用電信息采集系統(tǒng)通信技術(shù)

徐文濤

國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院供電服務(wù)中心

本文通過結(jié)合實際應(yīng)用情況，對用電信息采集上行和下行通信技術(shù)優(yōu)、缺點的分析，驗證了用電信息采集系統(tǒng)各種通信方式及組網(wǎng)方案的可行性，對用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)通信方式的選擇提出了指導(dǎo)意見，為用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)完善和提升提供了技術(shù)支撐。

引言

自2010年智能電能表推廣應(yīng)用和用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)全面推進(jìn)以來，安裝了大量智能電能表，截至目前，智能電能表應(yīng)用覆蓋率居全國第一。隨著用電信息采集系統(tǒng)接入用戶數(shù)量的快速增加和系統(tǒng)功能實用化的穩(wěn)步推進(jìn)，通信信道的傳輸速率、穩(wěn)定性、可靠性等已成為提升用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用效果的關(guān)鍵點。

通信技術(shù)是用電信息采集系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，通信技術(shù)的性能、承載能力保證了用電信息采集系統(tǒng)功能的多樣性和數(shù)據(jù)的安全性，在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。用電信息采集系統(tǒng)采用的通信信道可分為遠(yuǎn)程通信信道和本地通信信道兩類，遠(yuǎn)程信道主要有GPRS 無線公網(wǎng)、CDMA 無線公網(wǎng)、光纖專網(wǎng)、230MHz 專網(wǎng)等，本地信道主要有窄帶載波、寬帶載波、RS-485 通信、微功率無線等。用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用的通信技術(shù)類型多樣，通信效果參差不齊，各種通信方式差異性較大，系統(tǒng)功能實用化效果也存在一定程度的差異。為實現(xiàn)用電信息采集系統(tǒng)“全采集”的目標(biāo)，本文通過比較各類用電信息采集通信技術(shù)的優(yōu)劣，在不同環(huán)境下，對各類本地通信方式進(jìn)行測試和分析，提出了用電信息采集通信信道應(yīng)用的意見。

影響用電信息采集通信的因素

智能電能表是智能電網(wǎng)的重要組成部分，用電信息采集系統(tǒng)是營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用重要的數(shù)據(jù)支撐平臺。用電采集系統(tǒng)主站是對電力用戶的用電信息進(jìn)行收集、處理和實時監(jiān)控的核心，可實現(xiàn)用電信息的自動采集、計量異常監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電分析和管理、相關(guān)信息發(fā)布、分布式能源監(jiān)控、智能用電設(shè)備的信息交互等功能。

遠(yuǎn)程通信技術(shù)

遠(yuǎn)程通信信道是指各類采集終端與采集系統(tǒng)主站之間的通信接入信道。遠(yuǎn)程通信技術(shù)包括：GPRS/CDMA 無線公網(wǎng)、光纖專網(wǎng)、230MHz 無線專網(wǎng)等。

無線公網(wǎng)通信是指利用網(wǎng)絡(luò)運營商（移動、聯(lián)通、電信等）的無線網(wǎng)絡(luò)和終端產(chǎn)品完成電力用戶用電信息采集，主要是采用GPRS 和CDMA 網(wǎng)絡(luò)，并有少量的3G 網(wǎng)絡(luò)。無線公網(wǎng)使用簡單，快捷方便。截至目前，用電信息采集系統(tǒng)96%以上的數(shù)據(jù)都是采用無線公網(wǎng)通信的方式上傳到采集主站。

230MHz 是根據(jù)國家無線電管理局國無管【1991】5號《關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知》技術(shù)要求所使用的頻段，其中分配給電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)使用的有十五對雙工頻點和十個單工頻點，這些頻點在其它系統(tǒng)不許使用，為230MHz 無線專網(wǎng)通信系統(tǒng)的可靠性、實時性提供保證，是十分寶貴的頻率資源，詳細(xì)頻點見表1。

