吳飛財(cái)

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安366000)

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無信號覆蓋區(qū)域電能數(shù)據(jù)采集方法研究與應(yīng)用

吳飛財(cái)

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安366000)

公網(wǎng)通信質(zhì)量是影響電能數(shù)據(jù)采集效果的重要因素。針對無信號區(qū)域電能數(shù)據(jù)無法采集的問題，首先從技術(shù)原理與技術(shù)特點(diǎn)兩方面介紹4種解決方法；其次，從通信速率、可靠性、成本等維度對4種方法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析；最后結(jié)合電力公司小水電站電能數(shù)據(jù)采集需求，給出4種方法的適用場景，用于無信號區(qū)域用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的方案選擇及提高公網(wǎng)通信質(zhì)量。

公網(wǎng)通信；無信號覆蓋；電能計(jì)量終端；電能數(shù)據(jù)采集

國家電網(wǎng)公司與中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司(以下簡稱“南方電網(wǎng)”)均在大力開展用電信息采集系統(tǒng)(計(jì)量自動化系統(tǒng))建設(shè)，期望實(shí)現(xiàn)電力用戶電能數(shù)據(jù)自動采集全覆蓋。計(jì)量終端[1-2]采集的電能數(shù)據(jù)主要通過無線公網(wǎng)、無線專網(wǎng)、光纖等通信方式上送給主站，但在部分地區(qū)，由于電信運(yùn)營商尚未實(shí)現(xiàn)信號覆蓋，計(jì)量終端無法將數(shù)據(jù)及時(shí)上傳，影響了電量數(shù)據(jù)的完整性。特別是小水電站用戶，受地理環(huán)境限制無信號覆蓋，而其發(fā)電量又較大，若電網(wǎng)公司無法及時(shí)采集電能數(shù)據(jù)，容易造成結(jié)算困難。

解決無信號覆蓋區(qū)域的電能數(shù)據(jù)采集問題，一般面臨如下難題：

a) 運(yùn)行維護(hù)困難。無信號覆蓋區(qū)域一般交通不便，每次人工運(yùn)行維護(hù)的成本均較高，無法實(shí)現(xiàn)日常巡檢。

b) 低壓電源取電困難。小水電站一般通過10 kV線路并網(wǎng)發(fā)電，而通信設(shè)備需要低壓電源，因此只能部署在小水電站附近。

c) 通信設(shè)備可靠性要求高。無信號區(qū)域一般地處野外，通信設(shè)備容易受自然和人為破壞，需要工作原理簡單，可靠性高的解決方案。

為了提高無信號區(qū)域電能數(shù)據(jù)采集覆蓋率，提升數(shù)據(jù)采集速度，減少人工運(yùn)行維護(hù)工作量，本文首先介紹幾種解決方法，然后從技術(shù)、可靠性、成本等方面進(jìn)行比較研究，最后給出典型應(yīng)用場景的解決方法，以期解決上述難題。

1　采集方法介紹

電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電能數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

吳飛財(cái)：無信號覆蓋區(qū)域電能數(shù)據(jù)采集方法研究與應(yīng)用從圖1可知道，計(jì)量終端通過下行通道采集電能表數(shù)據(jù)，再通過上行通道將數(shù)據(jù)發(fā)送至主站。在無信號覆蓋區(qū)域，主要存在終端與主站間的上行通道無法通信的問題。

解決方法一般有兩類:一是將終端移至信號覆蓋區(qū)，再改造下行通道，使終端能與處在無信號區(qū)域的電能表進(jìn)行通信，如圖2所示；二是改造上行通道，使無信號區(qū)域的終端能與主站進(jìn)行正常通信，如圖3所示。

圖2　改造下行通道示意圖

圖3　改造上行通道示意圖

1.1衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信[3]不受通信距離的限制，無須信號中繼；衛(wèi)星通信不受環(huán)境因素影響，具備全天候通信能力。利用上述優(yōu)點(diǎn)改造下行通道，可將終端置于便于管理的信號覆蓋區(qū)域，且無需對主站進(jìn)行任何改造，衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　基于衛(wèi)星通信的電能數(shù)據(jù)采集流程

