對集中的頻段，分別是15對雙工頻點和10個單工頻點。因此，組網(wǎng)方式比較靈活，如果考慮通過系統(tǒng)的頻率復(fù)用以及容量來減小干擾，可以采用同頻組網(wǎng)；如果考慮減小用戶之間的干擾，可以考慮異頻組網(wǎng)。

5.1 異頻蜂窩組網(wǎng)方案

理論上，使用同一頻率的區(qū)域彼此相隔一定的距離（稱為同頻復(fù)用距離），就能使同頻干擾抑制到允許的范圍以內(nèi)。在實際的組網(wǎng)規(guī)劃中，根據(jù)需要，可以選取不同的頻率復(fù)用因子N。

如果把40個離散頻點劃分成7個頻點集合 （每個包含5個或6個頻點），每個基站使用1個頻率集，基站同時使用4個頻點與所轄的終端通信，終端只是用其中的1個頻點，剩余的1～2個頻點作為備用頻點，在頻點收到干擾時切換使用。此時組網(wǎng)方式的頻率復(fù)用因子N=7，如圖3所示。

圖3 異頻組網(wǎng)

圖3中，A小區(qū)對應(yīng)的小區(qū)基站同時使用4個頻點（另有1～2個備用頻點），終端使用的頻點可以根據(jù)實際需求進(jìn)行劃分，但終端同一時刻只能使用該頻率集內(nèi)的一個頻點。對于一個頻點，基站與終端之間采用點對點（P2P）的通信方式，對于整個小區(qū)來說，基站與終端之間采用點對多點（PMP）的通信方式。

5.2 同頻蜂窩組網(wǎng)方案

頻率復(fù)用意味著在一個較大的區(qū)域內(nèi)存在多個同頻小區(qū)，其相互干擾稱為同頻干擾或同信道干擾（CCI）。同頻干擾無法通過增大/減小發(fā)射功率來克服，因為增大發(fā)射功率雖能提高本小區(qū)的接收信干噪比，但會增大對相鄰小區(qū)的同頻干擾；反之，雖能減小對相鄰小區(qū)的同頻干擾，但也會降低本小區(qū)的接收信干噪比。一般采取的措施是保證同頻小區(qū)必須相隔一個最小距離，為電波傳播提供充分的空間間隔。

分析表明，如果小區(qū)大小和形狀一樣，各小區(qū)發(fā)射功率相同，那么同頻復(fù)用比例Q與發(fā)射功率無關(guān)，而與小區(qū)半徑R、最小同頻小區(qū)間距D相關(guān)。

對于六邊形蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)，同頻復(fù)用比例Q為：

其中，N為簇的大?。创刂行^(qū)數(shù)）。

由式（1）可見，Q值越大，同頻小區(qū)間距和小區(qū)覆蓋半徑之比就越大，來自同頻小區(qū)的輻射能量就越小，信干噪比就越高，通信質(zhì)量也越好；而Q值較小時，簇也小，意味著在覆蓋范圍中可容納更多的簇，系統(tǒng)能獲得更大的容量。因此，在設(shè)計蜂窩系統(tǒng)時，需要在同頻干擾和系統(tǒng)容量之間進(jìn)行權(quán)衡。

顯然，如果電波傳播路徑無特殊變化，距離增加一倍，場強約衰減12 dB。由此可以分析，下行場強22 dBμV/m衰減到0 dBμV/m時，電波傳播路徑約為有效覆蓋半徑的4倍。但山區(qū)地貌及城市建筑物密集區(qū)應(yīng)考慮乘以60%的衰減，即電波傳播路徑為有效覆蓋半徑的2.5倍左右。

表2為小區(qū)覆蓋半徑與同頻小區(qū)最小間距之間的關(guān)系參考，以此指導(dǎo)小區(qū)覆蓋規(guī)劃。

表2 小區(qū)覆蓋半徑與同頻小區(qū)間距之間關(guān)系

對于230 MHz頻點蜂窩系統(tǒng)，同頻點基站之間的距離不小于基站覆蓋半徑的4倍即可，例如基站覆蓋半徑設(shè)定為3 km時，同頻點基站之間的距離應(yīng)大于12 km。

比較同頻、異頻蜂窩組網(wǎng)方案，為了適應(yīng)230 MHz無線專網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)具有的數(shù)據(jù)量小、突發(fā)性、用戶數(shù)量多的特點，用電信息采集系統(tǒng)的組網(wǎng)方式采用異頻蜂窩組網(wǎng)方案，每個蜂窩組（簇）由7個蜂窩小區(qū)組成，每個蜂窩小區(qū)預(yù)先分配至少一個授權(quán)頻點，使系統(tǒng)更好地實現(xiàn)了主動上報，提升了信道的傳輸速率，增大了網(wǎng)絡(luò)容量。

6 試點應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析

基于SGWM的230 MHz無線寬帶通信技術(shù)在國網(wǎng)福建省電力有限公司永春電力公司得到成功應(yīng)用，接入7個試點小區(qū)，共2 184戶，其中城東南街變電站、新安小區(qū)25#變電站、縣農(nóng)業(yè)局門口變電站和服務(wù)大廈門口變電站為窄帶載波，君悅江山2#、3#、5#變電站為寬帶載波。試點工程小區(qū)終端接入和召測情況見表3。

7 結(jié)束語

針對現(xiàn)有230 MHz無線專網(wǎng)在用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用中的不足，為滿足智能電網(wǎng)互動化、智能化、實時性、可靠性的要求，提出了一種新型用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案，并且進(jìn)行了現(xiàn)場試驗驗證。試驗結(jié)果表明，基于SGWM的230 MHz新型通信組網(wǎng)架構(gòu)更符合電力無線專網(wǎng)需要，具有速度快、容量大、頻譜資源利用效率大、通信成功率高的優(yōu)勢，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，增大了用戶容量，提高了頻譜資源利用效率，為采集系統(tǒng)的應(yīng)用提供了新的數(shù)據(jù)傳輸方式，具有廣闊的應(yīng)用前景，滿足用電信息采集系統(tǒng)全覆蓋、全采集的應(yīng)用要求，為加快推進(jìn)用電信息采集系統(tǒng)和智能電網(wǎng)建設(shè)提供技術(shù)支撐。

表3 終端接入和召測情況

1 劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù).北京：中國電力出版社，2010

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2 張文亮,劉壯志,王明俊等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢.電網(wǎng)技術(shù),2009,33(13):1～11

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