主站系統(tǒng)和變電站、開關(guān)站等站點之間已基本建成SDH 光纖骨干網(wǎng)。采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信光纖專網(wǎng)的建設(shè)重點就是建設(shè)EPON 光纖接入網(wǎng)，將光纖專網(wǎng)從變電站、開關(guān)站等重要站點向下延伸至開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、開關(guān)柜和臺區(qū)變壓器等，這些地方也是放置集中器和ONU 的地方。OLT 放置方式比較靈活，可以根據(jù)情況選擇放置在變電站，也可以向下延伸放置在開閉所，這樣可以進(jìn)一步拓展EPON 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

本地通信技術(shù)

本地通信通道是指各類采集終端與電能表之間的通信信道，本地通信方式包括：電力線載波通信技術(shù)（分為窄帶、寬帶兩種）、微功率無線技術(shù)、RS-485 總線等。

電力線載波通信（Power Line Communication）簡稱PLC，是指利用電力線作為通信介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)，它是將所要傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)調(diào)制在適于電力線介質(zhì)傳輸?shù)牡皖l或高頻載波信號上，并沿電力線傳輸，接收端通過解調(diào)載波信號來恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。

微功率無線通信技術(shù)采用自組織網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，其發(fā)射功率不大于50mW，工作頻率為公共計量頻段470MHz～510MHz。用電信息采集微功率無線通信系統(tǒng)具有7 級中繼深度，在低功率發(fā)射的情況下，開闊場地點對點通信距離可達(dá)300 米，在實際的居民用電環(huán)境中，通過多級中繼路由，有效通信覆蓋半徑達(dá)到300～1000m。

RS-485 是將專變采集終端、載波采集器、無線采集器，或II 型集中器與電能表之間采用兩線制建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的符合TIA/EIA-485 串行通訊標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議。

用電信息采集通信技術(shù)分析

遠(yuǎn)程通信技術(shù)分析

表1 用電信息采集系統(tǒng)230MHz 無線專網(wǎng)工作頻點

表2 遠(yuǎn)程通信技術(shù)比較

遠(yuǎn)程通信技術(shù)包括：①無線公網(wǎng)（GPRS、CDMA、3G）；②無線專網(wǎng)（TD-LTE230MHz、230MHz）；③光纖通信技術(shù)（EPON 通信技術(shù)）。多種遠(yuǎn)程通信技術(shù)性能比較如表2 所示。

遠(yuǎn)程通信技術(shù)性能指標(biāo)綜合對比

無線公網(wǎng)優(yōu)劣分析

優(yōu)勢：①無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)由運營商投資；②初始投資低，通信SIM 卡費用約每年60 元/張；③網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)歸屬運營商，電力企業(yè)無需承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)運維；④無線網(wǎng)絡(luò)接入方便，在信號覆蓋區(qū)域內(nèi)，即插即用。

缺點：①長期、大規(guī)模應(yīng)用將產(chǎn)生大量的租用費用，數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計不透明；②部分區(qū)域GPRS/CDMA 等無線公網(wǎng)終端在線率較低，不能很好的滿足費控等實時性要求較高的業(yè)務(wù)；③業(yè)務(wù)應(yīng)用依賴于運營商提供的網(wǎng)絡(luò)資源，應(yīng)用水平和推廣進(jìn)度受制于公網(wǎng)建設(shè)程度，部分區(qū)域通信未覆蓋；④公網(wǎng)通信首先滿足公共用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用，無法保障實時性、延時等服務(wù)質(zhì)量要求，且運營商網(wǎng)絡(luò)維護(hù)并不通知電力公司，電信業(yè)務(wù)語音優(yōu)先；⑤存在公網(wǎng)系統(tǒng)升級換代風(fēng)險，目前使用的GPRS/CDMA 是2G 網(wǎng)絡(luò)，未來運營商將網(wǎng)絡(luò)升級至3G 后，運營商2G 網(wǎng)絡(luò)資源會大幅下降，服務(wù)質(zhì)量更難以保證；⑥網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域與供電區(qū)域不完全一致，有可能導(dǎo)致漫游費用；⑦用電信息采集終端安裝位置存在無線公網(wǎng)覆蓋盲點；⑧隨著終端數(shù)量的不斷增加，存在用戶密集區(qū)域無線公網(wǎng)信道接入能力有限，造成終端爭搶信道現(xiàn)象，使該區(qū)域終端穩(wěn)定性下降，采集成功率下降。

