無線通信技術(shù)在電力信息采集中的應(yīng)用

崔凱翔

摘要：從電力信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及業(yè)務(wù)采集過程中引入無線通信技術(shù)應(yīng)用的依據(jù)，并分析無線儲能技術(shù)數(shù)據(jù)丟失的規(guī)律。根據(jù)電力信息采集系統(tǒng)的特點，從節(jié)約成本、提升效率的角度提出應(yīng)用微功率無線通信、低壓窄帶電力線載波、低壓寬帶電力線載波三種本地信道通信方式。

關(guān)鍵詞：無線通信;信道;電力信息采集;應(yīng)用

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）33-0187-02

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，智能電網(wǎng)建設(shè)不斷推進(jìn)，電力無線通信技術(shù)也取得巨大的進(jìn)步。與此同時，用戶對電力的業(yè)務(wù)需求越來越多。通信網(wǎng)絡(luò)的性能在一定程度上決定是否能為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，如電力信息采集業(yè)務(wù)實現(xiàn)可靠性關(guān)鍵的因素之一便是通訊網(wǎng)絡(luò)性能的好與壞。而建設(shè)用電信息采集系統(tǒng)又是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的必然要求，在實現(xiàn)電網(wǎng)與客戶雙向互動，承擔(dān)起用電信息自動采集、高效共享和實現(xiàn)監(jiān)控等重要的任務(wù)，可以有效改變過去長期無法及時、完整、準(zhǔn)確掌控電力用戶信息的落后局面，在系統(tǒng)各層面上滿足用戶的需求，實現(xiàn)電網(wǎng)公司管理現(xiàn)代化，進(jìn)一步提升服務(wù)能力等方面具有跨越性的歷史意義。

一、電力信息采集系統(tǒng)

電力信息采集業(yè)務(wù)是對用戶的用電信息進(jìn)行采集、監(jiān)測和處理，實現(xiàn)用戶用電信息計量異常監(jiān)測以及用戶用電信息采集、分析和管理，同時也讓電能質(zhì)量被實時監(jiān)控等，在用戶服務(wù)、市場管理、電費實時結(jié)算等多方面提供實時、可靠的數(shù)據(jù)。

電力用電信息采集系統(tǒng)分主站層、通信信道層和采集設(shè)備層三層。[1]主站與其他應(yīng)用系統(tǒng)和公網(wǎng)信道是由防火墻分離開來，單獨組網(wǎng)。在主站層里有前置采集平臺、營銷采集業(yè)務(wù)應(yīng)用以及數(shù)據(jù)庫管理三部分組織。前置采集平臺管理和調(diào)查各種與終端的遠(yuǎn)程通信;營銷采集業(yè)務(wù)應(yīng)用讓系統(tǒng)的各部分應(yīng)用功能得到充分得到充分發(fā)揮;數(shù)據(jù)庫管理實現(xiàn)用電終端的用電信息有效管理，并擔(dān)負(fù)起協(xié)議解析職責(zé)。實現(xiàn)這三種功能，需要由前置采集服務(wù)器、營銷系統(tǒng)服務(wù)器以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成主站網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)。采集設(shè)備層的主要任務(wù)是收集和提供整個系統(tǒng)的原始用電信息，是整個系統(tǒng)的底層，又分為計量設(shè)備層、終端子層兩個子層，分別負(fù)責(zé)實現(xiàn)電能計量和數(shù)據(jù)輸出和收集用戶計量設(shè)備的信息、處理和凍結(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)與上層主站的交互等。而主站層和采集設(shè)備層之間的最重要使是通信信道，為主站和終端信息交互提供平臺。目前有230MHz電力無線專網(wǎng)、GPRS/CDMA無線公網(wǎng)以及光纖專網(wǎng)等通信信道，而無線技術(shù)的應(yīng)用更能滿足系統(tǒng)需要，其可靠性和穩(wěn)定性成了當(dāng)前的研究重點。

