電力光纖入戶的智能小區(qū)配用電信息采集系統(tǒng)解決方案

徐建平，徐 靜

（揚(yáng)州供電公司，江蘇 揚(yáng)州 225001）

用電信息采集系統(tǒng)是指利用現(xiàn)代化通信手段（包括有線、無線、載波等）實(shí)現(xiàn)計(jì)量裝置在線監(jiān)測和用戶負(fù)荷、電量、電壓等重要信息的實(shí)時(shí)采集，在居民小區(qū)中采集對(duì)象主要包括小區(qū)配電變壓器信息、開關(guān)柜信息、小區(qū)公共設(shè)備設(shè)施用電信息、居民電能表信息、居民戶內(nèi)分類用電信息等。用電信息采集系統(tǒng)運(yùn)用高效的信息化管理手段，準(zhǔn)確、及時(shí)的完成用電數(shù)據(jù)抄讀及計(jì)量裝置的狀態(tài)監(jiān)控功能，從而代替長達(dá)幾十年的人工干預(yù)數(shù)據(jù)抄錄，為供電部門進(jìn)行用電統(tǒng)計(jì)、電費(fèi)核算、表計(jì)監(jiān)控、臺(tái)片線損考核以及其他管理工作提供及時(shí)有效的支持。

目前用電信息采集系統(tǒng)的問題體現(xiàn)在遠(yuǎn)程通信和本地通信的可靠性和實(shí)時(shí)性。遠(yuǎn)程通信是指采集終端和系統(tǒng)主站之間的數(shù)據(jù)通信，本地通信是指采集終端和計(jì)量裝置之間的數(shù)據(jù)通信。具體問題如下：

（1）通信實(shí)時(shí)性較差

目前市場上的用電信息采集系統(tǒng)產(chǎn)品，特別是低壓居民集中抄表系統(tǒng)產(chǎn)品的通信實(shí)時(shí)性無法滿足應(yīng)用需要。國家電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中就提出了“全覆蓋、全實(shí)時(shí)、全費(fèi)控”的數(shù)據(jù)采集要求，而現(xiàn)在市場上的產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。由于技術(shù)和投資限制，目前很多產(chǎn)品都是按照電費(fèi)月度結(jié)算為宗旨進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)采集完整的用電數(shù)據(jù)往往要一天甚至幾天時(shí)間。即使采集到了用電數(shù)據(jù),由于遠(yuǎn)程通信的不可靠,也是在一天中的某個(gè)時(shí)間段集中上傳采集到的數(shù)據(jù)。

（2）通信可靠性不高

目前，用電信息采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信使用無線公網(wǎng)，本地通信使用485、低壓載波或其它無線通信方式。由于低壓線路是針對(duì)電能輸送設(shè)計(jì)的，信道衰減嚴(yán)重，背景干擾復(fù)雜，負(fù)載變化不可控，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)因素太多，頻段范圍狹窄，因此低壓載波通信數(shù)據(jù)傳輸可靠性差。485線通信由于需要布線，帶寬比較窄，經(jīng)濟(jì)性不高。遠(yuǎn)程通信使用無線公網(wǎng)，有時(shí)會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象，小區(qū)復(fù)雜的地理環(huán)境還會(huì)導(dǎo)致無線公網(wǎng)不能覆蓋所有區(qū)域。上述原因降低了現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)采集用電信息的可靠性。

1 電力光纖入戶和ZigBee通信技術(shù)

電力光纖入戶是指采用光纖復(fù)合低壓電纜或普通光纖線纜，將光纖隨低壓電力線敷設(shè)，實(shí)現(xiàn)從配電變壓器到電能表，再從電能表到戶的光網(wǎng)絡(luò)通信方案。配合無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于電力光纖入戶的通信網(wǎng)絡(luò)承載用電信息采集、智能用電雙向交互、多網(wǎng)融合等業(yè)務(wù)。

ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用Zigbee設(shè)備自動(dòng)組網(wǎng)和自動(dòng)路由的特點(diǎn)，構(gòu)成配用電網(wǎng)終端信息傳輸通道，與已有的電力光纖通信相結(jié)合，可以將電能表、配電變壓器、開關(guān)柜、戶內(nèi)信息等配用電網(wǎng)終端信息傳送給供電公司各個(gè)相關(guān)部門，同時(shí)也可以將設(shè)備配置參數(shù)等信息下達(dá)給現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息的快速采集和處理。面向智能小區(qū)設(shè)計(jì)的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在用電信息采集、配電故障定位、配變監(jiān)測等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用空間。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)公用配變和各種居民用戶的環(huán)境特點(diǎn)，用電信息采集系統(tǒng)將以不同的技術(shù)模式，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)各類用電信息集中采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到對(duì)小區(qū)戶外采集點(diǎn)和居民戶內(nèi)分類用電信息采集的“全覆蓋”。