衛(wèi)星通信不受電網(wǎng)噪聲干擾，但建設(shè)成本和使用費(fèi)用均較高，且通信速率受限。

1.2中壓載波

中壓載波[4]利用10 kV電力線作為通信通道，通過耦合器傳輸電能數(shù)據(jù)。中壓載波無需布設(shè)通信電纜，通信速率為300～600 bps，可滿足一般抄表任務(wù)的需求。利用中壓載波改造下行通道，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

中壓載波使用費(fèi)用較低，但需停電安裝耦合電感，且載波信號易受電網(wǎng)噪聲干擾。

1.3信號中繼

信號中繼[5]可有效擴(kuò)展無線信號覆蓋范圍，特別適用于終端離信號覆蓋區(qū)域較近的應(yīng)用場合?？墒褂弥狈耪?、230 MHz電臺中繼設(shè)備實(shí)現(xiàn)信號中繼功能。利用信號中繼改造上行通道如圖6所示。

圖6　基于信號中繼的電能數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

信號中繼設(shè)備一般采用低壓供電，需解決低壓電源的獲取問題，且中繼效果受距離和障礙物的影響。

1.4計(jì)量點(diǎn)遷移

若電力用戶位于10 kV饋線的末端，可將計(jì)量點(diǎn)前移至有信號覆蓋的線路分支點(diǎn)，解決信號覆蓋問題。計(jì)量點(diǎn)遷移涉及到線損管理的問題，遷移會增大用戶的線損，容易引起糾紛。而且計(jì)量點(diǎn)遷移需要移動包括互感器在內(nèi)的所有電能計(jì)量設(shè)備，改造工作量較大。

2　分析比較

上述4種采集方法在技術(shù)上各有特點(diǎn)，電能數(shù)據(jù)采集質(zhì)量取決于通信通道的速率[6]、抗干擾能力、通信穩(wěn)定性等因素[7]。此外，采集方法應(yīng)盡量減少需要改造的組件，降低改造難度。下面從幾個(gè)方面對4種采集方法作比較。

2.1通信速率

2.1.1衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信一般利用北斗衛(wèi)星的短報(bào)文服務(wù)實(shí)現(xiàn)雙向通信。受限于短報(bào)文的發(fā)送長度和發(fā)送頻率，支持的傳輸速率僅為100 B/min。對于主站隨機(jī)召測的響應(yīng)速度較慢，至少需要2 min。因此需要通過數(shù)據(jù)壓縮和交互流程優(yōu)化才能滿足電能數(shù)據(jù)的采集要求。

2.1.2中壓載波

中壓載波的通信速率在0.3～1 Kbps范圍之內(nèi)。為了提高抗干擾能力，速率一般選為300～600 bps，此速率與低壓窄帶載波的傳輸速率相同，可滿足電能數(shù)據(jù)的采集需求。對主站隨機(jī)召測的響應(yīng)時(shí)間一般小于1 min。

2.1.3信號中繼

信號中繼對終端上行通道的影響較小，且不影響正常的下行抄表速度。因此隨機(jī)召測的響應(yīng)時(shí)間小于30 s。在電能數(shù)據(jù)采集方面，基本能滿足計(jì)量高級應(yīng)用。

2.1.4計(jì)量點(diǎn)遷移

計(jì)量點(diǎn)遷移之后對計(jì)量終端的上下行通信通道均無影響，因此隨機(jī)召測的響應(yīng)時(shí)間小于15 s。在電能計(jì)量業(yè)務(wù)上可滿足各種高級應(yīng)用的需求。

4種采集方法在通信速率方面的比較結(jié)果見表1。

表14種采集方法在通信速率上的對比

采集方法上行通道速率/Kbps下行通道速率隨機(jī)召測響應(yīng)時(shí)間對計(jì)量業(yè)務(wù)的影響衛(wèi)星通信50～100100B/min>2min只能抄讀重要數(shù)據(jù)中壓載波50～100300～600bps<1min滿足基本采集需求信號中繼20～502.4～9.6Kbps<30s基本滿足高級應(yīng)用計(jì)量點(diǎn)遷移50～1002.4～9.6Kbps<15s滿足各種高級應(yīng)用

注：假設(shè)終端上行通信采用2G網(wǎng)絡(luò)。

2.2可靠性比較

2.2.1衛(wèi)星通信

民用衛(wèi)星通信具有抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但由于短報(bào)文容量的限制，一旦發(fā)生短報(bào)文丟失或延遲現(xiàn)象，則會帶來數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)時(shí)間大幅增長的問題。且由于通信速率低，無法采用高效的補(bǔ)抄機(jī)制，容易出現(xiàn)主站缺數(shù)的情況。