用電信息釆集系統(tǒng)主要有五大功能，分別是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)接口、運行維護(hù)管理、數(shù)據(jù)管理及控制和綜合應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集主要是根據(jù)業(yè)務(wù)要求編制自動采集任務(wù)，例如任務(wù)類型和名稱、采集周期和群組、正常補采次數(shù)以及執(zhí)行優(yōu)先級等信息，對任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行管理;系統(tǒng)接口主要是與其他應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行連接;運行維護(hù)管理功能是對密碼、權(quán)限、檔案、通信與路由、終端、運行狀況、故障記錄、報表等方面的內(nèi)容進(jìn)行有效管理;數(shù)據(jù)管理及控制功能包括對數(shù)據(jù)的計算、檢查、分析、存儲等內(nèi)容進(jìn)行管理以及對電量、功率、費率、電纜催收等內(nèi)容進(jìn)行控制;綜合應(yīng)用功能主要是提供異常用電分析、有序用電管理、自動抄表管理、用電分析、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計等服務(wù)。用電信息采集首先由主站對集體終端進(jìn)行對時，統(tǒng)一時間后終端進(jìn)行采集工作狀態(tài)，按設(shè)定的時間間隔進(jìn)行定時抄表、存儲并通過無線信道傳數(shù)據(jù)到后臺，如無線信道不穩(wěn)定時，后臺會自動再次生成相應(yīng)的補救命令追補數(shù)據(jù)，最后后臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。整個采集過程，業(yè)務(wù)通信具有整點時刻定時抄表，重傳補數(shù)的特點，保證在業(yè)務(wù)通信失敗的情況下還可以再次重新傳采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息采集可靠性。

二、無線通信信道技術(shù)特點與數(shù)據(jù)丟失規(guī)律分析

1.無線通信信道技術(shù)的特點

利用信道的統(tǒng)計特征進(jìn)行分析是無線通信信道技術(shù)的重要特征之一。無線通信信道分為小尺度衰落和大尺度衰落兩種衰落大體。小尺度傳播是指信號在短時間內(nèi)瞬間產(chǎn)生的變化，而大尺度傳播指的是在相關(guān)長的一段時間內(nèi)信號平均功率的變化。信道的相位、振幅會受到多徑傳播和多普勒頻移兩者的影響，產(chǎn)生信號頻散和時間選擇性衰落。衰落也根據(jù)大小將小尺度衰落分為選擇性頻率衰落和平坦衰落。在電力系統(tǒng)無線通信應(yīng)用中通常有如高斯噪聲、白噪聲、窄帶高斯噪聲等多種噪聲陪隨著信號的傳輸，短時衰減是他們其中最大的特點，最大可以達(dá)到60～70dB。無線通信信道技術(shù)噪聲有突發(fā)性的脈沖噪聲、自然噪聲、同步周期性脈沖的噪聲、異步周期性脈沖的噪聲。突發(fā)性的脈沖噪聲顧名思義是指網(wǎng)絡(luò)上開關(guān)的操作或者發(fā)生閃電時產(chǎn)生一系列脈沖噪聲影響到非常寬的頻帶，以致脈沖噪聲密度比背景噪聲的功率譜密度高出50dB;自然噪聲即是指如閃電、雷擊、電焊等自然界各種各校的電磁波造成的自然噪聲;同步周期性脈沖的噪聲是電力設(shè)備按照50Hz或者100Hz來工作的頻率產(chǎn)生的脈沖，功率隨頻率增加而減少;異步周期性脈沖的噪聲是由于大功率電器的開關(guān)發(fā)生周期星的開閉動作導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生，重復(fù)率主要集中50～200范圍之內(nèi)。

2.電力無線通信數(shù)據(jù)丟失規(guī)律

不同地區(qū)電力負(fù)荷的特性不同，影響電力負(fù)荷的因素也不完全相同。[2]電力用電信息采集業(yè)務(wù)的主要任務(wù)是對居民用電信息進(jìn)行采集與監(jiān)控，無線通信往往會受到電磁干擾的影響。對用電信息采集無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，指在根據(jù)電磁干擾造成數(shù)據(jù)丟失規(guī)律，結(jié)合信息采集業(yè)務(wù)的應(yīng)用環(huán)境特點，調(diào)整選用合適的控制策略，以保證用信息采集業(yè)務(wù)的可靠性。分析數(shù)據(jù)丟失規(guī)律，首先要統(tǒng)計出24小時內(nèi)居民用電負(fù)荷與時間的關(guān)系特性，并結(jié)合用電負(fù)荷量得出階梯獎業(yè)務(wù)量模型，再根據(jù)模式作出規(guī)律性變化分析。