2.1.1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖1所示，由3層物理結(jié)構(gòu)組成。第一層主站，是整個(gè)系統(tǒng)的管理中心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電能信息采集、用電管理以及數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用等；第二層數(shù)據(jù)采集層，負(fù)責(zé)對(duì)各采集點(diǎn)電能信息的采集和監(jiān)控，包括各種應(yīng)用場所的電能信息采集終端；第三層采集點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備，是電能信息采集源和監(jiān)控對(duì)象，如：電能表和相關(guān)測量設(shè)備、客戶配電開關(guān)、無功補(bǔ)償裝置以及其他現(xiàn)場智能設(shè)備等。通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)各層之間的數(shù)據(jù)傳輸，它可以是專用或公共無線、有線通信網(wǎng)絡(luò)。

2.1.2 系統(tǒng)物理架構(gòu)

整合7種通信方式的用電信息采集系統(tǒng)物理架構(gòu)如圖2。

2.2 電力光纖入戶設(shè)計(jì)

2.2.1 電力光纖入戶通道

電力光纖入戶由兩大通道建設(shè)組成。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 基于電力光纖入戶的用電信息采集系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）遠(yuǎn)程通道建設(shè)：光纖通道采用普通光纜，小區(qū)上聯(lián)變電站接入電力專用光纖到小區(qū)主配電房。

（2）小區(qū)內(nèi)部通道建設(shè)：在主配電房進(jìn)行一次分光，采用光纖復(fù)合電纜連接各次配電房；各次配電房到低壓分支箱采用光纖復(fù)合電纜連接；在低壓分支箱二次分光，采用光纖復(fù)合電纜連接各樓棟單元表箱；單元表箱放置光網(wǎng)絡(luò)終端（ONU），多個(gè)以太網(wǎng)口分別接入各個(gè)樓層集中交換機(jī)；從單元表箱或入戶采用光纖復(fù)合電纜或普通光纖皮纜，也可以采用標(biāo)準(zhǔn)5類線從樓層交換機(jī)進(jìn)入戶內(nèi)；戶內(nèi)多媒體箱內(nèi)配置光網(wǎng)絡(luò)終端（ONU），連接家庭無線網(wǎng)關(guān)。

2.2.2 電力光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

電力光纖入戶小區(qū)類型分為高層、多層、別墅。對(duì)不同建筑結(jié)構(gòu)類型的小區(qū)采用不同的技術(shù)路線。

（1）高層

電力專用光纖接入小區(qū)中心配電房，采用一級(jí)分光到各樓棟單元，單元采用標(biāo)準(zhǔn)5類線進(jìn)樓棟交換機(jī)，采用以太網(wǎng)式入戶。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3。

（2）多層

電力專用光纖接入小區(qū)中心配電房，采用一級(jí)分光到小區(qū)低壓分支箱，低壓分支箱處采用二級(jí)分光到各樓棟單元，單元采用標(biāo)準(zhǔn)五類線進(jìn)樓棟交換機(jī)，采用以太網(wǎng)式入戶。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4。

（3）別墅

采用一級(jí)分光到小區(qū)低壓分支箱，低壓分支箱處采用二級(jí)分光到各別墅，采用普通光纖皮纜入戶。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5。

圖3 高層房屋電力光纖入戶結(jié)構(gòu)圖

圖4 多層房屋電力光纖入戶結(jié)構(gòu)圖

圖5 別墅房屋電力光纖入戶結(jié)構(gòu)圖

2.3 ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以小區(qū)或家庭的光載無線接入點(diǎn)為核心，可以按照戶外接入點(diǎn)、戶內(nèi)接入點(diǎn)構(gòu)成若干個(gè)Zigbee通信子網(wǎng)，每個(gè)家庭構(gòu)建一個(gè)ZigBee通信子網(wǎng)。

ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)分為4層：控制中心的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，控制中心一般在小區(qū)配電房；小區(qū)電力光纖通信；Zigbee通信子網(wǎng)；終端設(shè)備采集配用電數(shù)據(jù)，通過ZigBee終端上傳到ZigBee通信子網(wǎng)。

Zigbee通信子網(wǎng)的終端模塊與配網(wǎng)終端采集設(shè)備（如：配變監(jiān)測儀、故障指示器、用電采集設(shè)備等）相連，ZigBee終端模塊通過ZigBee智能中繼器把采集到的數(shù)據(jù)傳遞給ZigBee智能網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)交換。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 配電信息采集

配電信息采集包括小區(qū)配電變壓器、開關(guān)柜相關(guān)電參數(shù)信息。采用了小區(qū)配電變壓器綜合采集儀，用于實(shí)現(xiàn)配電信息的采集。