2.2.2中壓載波

中壓載波利用10 kV電力線路傳輸信號，電網(wǎng)的諧波、噪聲、阻抗變化均會影響通信效果。特別是在干擾嚴(yán)重的時(shí)間段，可能出現(xiàn)載波通信中斷的現(xiàn)象。中壓載波需要一直嘗試通信，采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)抄機(jī)制，才能保證所采集電能數(shù)據(jù)基本完整。

2.2.3信號中繼

信號中繼需要選擇適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)安裝中繼器，且需解決低壓取電的問題。信號在中繼傳播時(shí)容易受到地理環(huán)境的干擾，若在使用過程中出現(xiàn)障礙物，則將影響信號中繼效果。此外，野外環(huán)境不容易獲得低壓電源且容易遭外力破壞。盡管可采用蓄電池、風(fēng)光發(fā)電等技術(shù)手段，但是電源可靠性較低。

2.2.4計(jì)量點(diǎn)遷移

計(jì)量點(diǎn)遷移能夠較好地解決通信可靠性問題。遷移時(shí)電壓、電流互感器也跟著遷移，因此電源可靠性得到保障。只要遷移地點(diǎn)信號覆蓋質(zhì)量好，則可獲得較高的通信可靠性。

4種采集方法可靠性比較結(jié)果見表2。

表24種采集方法可靠性對比

采集方法電源可靠性通信可靠性衛(wèi)星通信較高較低中壓載波較高較高信號中繼低較高計(jì)量點(diǎn)遷移高高

2.3成本分析

2.3.1衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信需要安裝衛(wèi)星指揮機(jī)和衛(wèi)星接收機(jī)。1臺指揮機(jī)可同時(shí)與多臺接收機(jī)通信。一般而言，每個(gè)用戶需安裝1臺接收機(jī)，每家供電公司可只需安裝1臺指揮機(jī)。因此，用戶數(shù)量越多，單個(gè)用戶的投資成本越低。此外，衛(wèi)星通信每年還需支付通信費(fèi)用。

2.3.2中壓載波

中壓載波需在每條10 kV線路上至少安裝2臺載波機(jī)。一般主載波機(jī)置于變電站內(nèi)，從載波機(jī)置于用戶側(cè)。與衛(wèi)星通信類似，若同一線路上有多個(gè)用戶采用中壓載波通信方式，則可降低單個(gè)用戶的建設(shè)成本。

2.3.3信號中繼

信號中繼的建設(shè)成本主要包括中繼器成本和低壓電源建設(shè)成本。1臺中繼器服務(wù)的用戶數(shù)量較少，一般為1至3戶。為了可靠，電源一般采用電壓互感器。

2.3.4計(jì)量點(diǎn)遷移

計(jì)量點(diǎn)遷移的成本主要是施工費(fèi)用。根據(jù)遷移距離不同，施工費(fèi)用略有差異，一般遷移距離在3 km之內(nèi)。

4種采集方法在建設(shè)和使用成本方面的比較結(jié)果見3。

表34種采集方法在成本上的對比

采集方法建設(shè)成本/萬元使用成本/萬元備注衛(wèi)星通信3～50.04～0.06按100戶計(jì)算中壓載波2～30按5戶計(jì)算信號中繼10按2戶計(jì)算計(jì)量點(diǎn)遷移0.5～10按1戶計(jì)算

從表3可知，衛(wèi)星通信方案的成本最高，計(jì)量點(diǎn)遷移方案的成本最低。若條件允許宜采用計(jì)量點(diǎn)遷移方案，而衛(wèi)星通信則可作為最后解決方案。

3　應(yīng)用分析

下面以某電力公司對小水電站電能數(shù)據(jù)的采集為例，給出各種方案的應(yīng)用條件。

根據(jù)國網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)的管理要求，需要采集小水電站15 min的曲線數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)，還必須支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)召讀功能。表4給出了每天的數(shù)據(jù)量測算。

表4小水電站每日需采集的電能數(shù)據(jù)量

采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量/B曲線數(shù)據(jù)12096日數(shù)據(jù)240月數(shù)據(jù)8實(shí)召數(shù)據(jù)40總計(jì)12384