專網(wǎng)優(yōu)劣分析

用電信息采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信方式采用專網(wǎng)的技術(shù)有光纖專網(wǎng)、無線專網(wǎng)。

優(yōu)勢：①可限制流量使用，節(jié)約運行費用，長期效益明顯；②靈活度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以根據(jù)電力業(yè)務(wù)需求，自由規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)；③實時性強(qiáng)，電網(wǎng)可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)等級，靈活自定義業(yè)務(wù)優(yōu)先級，確保實時性業(yè)務(wù)獲得最優(yōu)信道資源；④安全性保障機(jī)制完善，可采用認(rèn)證、加密等多種安全機(jī)制，保障業(yè)務(wù)安全性；⑤可承載更多電力業(yè)務(wù)，如移動作業(yè)、應(yīng)急搶修等業(yè)務(wù)，附加價值高；⑥光纖專網(wǎng)及無線寬帶專網(wǎng)傳輸速度快、距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、后期擴(kuò)展能力強(qiáng)，支持未來雙向互動業(yè)務(wù)。

缺點：①投資成本高，運行維護(hù)較復(fù)雜；②無線專網(wǎng)和載波技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，缺乏相關(guān)文件支撐。

本地通信技術(shù)分析

各種本地通信技術(shù)在性能指標(biāo)方面差異化較大，在技術(shù)實現(xiàn)，工程實施、運行管理等方面也存在一定差異，具體性能比較如表3 所示。

本地通信技術(shù)性能指標(biāo)綜合對比

優(yōu)勢：①電力線窄帶載波方式安裝方便，適用于城網(wǎng)表計分層安裝小區(qū)，可滿足當(dāng)前基本業(yè)務(wù)需求；②RS-485 通信方式從實時性、可靠性方面均優(yōu)于其他通信方式，適用于城網(wǎng)表計集中安裝小區(qū)，更利于下一代采集業(yè)務(wù)的拓展；③電力線寬帶載波方式支持并發(fā)，業(yè)務(wù)承載能力強(qiáng)，可承載雙向互動業(yè)務(wù)；④微功率無線通信方式業(yè)務(wù)承載能力較強(qiáng)，一般采用蜂窩狀組網(wǎng)方式，可實現(xiàn)分散用戶的用電信息采集。

表3 本地通信技術(shù)基本情況比較表

表4 用電信息采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信方式效果比較

表5 用電信息采集系統(tǒng)本地通信方式效果比較

缺點：①電力線窄帶載波局限性較多，受低壓線路走向和運行狀況制約較大，不能很好承載用電信息采集業(yè)務(wù)；②通訊設(shè)備布點密集，設(shè)備運維和RS-485 通信電纜敷設(shè)工作量較大；③電力線寬帶載波方式受頻率限制，傳輸距離較短，設(shè)備布點數(shù)量大，運維工作量大；④微功率無線通信方式由于存在多級路由，傳輸時延較大。

各類通信方式采集應(yīng)用效果分析

目前，用電信息采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信方式主要采用GPRS 無線公網(wǎng)和光纖專網(wǎng)，本地通信方式主要采用電力線窄帶載波、微功率無線和RS-485。

各類遠(yuǎn)程通信方式應(yīng)用比較

用電信息采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信方式效果比較主要是通過采集終端在線率進(jìn)行分析，具體情況如表4 所示。