在統(tǒng)計電力用戶用電負(fù)荷狀況時，節(jié)選廣州某居民區(qū)生活和工作用電負(fù)荷24小時規(guī)律變化為例，通過采樣、統(tǒng)計、整理得出一天內(nèi)的用電負(fù)荷曲線，如圖1所示：

其中，負(fù)荷比值=瞬時負(fù)荷量/24小時平均負(fù)荷量。由圖1可以看出，01：00～05：00時間段為居民的休息時間，全天進(jìn)行用電量低谷;05：00～08：00時間段，居民起床、做飯、上班等，用電量略有所回升;08：00～12：00時間段為居民上班時間，使用各種電器設(shè)備，用電量明顯上升，而12：00～13：00為午餐午休時間，用電量隨著部分活動的停止而呈小幅下降;13：00～18：00又進(jìn)入工作期間，用電量也相應(yīng)上升;18：00～20：00時間段是居民回家做飯時間，用電量逐漸增加;20：00～23：00時間是大多數(shù)人在家休息，如電視、空調(diào)等大功率電器大幅啟動，多數(shù)娛樂場所也進(jìn)行一天的高峰，此時處于用電高峰期，在21：00附近進(jìn)入一天用電最高峰，隨后便有所下降，至24時多數(shù)居民已休息，用電量又逐漸步入一天的低谷。

電力無線通信數(shù)據(jù)丟失率與電磁干擾因素呈正相關(guān)關(guān)系，一般而已，電磁干擾因素越大，電力無線通信信道數(shù)據(jù)據(jù)丟失率就越大。結(jié)合居民用電負(fù)荷曲線，將一天分成五個時間段，依次為K23：00-6：00;K6：00-12：00;K12：00-18：00;K18：00-20：00;K20：00-23：00。五個時間段的居民用電量呈遞增趨勢，設(shè)20：00的用電負(fù)荷比值為K20：00，那么K20：00-23：00段的平均負(fù)荷比值為：

K20：00-23：00=（K20：00+K21：00+K22：00）/3

同理可求得其他四個時間段的平均負(fù)荷比值，可以得到五個級別的通信數(shù)據(jù)丟失率階梯模型，可以總結(jié)電力無線通信數(shù)據(jù)丟失規(guī)律是隨著用電量的變化而變化。在接入過程中應(yīng)當(dāng)充分根據(jù)此規(guī)律的特點而設(shè)計不同的控制方式，從而最大限制提高無線資源的利用率。

三、無線通信技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

用電信息采集系統(tǒng)通信分為有線通信和無線通信。無線通信又分為無線專網(wǎng)和無線公網(wǎng)。一般而言，變電站采集終端采用有線的光纖通信方式，保證采集實時性強;高壓客戶采用230 MHz專網(wǎng)或無線公網(wǎng)方式;而低壓客戶幾乎都是采用無線公網(wǎng)通信方式。由于居民用電信息采集中，一個公用配變電下有大量的電力用戶，而且具有用電容量小、計量點分散等特點，本地信道方式將大量的電力用戶信息集中再往系統(tǒng)主站傳輸是一個低成本的無線通信技術(shù)應(yīng)用方式。因此，用電信息采集系統(tǒng)無線技術(shù)的應(yīng)用主要介紹微功率無線通信、低壓窄帶電力線載波、低壓寬帶電力線載波三種本地信道通信方式的應(yīng)用。[3]

微功率無線通信是指采用WSN（Wireless Sensor Networks）技術(shù)的無線通信方式。WSN是一系列微功率通信的總稱，綜合了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，通信微型傳感器節(jié)點對用戶進(jìn)行實時的感知和監(jiān)控，利用每個傳感器具有無線通信功能組建成一個無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，非常適用于低成本、測量點多、范圍分散的低壓場合。應(yīng)用WSN技術(shù)克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)對點無線傳輸模式的局限性，自組織性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)性、網(wǎng)絡(luò)分布式特性等較為明顯，而且通信能力、抗干擾能力都比較強，無需要安裝，功耗低，具有很強的成本優(yōu)勢。無線數(shù)據(jù)支持雙向傳輸，既可以上傳電能表的數(shù)據(jù)，又可以接收集中器下發(fā)的命令，還可以中繼來自其他節(jié)點數(shù)據(jù)。通信流程如圖2所示：