注：每月月數(shù)據(jù)為240 B，平均每天為8 B；假設(shè)平均每天實(shí)召40 B。

考慮到傳輸報(bào)文還包括幀頭、幀尾等額外開銷，終端每天向主站上送數(shù)據(jù)量的能力必須大于120 KB。結(jié)合表1所列的上行通信速率，各種采集方法每天通信時(shí)間的最低比例見表5。比例越低，說明該采集方法可額外采集的數(shù)據(jù)量越多。比例越高，則采集方法的容錯(cuò)能力越低，不允許出現(xiàn)明顯的通信不穩(wěn)定。

表5每天通信時(shí)間最低比例

采集方法每天通信時(shí)間占比/%衛(wèi)星通信86中壓載波12信號中繼0.056計(jì)量點(diǎn)遷移0.022

由上述對4種采集方法的通信速率、可靠性、成本分析，結(jié)合表5的具體需求可知，計(jì)量點(diǎn)遷移方案的優(yōu)勢最明顯，衛(wèi)星通信的速率最低，對通信穩(wěn)定性的要求最高。下面給出各種采集方法的適用場景。

計(jì)量點(diǎn)遷移方法的原理簡單，宜優(yōu)先考慮。若用戶同意遷移計(jì)量點(diǎn)，且遷移后基本不影響計(jì)量功能，則應(yīng)采用此方法。計(jì)量點(diǎn)遷移涉及到的線損問題可通過建立線損模型，綜合計(jì)量點(diǎn)的電壓、電流、功率曲線等因素，計(jì)算線損分?jǐn)偂?/p>

對于無法遷移計(jì)量點(diǎn)的小水電站，若計(jì)量點(diǎn)離信號覆蓋區(qū)域不遠(yuǎn)，且中間無明顯的障礙物隔斷，則可考慮采用信號中繼方法。此方法基本不影響終端與主站的通信效果，同時(shí)改造成本較低。該方法的難點(diǎn)在于解決低壓取電的問題，以及野外低壓線路的維護(hù)問題。

若無法采用信號中繼，則可考慮中壓載波和衛(wèi)星通信兩種方法。中壓載波適合于少量無信號覆蓋計(jì)量點(diǎn)的電能數(shù)據(jù)采集。特別適合于1條10 kV線路上有多個(gè)無信號覆蓋計(jì)量點(diǎn)的場景。衛(wèi)星通信則適合于無信號覆蓋計(jì)量點(diǎn)數(shù)量較多且地理分散的場景。以一省或一市為單位，建立1套基于衛(wèi)星通信的電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為最后的技術(shù)手段徹底解決無信號覆蓋區(qū)域電能數(shù)據(jù)采集的難題。

4　結(jié)束語

本文針對無信號覆蓋區(qū)域電能數(shù)據(jù)采集的需求，介紹了4種解決方案。這些方案均在電力公司得到應(yīng)用。其中衛(wèi)星通信作為一種新的采集方式已在青海、四川、福建、貴州等地成功應(yīng)用，中壓載波則在廣東電網(wǎng)試點(diǎn)，均能滿足電力公司對曲線數(shù)據(jù)、日月數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集需求。

本文總結(jié)4種采集方法的特點(diǎn)，并從通信速率、可靠性、成本等方面對4種采集方法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，得出了每種方法的適用場景，為今后無信號覆蓋區(qū)域用電信息采集系統(tǒng)的方案選擇提供參考依據(jù)。

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(編輯王夏慧)

Research on Electric Energy Data Acquisition Method in No Signal Coverage Areas and Its Application

WU Feicai

(Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yong’an, Fujian 366000, China)

Quality of public network communication is an important factor influencing effect of electric energy data acquisition. In allusion to the problem of being unable to collect electric energy data in no signal coverage areas, this paper firstly introduces four solutions in aspects of technical principles and features. Secondly, technical and economic analysis is carried out in terms of communication rate, reliability, cost, and so on. Finally, feasible scenarios are presented for the four methods by combining with requirements for electric energy data acquisition in small hydropower stations, which can be used for scheme selection for construction of electric energy data acquisition system and improving communication quality in public network.

public network communication; no signal coverage; electric energy acquisition terminal; electric energy data acquisition

2016-04-19

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.021

TM932

B

1007-290X(2016)09-0104-05

吳飛財(cái)(1979)，男，福建永安人。講師，工學(xué)碩士，主要從事電能計(jì)量、電氣自動化研究及教學(xué)工作。