通過表4 對比分析，可以看出，目前采用光纖專網(wǎng)通信的采集終端數(shù)量較少，只覆蓋了變電站、部分居民小區(qū)用戶和專變用戶，通信可靠率較高，能夠基本滿足用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用需要，但是光纖通信的資金投入較大，且在居民小區(qū)內(nèi)施工困難較多，且后期運維成本較大，無法實現(xiàn)大面積推廣應(yīng)用。

采用GPRS 無線公網(wǎng)通信的采集終端數(shù)量較多，但采集終端在線率只有88.43%，主要原因是有些偏遠(yuǎn)地區(qū)GPRS 信號未覆蓋、采集終端GPRS 模塊故障、SIM 卡質(zhì)量問題等，但是GPRS 無線公網(wǎng)通信的資金投入相對較少，使用方便，可以大面積推廣應(yīng)用。

各類本地通信方式應(yīng)用比較

用電信息采集系統(tǒng)本地通信方式效果比較主要是通過智能電能表采集成功率進(jìn)行分析，具體情況如表5 所示。

電力線窄帶載波通信方式具有安裝方便、投資少的特點，該種方式應(yīng)用與城市表計分層安裝小區(qū)，但采集成功率較低，主要原因為窄帶載波通信模塊信號輸出功率太低、電力線載波通信信號衰減嚴(yán)重、現(xiàn)場線路與用戶對應(yīng)關(guān)系錯誤、通訊速率較慢等，導(dǎo)致采集成功率較低。如果能將上述影響電力線窄帶載波通信方式的問題解決，該種本地通信方式是將具有較大的競爭實力，可以大范圍推廣應(yīng)用。

微功率無線通信方式是在三種本地通信方式中占比最大，因為該種方式具有業(yè)務(wù)承載能力較強(qiáng)、組網(wǎng)方式先進(jìn)、實時通訊速度加快的特點，目前農(nóng)網(wǎng)用戶全部采用該種方式進(jìn)行采集，但采集成功率未達(dá)到國網(wǎng)公司要求，主要原因有：①受GPRS 信號制約，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)集中器離線；②各品牌模塊與集中器無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，制約上線調(diào)試工作；③系統(tǒng)中客戶檔案存在問題，下發(fā)至集中器后無法對電能表進(jìn)行采集。該種通信方式的應(yīng)用應(yīng)結(jié)合臺區(qū)現(xiàn)場運行情況而定，建議在農(nóng)村地區(qū)或用戶較為分散地區(qū)使用。

RS-485 通信方式具有實時通信速率快、穩(wěn)定性高等特點，但設(shè)備安裝和RS-485 通信電纜敷設(shè)工程量較大。目前采用該種通信方式主要用戶城市表計集中安裝小區(qū)，但受到GPRS 信號覆蓋、現(xiàn)場接線、SIM 卡故障等因素制約，該種方式采集成功率也未達(dá)到要求，該種通信方式建議在城市單元表計集中安裝小區(qū)使用。

結(jié)語

綜上所述，從業(yè)務(wù)帶寬速率和穩(wěn)定性綜合比較，“光纖專網(wǎng)+RS-485”的組網(wǎng)方案具備高速率、高可靠性、高實時性和高安全性，能夠同時滿足多種用電信息采集業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，尤其在費控業(yè)務(wù)、電費服務(wù)、有序用電等方面優(yōu)于其他方案，是用電信息采集系統(tǒng)最理想的傳輸信道組網(wǎng)方案?，F(xiàn)階段“無線公網(wǎng)+窄帶載波”等通信方式雖在安全性、可靠性上稍差，但也可滿足當(dāng)前基本業(yè)務(wù)需求。由于未來業(yè)務(wù)需求量較大，對通信實時性、可靠性要求較高，宜采用“光纖專網(wǎng)+RS-485/寬帶載波”、無線專網(wǎng)+RS-485/寬帶載波等通信方式的組網(wǎng)方案。