小區(qū)配電變壓器綜合采集儀包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置和查詢、事件記錄、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備維護(hù)7個(gè)功能模塊。其中，數(shù)據(jù)采集包括電能表的數(shù)據(jù)采集、配電變壓器狀態(tài)量、脈沖量、交流模擬量的數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理指小區(qū)配電變壓器綜合采集儀具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，保存最近30天日凍結(jié)數(shù)據(jù)、12個(gè)月的月凍結(jié)數(shù)據(jù)，支持主站軟件召測采集實(shí)時(shí)、歷史15 min凍結(jié)、小時(shí)凍結(jié)、日凍結(jié)、月凍結(jié)數(shù)據(jù)；參數(shù)設(shè)置和查詢包括時(shí)鐘、限值、抄表等參數(shù)的設(shè)置與查詢；事件記錄指小區(qū)配電變壓器綜合采集儀能夠在采集數(shù)據(jù)的同時(shí),監(jiān)測電能表運(yùn)行狀況，包括參數(shù)的變更、時(shí)間超差、故障信息、示數(shù)異常等信息，小區(qū)配電變壓器綜合采集儀監(jiān)測到事件信息后，可主動(dòng)向主站軟件上報(bào)事件信息；數(shù)據(jù)傳輸，上行通信支持以太網(wǎng)通信以及GPRS無線公網(wǎng)通信,上行通信采用模塊的方式，以太網(wǎng)和GPRS無線公網(wǎng)通信模塊可互相替換，下行通信支持485及無線通信方式。對(duì)于下行，還支持與其它終端與主站軟件之間通信的中繼功能；設(shè)備維護(hù)指小區(qū)配電變壓器綜合采集儀具有自檢自恢復(fù)、本地狀態(tài)指示、本地維護(hù)接口等功能。

小區(qū)配電變壓器綜合采集儀具有如下特點(diǎn)：

針對(duì)小區(qū)配電信息采集傳輸安全可靠性要求，采用ZigBee專用無線網(wǎng)絡(luò)，建立了基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的配電采集系統(tǒng)，不僅節(jié)約了運(yùn)行成本，而且解決了電力通信內(nèi)外網(wǎng)隔離后配電信息的安全傳輸問題。

針對(duì)小區(qū)配電信息采集傳輸實(shí)時(shí)性要求，采用以太網(wǎng)方式，接入小區(qū)電力光纖，與主站軟件之間建立光纖通信網(wǎng)絡(luò)，借助小區(qū)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的快捷性，提高采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

小區(qū)配電變壓器綜合采集儀可以同時(shí)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中繼設(shè)備，增加了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

系統(tǒng)安裝使用方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足了配電信息采集的需要。

3.2 戶外用電信息采集

小區(qū)戶外用電信息的采集包括小區(qū)居民電能表的用電信息采集與小區(qū)公共用電，如：路燈、景觀燈、電梯等。

小區(qū)居民電能表的用電信息采集采用了以太網(wǎng)小集中器，符合國家電網(wǎng)公司制訂的《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，采用以太網(wǎng)上行通信方式，實(shí)現(xiàn)小區(qū)居民電能表的用電信息采集,同時(shí)具有實(shí)現(xiàn)集中戶內(nèi)用電信息采集終端的采集數(shù)據(jù)，上報(bào)給主站軟件。

小區(qū)公共用電信息采集，采用了三相智能監(jiān)控終端，外接互感器方式采集公共用電線路的電參數(shù)信息，外接接觸器的方式實(shí)現(xiàn)公共用電線路的用電控制，具體功能如下：

●電參數(shù)計(jì)量與處理，通過互感器計(jì)量空氣開關(guān)出線端的電參數(shù)信息，采集三相電流、電壓、有功功率、無功功率、電能示值等22項(xiàng)電參數(shù)數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)按凍結(jié)密度保存一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)備份以及一份實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便上端設(shè)備的查詢。即使設(shè)備意外斷電，通電后，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)被清零。

●通斷電控制，三相智能監(jiān)控終端具有實(shí)時(shí)、定時(shí)2種通斷電控制方式。其中實(shí)時(shí)控制即終端響應(yīng)主站軟件下發(fā)的實(shí)時(shí)控制命令，即時(shí)響應(yīng)控制；定時(shí)控制即終端根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間段響應(yīng)通電、斷電命令。

●數(shù)據(jù)傳輸，上行通信支持485及無線通信方式，可以直接與小區(qū)內(nèi)其它設(shè)備組成Zigbee網(wǎng)絡(luò)，也可以通過485總線接入小區(qū)配電變壓器綜合采集儀，通過小區(qū)配電變壓器綜合采集儀實(shí)現(xiàn)與小區(qū)外網(wǎng)的光纖通信。