電能表通過無線采集節(jié)點傳輸?shù)街欣^節(jié)點，并由集中器進(jìn)行處理。集中器下發(fā)命令數(shù)據(jù)，目標(biāo)無線采集節(jié)點就會通過多個中繼節(jié)點收到命令，甚至可以直接收到，然后轉(zhuǎn)發(fā)給電能表。還也可以利用無線網(wǎng)絡(luò)實時性強的優(yōu)點，將突發(fā)事件通過無線節(jié)點主動上傳到后臺，有效地實現(xiàn)故障報警、實時監(jiān)控、防竊電。對于測量點相對分散、集中裝表、用戶負(fù)載變化大、載波不穩(wěn)定等場合非常適用。

低壓窄帶電力線載波通信指的是載波信息范圍限制在500kHz以內(nèi)的低壓電力線載波通信。配電線主要用于傳輸50Hz大功率電力，配電線連接各種設(shè)備將會影響到傳輸?shù)耐ㄐ判盘?，特別是近年來變頻家用電器大量使用，對信道的穩(wěn)定性造成巨大的干擾，主要表現(xiàn)為阻抗不穩(wěn)定、噪聲顯著、信號衰減嚴(yán)重，并且這兩個因素隨著時間和頻率變化而變化。窄帶載波通信技術(shù)可以雙向傳輸，不再需要另外通信線路，具有較強的適應(yīng)性，而且具有容易安裝的特點，對于低壓用戶數(shù)據(jù)采集是個很好的應(yīng)用。但其數(shù)據(jù)傳輸速率較低，容易受到噪聲大、信號衰減的影響，在通信可靠性方面還存在著一定的技術(shù)障礙。因此，在應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)利用軟硬件技術(shù)結(jié)合，完成組網(wǎng)優(yōu)化窄帶載波通信，對于一些用電負(fù)載特性變化較小、電能表分散布置困難的區(qū)域具有一定的應(yīng)用價值。

寬帶電力線載波系統(tǒng)工作在1～40MHz頻率范圍，成功避開了kHz頻段帶來的干擾，并通過擴頻調(diào)制或者正交方式來獲得兆級以上的傳輸速率。這種電力線寬帶通信調(diào)制技術(shù)把信道帶寬分成N個正交的子信道，每個子信道呈現(xiàn)相對性和平坦特性，將這些子信道看成理想信息。由于低壓臺區(qū)電力線上的高頻傳輸信號往往會衰減得比較快，需要通過時分中繼、自動中繼、頻分中繼和智能路由計算等多項技術(shù)手段實現(xiàn)整個低壓電力通信網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)并通信。

這種通信技術(shù)具有較高的抗干擾能力，適應(yīng)性強，可以同時承載多個業(yè)務(wù)并對各個任務(wù)進(jìn)行并發(fā)處理。同時有單跳通信距離受限、信號衰減大等局限性。在應(yīng)用時還需要采用路由、中繼等行之有效的優(yōu)化措施。根據(jù)寬帶載波的短距離和少分支特性，應(yīng)當(dāng)重點應(yīng)用于城鄉(xiāng)公變區(qū)供電區(qū)域、電表集中安裝居民區(qū)等，電能表數(shù)據(jù)采集效果和經(jīng)濟性均優(yōu)于其他的抄表方式。

四、結(jié)語

智能電網(wǎng)建設(shè)體現(xiàn)一個國家電力發(fā)展水平。而智能用電是智能電網(wǎng)的一個重要組成部分，其建設(shè)水平直接關(guān)系到我國電網(wǎng)經(jīng)濟運行、使用效率、有序用電等諸多問題。用電信息采集系統(tǒng)自動化、智能化為智能用電服務(wù)提供有力的技術(shù)。本文在分析用電信息采集系統(tǒng)、無線通信技術(shù)特點的基礎(chǔ)上對微功率無線通信、低壓窄帶電力線載波、低壓寬帶電力線載波三種本地信道通信方式進(jìn)行討論，旨在為國家智能用電服務(wù)提供支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓勇，劉柳，顧博.電力用戶用電信息采集系統(tǒng)主站軟件設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，（2）：82-83.

[2]陳建.電力負(fù)荷預(yù)測方法[J].渤海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），

2006，27（2）：142.

[3]李靖波，劉曉忠.低壓電力用戶用電信息采集本地通信方式比較[J].電力系統(tǒng)通信，2010，（8）：62-63.

（責(zé)任編輯：王祝萍）