●設(shè)備維護(hù)，三相智能監(jiān)控終端具有自檢自恢復(fù)、本地狀態(tài)指示、本地維護(hù)接口等功能，同時(shí)具有液晶屏顯示，以便維護(hù)人員現(xiàn)場巡檢。

三相智能監(jiān)控終端具有如下特點(diǎn)：

●設(shè)備具有ZigBee和485雙通道功能，小區(qū)內(nèi)分散的公共用電信息采集或集中的公共用電信息采集都適用。通過小區(qū)配電變壓器綜合采集儀實(shí)現(xiàn)與主站軟件之間的通信，與主網(wǎng)絡(luò)隔離，提高了采集網(wǎng)絡(luò)的安全性。

●具有定時(shí)控制功能，控制方式靈活，方便小區(qū)公共用電線路的用電控制，減少小區(qū)物業(yè)人員的開關(guān)燈等的工作量。

●系統(tǒng)安裝使用方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足戶外用電信息采集的需要。

3.3 戶內(nèi)用電信息采集

戶內(nèi)用電信息采集包括戶內(nèi)空氣開關(guān)出線線路的用電信息采集，居民主要用電設(shè)備（電冰箱、電熱水器等）的用電信息采集。

戶內(nèi)空氣開關(guān)出線線路的用電信息采集，采用智能空氣開關(guān)，其功能與三相智能監(jiān)控終端類似，實(shí)現(xiàn)空氣開關(guān)回路單相電參數(shù)的采集。

居民主要用電設(shè)備的用電信息采集采用智能插座，在實(shí)現(xiàn)普通插座功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)插座負(fù)載的用電信息采集。居民用戶用智能插座可實(shí)現(xiàn)主要用電設(shè)備的用電信息采集與通斷電控制。

智能插座、智能空氣開關(guān)采用ZigBee無線通信方式，與戶內(nèi)其它智能空氣開關(guān)、智能插座組成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，家居智能網(wǎng)關(guān)可通過Zigbee通信模塊接收智能插座、智能空氣開關(guān)采集數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)小集中器也可通過Zigbee通信模塊統(tǒng)一集中戶內(nèi)采集的用電信息數(shù)據(jù)，傳輸采集數(shù)據(jù)到主站軟件。

智能插座、智能空氣開關(guān)具有如下特點(diǎn)：

●設(shè)備具有ZigBee通信方式，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)每一戶組成一個(gè)獨(dú)立的采集網(wǎng)絡(luò)，保證了采集數(shù)據(jù)的正確性。

●設(shè)備無需布線，外型小巧，安裝使用方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足戶內(nèi)用電信息采集的需要。

3.4 主站系統(tǒng)

智能小區(qū)配用電信息采集系統(tǒng)采用省電力公司統(tǒng)一的主站系統(tǒng)，所有采集到的配電信息、戶外用電信息、戶內(nèi)用電信息通過小區(qū)入戶光纖統(tǒng)一匯聚到主站軟件系統(tǒng)，通過軟件功能進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，輔助供電部門決策，為供電公司向居民用戶提供用電服務(wù)提供了信息支撐。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

基于電力光纖入戶的智能小區(qū)配用電信息采集系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

●實(shí)時(shí)性和同步性，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)配用電數(shù)據(jù)采集通信網(wǎng)絡(luò)的一體化，通信網(wǎng)絡(luò)能夠保證各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，并能夠保證小區(qū)配用電網(wǎng)絡(luò)各個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集的同步性。

●易用性和可擴(kuò)展性，由于小區(qū)電力光纖入戶建設(shè)時(shí)預(yù)留了大量的光纖纖芯資源，以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組織特點(diǎn)，使得小區(qū)內(nèi)部接入新的信息采集設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)能夠感知新設(shè)備的接入，采集通信網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。

●全面性和精細(xì)化，系統(tǒng)可以對(duì)小區(qū)內(nèi)配電變壓器信息、小區(qū)公共用電信息、居民電能表信息、居民戶內(nèi)分類信息進(jìn)行完整的信息采集，同時(shí)可以根據(jù)需要精細(xì)化采集小區(qū)配用電網(wǎng)絡(luò)各個(gè)結(jié)點(diǎn)上的電參數(shù)。

5 結(jié)束語

通過基于電力光纖入戶的小區(qū)配用電信息采集系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)配用電數(shù)據(jù)采集通信網(wǎng)絡(luò)的一體化，保證各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和同步性，通信網(wǎng)絡(luò)具備良好的易用性和可擴(kuò)展性。通過研發(fā)配電采集設(shè)備、戶外用電信息采集設(shè)備、戶內(nèi)用電信息采集設(shè)備，與一體化通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)用電信息的全面采集和精細(xì)化采集。本文研究成果為居民小區(qū)智能用電和供電公司開展居民用戶智能用電服務(wù)提供了支撐。